網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步漫談：
分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用分布式算法，它的同步機(jī)制比集中式系統(tǒng)的復(fù)雜。在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，在某一位置上不可能在收集到系統(tǒng)的所有信息后，再做出同步?jīng)Q策，而這在集中式系統(tǒng)中是能做到的。一般地，分布式時(shí)鐘同步算法有以下特點(diǎn)：首先，相關(guān)的信息分布在多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘機(jī)器上；其次，進(jìn)程只根據(jù)本地可用的信息做出決策；第三，應(yīng)避免系統(tǒng)中單個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘失效；第四，系統(tǒng)中不存在公共時(shí)鐘或其他精確的全局時(shí)間源。前三點(diǎn)都是說(shuō)明，在處理過(guò)程中單個(gè)點(diǎn)上無(wú)法收集到系統(tǒng)的所有信息。理想情況下，分布式系統(tǒng)應(yīng)該比單機(jī)更可靠。如果在分布式系統(tǒng)中有某臺(tái)時(shí)鐘停止了工作，剩余的時(shí)鐘應(yīng)該能夠繼續(xù)完成系統(tǒng)的功能。為了在沒(méi)有集中控制的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，需要采取與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同的工作方式。第四點(diǎn)也很重要。在集中式系統(tǒng)中，時(shí)間是很明確的。一個(gè)進(jìn)程如果要知道當(dāng)前的時(shí)間，只要執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，時(shí)鐘操作系統(tǒng)內(nèi)核就會(huì)返回當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間給發(fā)出詢間的時(shí)鐘進(jìn)程。如時(shí)鐘果進(jìn)程A查詢了系統(tǒng)時(shí)間，稍后時(shí)鐘進(jìn)程B也去查詢系統(tǒng)時(shí)間，那么時(shí)鐘進(jìn)程B得到的時(shí)間將在時(shí)鐘進(jìn)程A得到的時(shí)間值之后(也可能相同)，但肯定不會(huì)在此之前。然而，分布式系統(tǒng)中，要達(dá)到這種時(shí)間的一致性卻不是件簡(jiǎn)單的事。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子，讓我們考慮一下在缺乏全局一致的時(shí)間的情況下，對(duì)UNIX中make程序的意義。通常make程序檢查源文件及與它相應(yīng)的目標(biāo)文件的最后修改時(shí)間。如果make程序確定在創(chuàng)建input. o后，源文件input. C被修改了，那就要重新編譯源文件input. C。make程序遍歷所有的源文件，找出需要重新編譯的文件，調(diào)用編譯器編譯這些文件。
現(xiàn)在，想象在沒(méi)有全局一致時(shí)間的分布式系統(tǒng)中執(zhí)行make程序。假設(shè)ouput. o的最后修改時(shí)間是2000，并且在創(chuàng)建output.o后隨即修改了源文件output. c，但是由于編輯output. c的機(jī)器的時(shí)鐘慢，所以修改后output.o的最后時(shí)間被為1999。這時(shí)，make程序就不會(huì)重新編譯。utput. c。這樣，就出現(xiàn)了在一件事后發(fā)生的事反而可能被賦予更早的發(fā)生時(shí)間這樣的怪事，程序的運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。時(shí)間是處理問(wèn)題的基礎(chǔ)之一，不同步的時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的結(jié)果。那么如何解決分布系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步就很重要 了。可見(jiàn)時(shí)鐘同步對(duì)于人們生活、工作以及機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)是多么的重要。
網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法：
1978年Lamport在他的一篇經(jīng)典論文中說(shuō)明了時(shí)鐘同步的可能性，并給出了它的同步算法。Lamport指出，系統(tǒng)中的時(shí)鐘并不需要的同步。如果兩個(gè)進(jìn)程間不發(fā)生交互，就不必要保持時(shí)鐘的同步。重要的不是所有進(jìn)程有*一致的時(shí)間，而是事件發(fā)生的先后次序要一致。比如，在上面的make例子中，重要的是，修改文件output.o的時(shí)間是在文件output.o的創(chuàng)建時(shí)間之前還是在它之后，而不是創(chuàng)建它們的準(zhǔn)確時(shí)間。某一類同步算法，只關(guān)心時(shí)鐘的內(nèi)部一致性，而不關(guān)心其時(shí)鐘是否與實(shí)際時(shí)間一致。在這些算法中，將時(shí)鐘稱為邏輯時(shí)鐘。使所有的時(shí)鐘不僅時(shí)間一致，而且與實(shí)際時(shí)間的偏差不超出某個(gè)確定的范圍時(shí)，這樣的時(shí)鐘稱為物理時(shí)鐘。定義一種稱為發(fā)生之前(happens-before)的關(guān)系。表達(dá)式a-b讀作“a發(fā)生在b前"，即所有進(jìn)程都認(rèn)為事件a先發(fā)生，然后才發(fā)生事件b。為事件a一個(gè)所有進(jìn)程都能接受的時(shí)間值C (a)。這時(shí)間值必須滿足以下屬性:如果a->b，則C(a)
如果兩個(gè)事件x和y發(fā)生在不同的進(jìn)程中，而且這兩個(gè)進(jìn)程之間不交換信息(也不通過(guò)第三方間接交換信息)，那么x->y和y->x都不成立。這兩個(gè)事件就稱為并發(fā)事件，并發(fā)意味著兩個(gè)事件發(fā)生時(shí)，無(wú)法確定哪個(gè)事件先發(fā)生，或者說(shuō)不需要考慮此事。
另外，時(shí)鐘時(shí)間C必須向前(不斷增加)，不能后退(減小)。對(duì)時(shí)間的更新，只能是在時(shí)鐘上加一個(gè)正數(shù)，不能減正數(shù)。
下圖中給出的三個(gè)進(jìn)程為例，分析Lamport算法。這三個(gè)進(jìn)程運(yùn)行在不同的有自己時(shí)鐘的機(jī)器上，每個(gè)時(shí)鐘按自己的速度運(yùn)行。圖中可以看到，進(jìn)程。中時(shí)鐘有6次嘀嗒時(shí)，進(jìn)程1已經(jīng)有了8次，而進(jìn)程2已經(jīng)有了10次。(設(shè)計(jì)時(shí)器每秒生成60次中斷，每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒。)從進(jìn)程2發(fā)送該進(jìn)程 1的消息C，其發(fā)送時(shí)刻為60，到達(dá)時(shí)刻為56。同樣，從進(jìn)程1到進(jìn)程0的消息D，其發(fā)送時(shí)刻為64，到達(dá)時(shí)刻為54。這顯然是不可能的，也是必須避免出現(xiàn)的情況。
Lamport的解決方法直接來(lái)自于happens-before關(guān)系。由于消息c的發(fā)送時(shí)間為60，它的到達(dá)時(shí)間一定在時(shí)刻61或61之后。因此讓每條消息都攜帶其發(fā)送者的時(shí)鐘所確定的發(fā)送時(shí)刻。當(dāng)消息被接收時(shí)，如果接收者的時(shí)鐘指示值先于發(fā)送消息的時(shí)間，接受者的時(shí)鐘值就應(yīng)快于消息發(fā)送時(shí)刻加1之后時(shí)間值。圖中可以看到，C的到達(dá)時(shí)刻為61，D的到達(dá)時(shí)刻
為70。如果再加一個(gè)小的附加條件，上面的算法就可以滿足全局時(shí)間的要求了。所加的條件就是：兩個(gè)事件之間，時(shí)鐘至少應(yīng)間隔一個(gè)嘀嗒。如果一個(gè)進(jìn)程依次快速發(fā)送或接收兩條消息，它就必須調(diào)整時(shí)鐘，使這兩個(gè)事件之間(至少)間隔一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒。如果進(jìn)程快速運(yùn)行，那么兩個(gè)消息之間也至少得有一個(gè)時(shí)鐘滴嗒。如果把附加條件改成以下條件可能更合適，即沒(méi)有兩個(gè)事件是精確地在同一時(shí)刻發(fā)生的。這樣，在分布式系統(tǒng)中，所有事件的時(shí)間給定原則就很明確了:
(1)在同一進(jìn)程中，如果a在b前面發(fā)生，那么C(a)
這一算法給出了在系統(tǒng)中所有事件的一個(gè)整體定序方法。由于分布式系統(tǒng)中需要一種機(jī)制以避免不確定性，所以該算法在學(xué)術(shù)界中得到了廣泛的認(rèn)同。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘系統(tǒng)中正是采用了這種算法時(shí)行時(shí)鐘時(shí)間同步。
LED時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度：
頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，晶體振蕩器頻率準(zhǔn)確度的變化。 頻率穩(wěn)定度也是晶體振蕩器性能的最重要指標(biāo)之一，它表征振蕩器維持其工作于恒定頻率上的工作能力。還反映頻率的偶然變化和這種變化的波動(dòng)情況，此變化可以說(shuō)明外界條件變化和內(nèi)部參數(shù)變化時(shí)，振蕩器所能達(dá)到的精度界限。對(duì)穩(wěn)定度的描述應(yīng)該引入時(shí)間概念，因此，有長(zhǎng)期、短期和瞬間穩(wěn)定度之分，但其間沒(méi)有嚴(yán)格的界限。長(zhǎng)期穩(wěn)定度指年或月范圍內(nèi)的LED時(shí)鐘振蕩電路頻率準(zhǔn)確度的變化，指長(zhǎng)時(shí)間的頻移。在晶體振蕩器中，長(zhǎng)時(shí)間的頻移主要是由晶體的老化引起的，其值與頻率的瞬間無(wú)規(guī)則變化無(wú)關(guān)，而且，短時(shí)間的頻率變化與一天以上的頻移比較，常?？梢院雎圆挥?jì)。
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