Trabajos de Mills

Un aporte importante del trabajo de Mills, entre otros, es la definición de términos utilizados para la caracterización del problema de la sincronización de relojes.

Una fuente de hora en una red estará caracterizada por el jitter, deriva(wander), y la confiabilidad (reliability). Jitter es el valor cuadrático medio de una serie de diferencias de horas de los relojes, mientras deriva es el valor cuadrático medio de una serie de diferencias de frecuencia de los relojes.

La confiabilidad de un sistema de sincronización de hora es la fracción de tiempo en la que está conectado y operando correctamente en cuanto a tolerancias de estabilidad y precisión.

Resolución es el grado en el cual una lectura del reloj puede ser distinguida de otra, normalmente es la recíproca de la frecuencia de oscilación del reloj. La precisión es el grado en el cual una aplicación puede distinguir una lectura de reloj de otra, definida como la latencia en leer el sistema de reloj, y es una propiedad del hardware y del sistema operativo.

Precisión es el grado en el cual una lectura del reloj difiere del tiempo real o verdadero tal como lo distribuyen los estándares nacionales.

Mills ha recopilado los principios de los algoritmos ya vistos, y ha realizado una implementación, NTP (Network Time Protocol). Si bien debiera considerarse solo como implementación, debido a la gran cantidad de trabajos y aportes al tema por este autor, se incluye en este capítulo y en el de implementaciones.

Mills comienza estableciendo un modelo matemático del tiempo T(t) mostrado por un reloj en la época t [29][30]: ) ( ) )( ( 2 / 1 ] )[ ( ) ( ) (t T t₀ R t₀ t t₀ D t₀ t t₀ 2 x t T = + − + − +

Donde T(t0) es el tiempo en alguna época previa t0, R( t0 ) es la frecuencia y D(t0) es la

deriva (derivada primera de la frecuencia) por unidad de tiempo. T(t0) y R(t0) son

estimados por algún proceso. El término de segundo orden es ignorado. La naturaleza aleatoria del reloj estará caracterizada por x, en términos de frecuencia, fase o medidas de varianza.

• Mills define offset de tiempo/hora como la diferencia de hora entre dos relojes en cualquier instante.

• Como offset de frecuencia a las diferentes frecuencias de ambos relojes.

La diferencia de frecuencias, es un error sistemático. Se puede medir, y calculando la constante de proporcionalidad f1/f2 se corrigen los relojes que pudieran construirse con dichos osciladores. Este tipo de ajuste se conoce como calibración de un reloj cuando se lo realiza con un patrón tal como un reloj atómico controlado.

A este error sistemático se le agrega la deriva de frecuencia (drift en inglés). La frecuencia del reloj puede no ser estable, debido a cambios ambientales tales como la temperatura, tensión de alimentación del oscilador, etc. En este caso, aún llevado a cabo la calibración, al cambiar la frecuencia, cambia la constante de calibración. Este drift esta especificado en partes por millón.

El primer término de la ecuación de Mills es offset de tiempo (inicial, el valor a partir del cual se actualizan ambos relojes), el segundo (a) es offset de frecuencia, el tercero (b) (1/2 D(...)) sería el debido a la deriva en las frecuencias (drift) y por último, (c) es el término aleatorio x(t) que no mide, se desprecia.

Se debe comparar el tiempo y las frecuencias a través de servidores de tiempo/hora, para proveer sincronización en la subred.

Esta comparación se logra intercambiando mensajes entre máquinas que deseen sincronizar, cada uno con 3 referencias de tiempo, tal como se ve en la figura 4.12:

• T1 hora de envío de A hacia B • T2 hora de arribo a B

• T3 hora de envío de B hacia A

• La referencia de tiempo T4 se toma al momento de llegar a la computadora A de vuelta, o sea no forma parte del mensaje.

Figura 4.12: Intercambio de mensajes entre dos máquinas según Mills

Se asume T3 > T2. Y que las demoras para enviar un mensaje desde A hasta B son iguales a enviarlo desde B hacia A (tiempos simétricos). O lo que es lo mismo, se considera pequeña la diferencia de demora introducida por la red (demora diferencial). Si a=T2−T1 y b=T3−T4, el offset del reloj θ y el tiempo ida y vuelta (round trip delay) de B relativo a A en el tiempo T4 será:

2 b a+ = θ b a− = δ

Cada máquina puede calcular su offset o diferencia de hora y demora o delay. El cálculo del offset y el delay es continuo, en cada paquete. Este método es utilizado en telefonía. Tiene por ventaja que alguna pérdida de paquetes no afecta al método. El ajuste de la hora se hace para lograr un reloj monotónico, o sea que siempre avance, con lo cual en caso de estar adelantado, se baja su frecuencia hasta lograr gradualmente un ajuste.

T1 T4 B

A

T2 T3

Para solucionar los problemas de escalado que presenta el modelo cliente-servidor que utiliza NTP, recurre a una arquitectura de estratos, en la cual la hora suministrada por los relojes de referencia (estrato 0) es repartida entre los de estrato 1, que a su vez los distribuye entre los de estrato inferior, y así sucesivamente hasta alcanzar el estrato 16, en una arquitectura tipo árbol como muestra la figura 4.13. En las últimas versiones se prevé la utilización de 100 estratos.

Figura 4.13: Estratos de servidores de hora de NTP

En la figura 4.14 Se puede ver el esquema del modelo de NTP. Ya hemos visto que para sincronizar relojes no basta con tomar un valor único de referencia de hora, ya que además del offset de hora existe el offset de frecuencia y el drift. Para mejorar el error en estos parámetros, en NTP se recurre a un oscilador disciplinado, implementado a través de un lazo enganchado en fase (phase-locked loop, PLL).

Figura 4.14: Arquitectura de NTP

El PLL provee una forma de ajustar el reloj local en hora y frecuencia en respuesta a las correcciones del protocolo de sincronización.

Red Filtro de reloj Filtro de reloj Filtro de reloj Selección de reloj: Algoritmos de Intersección y agrupamiento Algoritmo de Combinación de relojes Filtro de realimentación Fase y Frecuencia VFO

Los mensajes con la hora son intercambiados entre el servidor y otros pares ubicados posiblemente en otra subred. Son utilizados para determinar las demoras individuales de tiempo de ida y vuelta y el offset de hora, estimando un límite de error.

• Las demoras y offsets de cada par son procesados por un algoritmo de filtrado para reducir ruidos aleatorios accidentales. Este algoritmo selecciona entre los últimos ocho mensajes los que presentan una demora mínima y presenta como salida el correspondiente offset. El algoritmo de filtro de relojes opera en una ventana móvil de ejemplos para producir tres estimadores estadísticos de cada reloj: demora, offset y dispersión (θ, , y respectivamente).

• El algoritmo de intersección y agrupamiento selecciona el mejor subconjunto de la población de referencias de hora de los mensajes. Primero, los ordena por estrato y luego, por distancia de sincronización λ. El algoritmo de combinación computa los promedios de θ y del ensamble de relojes.

El algoritmo de intersección es el que se encarga de tomar de los ejemplos los verdaderos, descartando los falsos de los m mensajes con que se cuente. La condición de verdadero o falso está determinada por estar dentro de intervalos de confianza (como el Algoritmo de Marzullo y Owicki)[34], de manera similar al utilizado por DTS.

El reloj de NTP local se va corrigiendo (disciplinando) continuamente en hora y frecuencia. Un oscilador del tipo a los usados en los relojes locales cambia su frecuencia con la variación de temperatura. Esta variación está caracterizada por la Varianza de Allan [2].

El error máximo en el cálculo se define como distancia de sincronización λ. Indica el tiempo total de ida y vuelta (roundtrip delay) a la fuente de referencia primaria de hora, por ejemplo, al reloj de GPS. [41]. El error esperado nominal se llama dispersión ε. Los componentes de incluyen:

1) El error máximo en la lectura del reloj local de cada máquina., que depende de la resolución del reloj y el método de ajuste.

2) El error máximo de frecuencia a partir del último mensaje recibido.

3) La dispersión entre pares (peers), a partir de la contribución de cada par dada su propia latencia en su SO y demora en la red a la fuente primaria de hora.

4) La dispersión seleccionada, que se obtiene a partir de combinar los pares para disciplinar el reloj local.

De todos los errores, el que mas pesa es la demora de la red. Desgraciadamente, este valor varía en forma casi aleatoria en función de la carga de la red y no se puede calcular de una vez para siempre.

Por lo tanto, la distancia de sincronización queda:

ε δ

λ≡ +

2

En consecuencia, el offset con la fuente de hora original θ0 estará en el llamado

intervalo de confianza: λ θ θ λ θ − ≤ ₀ ≤ +

y λ se usan como métrica en los algoritmos de selección de pares por intersección y de clustering. Fuera del intervalo de confianza se descartará una fuente de hora de un par. Si las condiciones de seguridad lo requieren, los paquetes de NTP pueden tener procedimientos de autentificación criptográficos.

Este protocolo se destaca por contemplar gran cantidad de requerimientos en cuanto a seguridad, escalamiento, sobrecarga, tolerancia a fallos y demás y es el más utilizado actualmente. Pero justamente por cumplir con variados objetivos, no está optimizado para ninguno en especial. Se toma el concepto de calibración de frecuencia, para evitar el error sistemático que introducen las diferentes frecuencias de los relojes de computadora.