Ventajas: rendimiento fiabilidad cercanía a los elementos del entorno físico flexibilidad

Transcripción

1 8 Sistemas distribuidos 1 Sistemas distribuidos Un sistema distribuido está formado por un conjunto de computadores autónomos conectados para conseguir un objetivo común Ventajas: rendimiento fiabilidad cercanía a los elementos del entorno físico flexibilidad Los sistemas de tiempo real distribuidos (STRD) tienen requisitos temporales como siempre, esto añade complejidad 2

2 Arquitectura de STRD Conjunto de nodos conectados por redes de comunicación cada nodo puede ser un multiprocesador conectado por buses Sólo consideraremos sistemas débilmente acoplados los nodos no tienen memoria común comunicación por mensajes Se suelen estructurar jerárquicamente, para reflejar la diversidad en la escala de tiempos la información tratada los requisitos de cada procesador 3 Ejemplo: sistemas de fabricación Los requisitos temporales son tanto más estrictos cuanto menor es el grado de abstracción 4

3 Ejemplo: sistema de aviónica 5 Requisitos temporales y planificación Tiempo global relojes requisitos temporales Asignación de tareas a procesadores Planificación requisitos temporales globales planificación local y global planificación de los mensajes Tolerancia de fallos 6

4 Tiempo global Los componentes de un sistema distribuido deben tener una visión global del tiempo referencia de tiempo común se mantienen los requisitos de monotonicidad y variación acotada tiempo del sistema o TAI acceso a reloj global (p.e. GPS) o relojes locales sincronizados requisitos de tiempo globales (end-to-end) requisitos temporales asociados a transacciones (conjunto de actividades que constituyen la respuesta a un suceso) 7 Sincronización de relojes Los relojes locales tienen variaciones que obligan a sincronizarlos relojes de cuarzo: 1 s en 6 días si la granularidad del tiempo es del orden de 1 ms hay que sincronizar los relojes cada 8 min sincronización «suave» para adelantar aumentar la frecuencia incremento acotado del valor del reloj para retrasar disminuir la frecuencia mantener el valor durante un tiempo acotado 8

5 Algoritmos de sincronización de relojes Sincronización centralizada un computador actúa como servidor de hora el servidor radia periódicamente la hora a los demás problema: si falla el servidor se pierde la sincronización Sincronización distribuida buscar un consenso distribuido sobre el valor del tiempo hay varios algoritmos para esto requisitos diferencia entre dos relojes cualesquiera acotada diferencia con el tiempo real acotada Granularidad del algoritmo de sincronización : máxima diferencia entre dos relojes cualesquiera 9 Requisitos de tiempo globales Los plazos de respuesta se asocian a las transacciones actividades que constituyen la respuesta a un suceso Ejemplo: La respuesta comienza con la lectura de un dato (en SAD) Termina cuando se actúa sobre el sistema físico (en el procesador 2) El tiempo de respuesta dura desde la lectura hasta el final 10

6 Distribución de la carga Asignación de tareas a procesadores estática: al diseñar el sistema dinámica: durante la ejecución Consideraremos, en general que la asignación es estática Criterios de asignación: recursos disponibles y requisitos de utilización distribución geográfica replicación de tareas Problema muy complejo (NP-duro) más fácil con asignación estática DMS, EDF son óptimos en cada nodo hay que tener en cuenta el tiempo de transmisión de los mensajes 11 Planificación y análisis temporal Para poder analizar el tiempo de respuesta global de una transacción hay que conocer los tiempos de cómputo máximos de cada tarea que interviene en la transacción los tiempos de transmisión máximos de los mensajes Hace falta que el tiempo de transmisión esté acotado protocolos de comunicación deterministas los mensajes tienen atributos temporales (período, plazo) la planificación de los mensajes es importante se considera el tiempo de transmisión completo desde que una tarea envía el mensaje hasta que otra tarea lo recibe se incluyen los tiempos de espera en colas, tampones, etc. 12

7 Protocolos de acceso deterministas CSMA/CD no es adecuado para sistemas de tiempo real En general no se puede acotar el tiempo de trasmisión de los mensajes Pero se puede superponer un protocolo de acceso determinista (por ejemplo TDMA) sobre una red IEEE Es mejor usar un protocolo de comunicación determinista Ejemplos: TDMA (time-division multiple access) Paso de testigo temporizado Protocolos de acceso con prioridades 13 TDMA Equivalente del ejecutivo cíclico para sistemas distribuidos todos los procesadores tienen relojes sincronizados entre sí el acceso al medio se divide en rodajas de tiempo cada procesador tiene asignadas rodajas específicas durante las cuales puede enviar mensajes La planificación del medio es estática no puede haber colisiones el tiempo máximo de transmisión está acotado Este protocolo es predecible y determinista sin embargo, es poco flexible y difícil de mantener se puede desaprovechar la red Se usa en TTA (Time-Triggered Architecture) para sistemas de alta integridad con planificación cíclica tolerancia de fallos por redundancia activa 14

8 Paso de testigo temporizado Se usa con redes rápidas, como FDDI El ancho de banda se asigna cíclicamente Cada nodo dispone de un tiempo para enviar mensajes cuando tiene el testigo el tiempo de envío debe ser suficiente para enviar los mensajes en su plazo no puede haber colisiones El tiempo de rotación del testigo está acotado 15 Acceso al medio con prioridad Los mensajes tienen asociada un prioridad Cuando varios procesadores intentan transmitir, hay un mecanismo que resuelve la contienda a favor del mensaje de mayor prioridad Hace falta un intervalo de prioridades sufciente Ejemplo: CAN (controlled area network) 16

9 CAN (ISO 11898) Bus para conectar dispositivos inteligentes originalmente para automóviles medio físico: par trenzado, longitud máxima 40 m velocidad 1 Mbit/s longitud máxima de los mensajes: 64 bits (8 octetos útiles) El control de acceso al medio se basa en prioridades cada mensaje tiene un identificador que indica la prioridad del mensaje 11 bits, 2047 valores de prioridad si dos nodos intentan transmitir a la vez se produce una colisión las colisiones se resuelven dinámicamente por hardware gana el mensaje con prioridad más alta (valor más bajo) Todos los nodos reciben todos los mensajes cada uno selecciona los que le interesan 17 Estructura de mensajes 18

10 Protocolo de acceso al medio Se usa el campo de arbitraje del mensaje identificador + bit de petición remota Cada vez que se transmite un bit si trasmite un 0, continúa con el siguiente bit si transmite un 1 y recibe un 1, continúa con el siguiente bit si transmite un 1 y recibe un 0, se detiene y no vuelve a empezar hasta que el bus está libre El bit 0 es dominante y el bit 1 es recesivo es como un AND Cada mensaje tiene un identificador único No hay dos nodos transmitiendo con el mismo identificador 19 Ejemplo 20

11 Análisis del tiempo de envío Se puede aplicar el análisis de tiempo de respuesta para planificación con prioridades fijas se planifica el tiempo de uso del bus, no del procesador pero la planificación se hace sin desalojo se modela como un bloqueo de duración igual al tiempo de transmisión del mensaje más largo BBUS = 0,13 ms se supone que el controlador transmite siempre que hay mensajes pendientes se supone que no hay errores de transmisión 21 Cálculo del tiempo de envío Para mensajes generados por tareas periódicas T: Período C: Tiempo de transmisión BBUS: Bloqueo por exclusión mutua R: Tiempo de envío en el peor caso 22

12 Planificación holística Se trata de integrar el análisis de tiempo de respuesta de los procesadores y de la red de comunicaciones las tareas se planifican con prioridades fijas en cada procesador la red se planifica con prioridades (CAN) o con otro método determinista (TDMA, paso de testigo) las relaciones de precedencia se modelan con jitter Consideramos un modelo lineal suceso-respuesta un suceso da lugar a una respuesta formada por una secuencia de sucesos internos y acciones (tareas o mensajes) el conjunto constituye una transacción 23 Modelo lineal 24

13 Ejemplo 25 Tiempo de respuesta El tiempo de respuesta global es donde rik es el tiempo de respuesta local de ak relativo a su activación para ei Aij es el conjunto de acciones de la respuesta a ei previas a aj Los tiempos de respuesta locales se calculan de forma independiente en general el análisis es pesimista el peor caso no se da a la vez en todas las acciones 26

14 Tiempos de respuesta locales Aplicamos la ecuación generalizada: Para el jitter de activación se toma: (para la primera acción J es nulo) en general dependen unos de otros inicialmente todos los Jik valen 0 se va iterando hasta converger 27 Ejemplo 28

15 Tiempos de respuesta 29 Técnicas avanzadas Asignación de prioridades recocido simulado Análisis de tiempo de respuesta fases dinámicas 30

16 Bibliografía Ken Tindell y John Clark Holistic Schedulability Analysis for Distributed Real-Time Systems Microprocessing and Microprogramming, 50, 2-3,April 1994 Javier Gutiérrez, Carlos Palencia y Michael González Harbour Schedulability Analysis of Distributed Hard Real-Time Systems with Multiple-Event Synchronization Proc. ECRTS