Uhrensynchronisationsstrategien

Die an der Technischen Universität Wien im Lauf der letzten zwanzig Jahre entwickelte zeitgesteuerte Technologie entwickelt sich zur Technologie der Wahl für die Implementierung sicherheitsrelevanter Embeddedsysteme in den Bereichen Automobiltechnologie, Luftfahrt und Prozeßkontrolle. Ein wesentliches Element der zeitgesteuerten Technologie ist eine fehlertolerante globale Zeitbasis für alle Knoten einer verteilten Anwendung. Fehlertolerante Uhrensynchronisation innerhalb eines Clusters wurde an der TU Wien und anderen Forschungsstätten bereits eingehend untersucht. Multi-Cluster-Systeme erfordern neue Uhrensynchronisationsstrategien, da sicht nicht mehr alle lokalen Uhren im selben Cluster befinden. Die architekturbedingten Auswirkungen verschiedener Multicluster- Konfigurationen auf die Uhrensynchronisation sollen im Rahmen des Projekts mittels Simulation untersucht werden; die vielversprechendsten Alternativen werden in Hardware realisiert und untersucht. Es wird ein Simulationsmodell entstehen, das den einfachen Aufbau verschiedener MulticlusterKonfigurationen erlaubt. Das Projekt besteht aus zwei Phasen: in der ersten Projektphase sollen geeignete Architekturen durch Simulation ermittelt werden. Inhalt der zweiten Phase und Ziel des Projekts sind Hardwarerealisierung und Auswertung der durch Simulation ermittelten Architekturen.

Verteilte fehlertolerante Echtzeitsysteme werden verstärkt für sicherheitskritische Anwendungen im Automobilbereich, der Luftfahrt und der Prozeßautomatisierung eingesetzt. Zeitgesteuerte Systeme sind aufgrund ihres deterministischen Verhaltens für Aufgaben dieser Art besonders geeignet. Viele aktuelle Systeme bestehen aus einen einzigen Cluster. Ein Cluster besteht aus einer Menge räumlich getrennter Computersysteme, sogenannter Knoten mit lokalen Uhren, die eine verteilte Anwendung kooperativ ausführen und zu diesem Zweck über ein Kommunikationsmedium Nachrichten austauschen. Ein wesentliches Element zeitgesteuerter Systeme ist der Aufbau einer fehlertoleranten globalen Zeitbasis innerhalb eines Clusters. Dies geschieht durch periodische Synchronisation der lokalen Uhren an jedem Knoten. Ein naheliegender Ansatz zur Realisierung großer Echtzeitsysteme besteht darin, einzelne Cluster zu sogenannten Multi-Cluster-Systemen zusammenzufügen. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war die Erforschung von Methoden zur Optimierung der Synchronisation verteilter Komponenten in zeitgesteuerten Multi-Cluster-Systemen. Der wesentlichste Beitrag des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Uhrensynchronisations-Algorithmus, der Zustands- und Ratensynchronisation lokaler Uhren kombiniert. Die Grundidee besteht darin, die Raten aller lokalen Uhren in einem Cluster in Übereinstimmung mit der Rate eines sogenannten Rate Master zu bringen. Die erreichbare Qualität der Synchronisation hängt sehr wesentlich von der Qualität der am Synchronisationsprozeß beteiligten Uhren ab. Das neue Verfahren erhöht die erreichbare Qualität der Synchronisation und reduziert gleichzeitig den Bedarf an hochqualitativen Uhren. Diese Eigenschaft des Verfahrens ist für die Fertigung von Systemen für einen Massenproduktionsmarkt wie z.B. die Automobilindustrie von hoher Bedeutung. In einem solchen Massenmarkt haben auch minimale Einsparungen beim Stückpreis bedeutende Auswirkungen auf die Produktionskosten. Der in diesem Projekt entwickelte Algorithmus erhöht somit die Qualität der Synchronisation bei gleichzeitiger Reduktion der Produktionskosten. Wird ein Cluster extern synchronisiert (z.B. durch Anbindung eines GPS-Empfängers), so ist lediglich eine Anpassung des Rate Master-Knotens durchzuführen. Die Synchronisationsmechanismen aller anderen Knoten im Cluster bleiben unverändert. Die Validierung des Algorithmus anhand von Hardware-Experimenten zeigt, daß das neue Verfahren für die Synchronisation in Multi-Cluster-Systemen geeignet ist und eine bessere Qualität der Synchronisation als vergleichbare Verfahren liefert. Eigens für die Forschungsarbeit im Verlauf des Projekts wurde die Simulationsumgebung SIDERA als komplette Neuentwicklung realisiert. SIDERA bietet die Möglichkeit derSimulation verschiedenster Echtzeit-Protokolldienste wie Start-Up, Kommunikation, Uhrensynchronisation, Membership und Protokollfehlererkennung und -behandlung. SIDERA wurde hauptsächlich für die Entwicklung und die Auswertung des neuen Synchronisationsalgorithmus verwendet. Zur Validierung des Algorithmus wurden Hardware-Experimente mit "echten" Clustern durchgeführt, vorwiegend mit TTP/C und Time-Triggered Ethernet- Systemen.