基于云计算的分布式系统同步算法的优化研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.51MB 56 页 15积分

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摘要

随着计算机日益广泛的应用于人类的学习、工作和生活当中，信息技术和网

络技术的发展也是日新月异。许多与人类生活息息相关的重要领域，如航空航天，

医疗，雷达导航等。这些领域都需要依靠计算机系统的高效率和高可靠性来精确

控制关键性的工作任务。这些应用对分布式系统内部时钟的精确性和一致性要求

非常高。因而，如何精确地同步分布式系统网络中所有主机的时钟是一个亟待解

决的问题。

由于没有一个全局的系统时钟，很难实现精度达数微秒级的实时时钟。在分

布式系统中，一种解决的方法是将网络中所有节点的本地时钟以足够的精度进行

控制同步。时钟同步的核心其实就是找到时钟偏移量，并将其用于校正本地时钟。

本课题所做的主要工作就是对分布式系统内时钟同步技术进行研究，主要是

从选择精确地时钟源和计算时钟偏移的算法，以及优化本地时钟的校正算法三个

大的方面进行研究。主要对提高时钟精度和算法的稳定性方面进行优化和研究，

提出了一套比较完善的分布式系统时钟同步算法的理论和方案。这使得分布式系

统时钟同步技术更加的系统化和完善。最后，基于云计算和分布式系统的异同点，

提出了优化的分布式时钟同步算法同样适用于云计算环境，并对云环境下分布式

时钟同步算法的使用前景进行展望。

关键字：云计算分布式系统时钟同步算法线性补偿函数

ABSTRACT

With the increasingly widely used of computer in learning, working and life,

information technology and network technology is also changing. Many important areas

of human live, such as aerospace, medical and radar navigation. These areas need to

rely on the high efficiency and high reliability computer systems to precisely control the

critical tasks. The requirements of these applications for internal clock accuracy and

consistency of distributed systems is very high. Thus, how to accurately synchronize

distributed system clocks on all hosts in the network is a serious problem.

In the absence of a global system clock, it is difficult to achieve precision of a few

microseconds of real-time clock. In a distributed system, one solution is for all nodes in

the network with sufficient accuracy the local clock to control synchronization. The core

of the clock synchronization is to find the clock offset, and used to calibrate the local

clock.

The subject of the main work is done within the system of distributed clock

synchronization study, mainly from the selected clock source and the accurately

algorithm of calculating the clock skew, and the study and optimization of the local

clock correction algorithm those three major aspects. Mainly to improve and optimize

the clock accuracy and stability of the algorithm, and propose a set of relatively

complete distributed system theory of clock synchronization algorithms and programs.

This makes the distributed system clock synchronization technology more systematic

and complete. Finally, based on the similarities and differences of cloud computing and

distributed systems, proposed that the distributed clock synchronization algorithm the

same for cloud computing environments, and prospects of the use of the distributed

clock synchronization algorithm on the cloud environment.

Keyword: cloud computing，distributed systems，clock synchronization

algorithm，linear compensation function

中文摘要

ABSTRACT

第 1 章绪论..............................................................................................................1

§1.1 课题概述....................................................................................................1

§1.2 云计算简介................................................................................................1

§1.2.1 云计算产生的背景............................................................................1

§1.2.2 云计算的概念及其原理....................................................................2

§1.2.3 云计算的核心技术............................................................................6

§1.3 国内外研究现状及发展趋势....................................................................7

§1.3.1 云计算的研究现状............................................................................7

§1.3.2 云计算的应用现状............................................................................9

§1.3.3 云计算的发展趋势..........................................................................10

§1.4 本文的主要内容和组织结构..................................................................11

§1.5 本章小结..................................................................................................11

第 2 章分布式系统原理........................................................................................12

§2.1 分布式系统简介......................................................................................12

§2.1.1 分布式系统的发展..........................................................................12

§2.1.2 分布式系统的概念..........................................................................12

§2.1.3 分布式系统的特征..........................................................................12

§2.2 分布式系统的工作原理..........................................................................13

§2.3 分布式系统的分类..................................................................................14

§2.3.1 同构型和异构性分布式计算系统..................................................14

§2.3.2 分布式系统的体系结构模型..........................................................15

§2.4 分布式系统的进程通信与同步..............................................................16

§2.4.1 进程通信..........................................................................................16

§2.4.2 进程同步..........................................................................................17

§2.4.3 时钟同步..........................................................................................19

§2.5 本章小结..................................................................................................20

第 3 章分布式系统时钟同步算法的研究分析....................................................21

§3.1 时钟同步技术概述..................................................................................21

§3.1.1 时钟同步的基本原理......................................................................21

§3.1.2 时钟同步的相关概念......................................................................22

§3.1.3 时钟同步的实现机制......................................................................22

§3.2 时钟同步算法的研究现状......................................................................23

§3.2.1 Cristian 同步算法.........................................................................24

§3.2.2 Berkeley 同步算法.........................................................................25

§3.3 时钟同步算法的研究现状......................................................................26

§3.3.1 基本实现模型..................................................................................26

§3.3.2 基于 PTP 协议的时间同步过程的实现..........................................26

§3.4 本章小结..................................................................................................30

第 4 章分布式时钟同步算法的优化....................................................................31

§4.1 时钟优化和改进算法的基本思想..........................................................31

§4.2 时钟同步算法的实现..............................................................................33

§4.2.1 时钟源的选择..................................................................................33

§4.2.2 计算时钟偏移的算法......................................................................34

§4.2.3 本地时钟同步..................................................................................34

§4.3 算法仿真..................................................................................................37

§4.3.1 仿真模型..........................................................................................37

§4.3.2 算法的模拟仿真及对比分析..........................................................39

§4.3.3 实验平台..........................................................................................39

§4.3.4 实验结果分析..................................................................................39

§4.4 本章小结..................................................................................................41

第 5 章云环境中时钟同步算法的应用................................................................42

§5.1 云计算和分布式计算的区别..................................................................42

§5.2 模拟云环境中时钟同步算法的应用......................................................43

§5.2.1 云仿真工具 CloudSim 简介............................................................43

§5.2.2 实验环境和仿真步骤......................................................................44

§5.2.3 实验结果分析..................................................................................46

§5.3 课题总结..................................................................................................47

§5.4 工作展望..................................................................................................48

参考文献..................................................................................................................49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................53

致谢..........................................................................................................................54

第1章绪论

第 1 章绪论

§1.1 课题概述

在大型分布式系统之中，包括云环境，对时间的实时性要求非常高，在处理

数据库中的数据时，需要精确的记录每条数据的采集、提交和调用的时间。但在

分布式系统的网络中，每台客户机之间的时钟不见得是一致的[1]。如果服务器与客

户端的时钟不统一，那么数据库中的很多数据的可比性和准确性都没有意义了[2]。

云计算，这种尤为重视效率和精度的前端技术，对于数据的实时性和同步性要求

必然是极高的。因此，如何确保分布式系统中客户机节点和服务器节点保持时钟

的一致是一个急需解决的问题。

由于计算机科学、导航技术和通信等技术的迅速发展，在许多的精密工程和

科学领域，时钟统一技术越来越得到重视和发展。尤其是像航天系统、导弹试验

等高科技领域，这些用到分布式系统的领域。整个分布式系统能够协调一致的工

作是非常重要的影响因素，因此，系统中各个工作节点的时钟统一就显得尤为重

要[3-5]。如果没有时钟统一这个保障，很有可能导致整个系统都不能协同工作，严

重时会导致其瘫痪。

分布式计算是云计算中的重要角色，对分布式时间同步算法的优化研究，也

必将会成就云计算。目前，许多对时钟精度和稳定性要求很高的领域，发生一丁

点的错误都可能会酿成很大的悲剧。在许多要求严格的应用领域，时间同步技术

是一项非常关键的技术，尤其是在分布式的系统中的应用，它可以大大提高系统

中各节点时间的一致性和准确性，从而提高了分布式系统的稳定性和可靠性，满

足越来越高的工程应用和科学研究的要求[6]。综上所述，在云计算日益广泛应用的

今天，从研究的和应用的两方面来说，分布式系统时间同步算法的发展和进步都

有很大现实意义。

§1.2 云计算简介

§1.2.1 云计算产生的背景

云计算（Cluod Computing）这个名词是借用了量子物理学中的“电子云

（Electron Cloud）”，基于这些无所不在的分布性、弥漫性和社会性的特征，云计

算开始就被称为“无所不在的计算[7]”。在上世纪末，分布式处理（Distributed

Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）已相

当成熟[6]。他们是云计算发展的技术基础。

基于云计算的分布式系统同步算法的优化研究

云计算的应运而生注定要成为 IT 界的大事。因为它的初衷即是实现更合理的

利用资源，同时实现使计算机更高效的完成任务。分布式系统在云计算中得到了

充分的运用。云计算是一种由纯技术的概念演变发展而来的一种商业计算模式。

它将系统的计算资源、存储资源以及各种系统软件等分布在一个大的资源池里，

然后将它们分割成一个个小的单元结构。用户就可以从这个大资源池中按需获取

这些资源和服务。云计算的概念就是由网格计算、公用计算和 SaaS 的概念发展而

产生的[8]，如图 1-1 所示。

§1.2.2 云计算的概念及基本原理

对云计算的概念问题众说纷纭，其实，就是由 IaaS（基础设施即服务）、PaaS

（平台即服务）、SaaS（软件即服务）、网格计算、分布式计算和并行计算、虚拟

化等概念演进和推动了云计算的产生[9]。

虽然从各个角度对云计算的定义有差异，但却能共同体现以下特点[10]：

(1) 动态配置：云计算可以按需分配给用户他们所需的资源；

(2) 可扩展性：云本身就是可动态扩展的资源模式，以满足不同规模层次的用

户；

(3) 方便快捷：在很大程度上节省了软硬件的成本；

(4) 虚拟化：云计算通过虚拟化技术把各个层次的功能封装成为抽象实体，对

用户提供各层次的云服务。

现在的很多企业面临的困惑就是如何充分的利用网络资源，云计算就可以应

其所需。它并不是将计算分布在本地的计算机上，而是将计算的任务分布在分布

式系统中，在分布式系统中有着强大的计算能力，那么企业就可以像利用互联网

图1-1 云计算的演进过程

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摘要：

摘要随着计算机日益广泛的应用于人类的学习、工作和生活当中，信息技术和网络技术的发展也是日新月异。许多与人类生活息息相关的重要领域，如航空航天，医疗，雷达导航等。这些领域都需要依靠计算机系统的高效率和高可靠性来精确控制关键性的工作任务。这些应用对分布式系统内部时钟的精确性和一致性要求非常高。因而，如何精确地同步分布式系统网络中所有主机的时钟是一个亟待解决的问题。由于没有一个全局的系统时钟，很难实现精度达数微秒级的实时时钟。在分布式系统中，一种解决的方法是将网络中所有节点的本地时钟以足够的精度进行控制同步。时钟同步的核心其实就是找到时钟偏移量，并将其用于校正本地时钟。本课题所做的主要工作就是对分布...

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