Este documento discute técnicas de sincronização em sistemas distribuídos, incluindo algoritmos de relógio lógico e físico, algoritmos de eleição de coordenador como Bully e Token Ring, e algoritmos para exclusão mútua como o de Lamport. A sincronização é necessária para coordenar ações em sistemas distribuídos sem um relógio global.

1. Sincronização de um
Sistema Distribuído
www.trsampaio.com
Tiago R. Sampaio

2. Sumário
 Motivação
 Sincronização de Relógio
 Relógios Lógicos
 Relógio Físico
 Relógios Sincronizados
 Sincronização Física de Relógios
◦ Algoritmos de Christian’s
◦ Algoritmos de Berkeley
◦ Clock Lógico
◦ Algoritmo de Lamport
◦ Algoritmo de Eleição
◦ Algoritmo “Bully’
◦ Algoritmo do Anel
◦ Exclusão Mútua
◦ Algoritmo Token Ring
 Conclusão

3. Motivação da Sincronização
 Necessário pois informações
centralizadas não é desejável
 Tão importante quanto a Comunicação
 Sincronização é fazer a coisa certa na
hora certa
 Para tratar problemas como região
crítica, exclusão mútua
 Técnicas convencionais para sistemas de
CPU única não resolvem o problema

4. Sincronização de Relógio
 Necessário o uso de algoritmos
distribuídos
 Algoritmos distribuídos possuem as
seguintes propriedades:
◦ 1− A informação relevante está espalhada em
múltiplas máquinas
◦ 2− Processos tomam decisões baseadas
somente nas informações locais
◦ 3− Um único ponto de falha no sistema deve
ser evitado
◦ 4− Não existe um relógio em comum ou outro
tipo preciso de tempo global

5. Sincronização de Relógio
 Atingir a sincronização sem
centralização requer fazer coisas de
um modo diferente dos sistemas
operacionais tradicionais.
 Nos sistemas centralizados, o tempo
não é ambíguo
 Atingir a concordância do tempo não é
trivial

6. Sincronização de Relógio
 Exemplo: Make do Unix
 Objeto no tempo 2144 desatualizado
 Editado no tempo 2143

7. Relógio Lógico
 Com um único computador e clock, não
importa se o relógio estiver fora do tempo
 Tudo o que realmente importa são os
tempos relativos
 Em sistema com n computadores, os
relógios podem ficarem gradualmente
fora de sincronismo
 Para muitos propósitos, é suficiente que
todas as máquinas estejam no mesmo
tempo

8. Relógio Físico
 Em alguns sistemas (sistemas de
tempo real), o tempo real é
importante
 Relógios físicos externos são
necessários.
 Multiplos relógios são desejáveis por:
◦ Eficiência
◦ Redundância

9. Relógio Físico
 Problemas:
 (1) Como será feito a sincronização
deles com os relógios do mundo real
 (2) Como sincronizar os relógios entre
si
 Hoje o tempo medido
astronomicamente. Com relógio
atômico

10. Relógios Sincronizados
 Novos algoritmos que fazem uso da
sincronização
 Sincronização física
 Para uma aplicação local o que vale é
a sequência em que os eventos
ocorrem
 Problemas:
◦ Um relógio não pode voltar atrás
◦ Não se pode determinar com precisão o
delay de transmissão da rede.

11. Algoritmo de Christian’s
 Para sistemas com Servidor de
Tempo
 Periodicamente cada máquina envia
uma mensagem para o Servidor de
Tempo perguntando pelo tempo
corrente.
 Essa responde o mais rápido
possível o tempo corrente

12. Algoritmo de Christian’s

13. Algoritmo de Berkeley
 Servidor de Tempo é sempre ativo e
requer, periodicamente de cada
máquina, o tempo do seu relógio
 O Sevidor de Tempo calcula a média
dos tempos e diz para cada máquina
como ajustar seu relógio

14. Algoritmo de Berkeley
 (a) O servidor envia sua hora para todas as máquinas (b)
As máquinas retornam o quanto estão adiantadas ou
atrasadas (c) O servidor calcula uma média e retorna o
quanto o horário deve ser adiado ou atrasado

15. Clock Lógico
 Lamport mostra que:
 Se dois processos não interagem, não
é necessário que seus clocks sejam
sincronizados
 Usualmente, o que importa é que os
processos concordem com a ordem
em que os eventos ocorreram

16. Clock Lógico
 Clock Lógico: Consistencia interna é o
que importa
 Clock Físico: Os clocks não podem
divergir de mais que uma certa
quantidade

17. Algoritmo de Lamport
 Relação “acontece antes” ab (a
acontece antes de b)
 Todos os processos concordam que
primeiro o evento a ocorreu e depois o b
 “acontece antes” é uma relação transitiva:
Se a b e bc então ac
 Precisamos medir o tempo onde todo
evento a, assumimos que ele ocorreu em
um tempo C(a) e que todos os processos
concordem.
 Se a b, então C(a) < C(b)

18. Algoritmo de Lamport

19. Algoritmo de Lamport

20. Algoritmo de Lamport
 Cada mensagem carrega o tempo de
envio, de acordo com o clock do
processo que a enviou
 Quando a mensagem chega e o
relógio do receptor mostra um valor
anterior, o receptor avança o seu
relógio para :
◦ o tempo de envio da mensagem mais um

21. Algoritmo de Eleição
 Muitos algoritmos distribuídos requerem
um processo como coordenador
 Muito utilizado para seleção de
coordenador e seleção de superpares
em sistemas P2P
 Não importa quem seja o coordenador,
mas é necessário haver um
 Algoritmo Bully (Garcia e Molina1982)
◦ Quando um processo nota que o
coordenador não está respondendo a uma
requisição, inicia-se uma ELEIÇÃO

22. Algoritmo Bully
 Quando um processo nota que o
coordenador não responde:
1. P envia uma mensagem de Eleição
para os processos maiores que ele
2. Se nenhum responde, P ganha a
eleição
3. Se um processo com o número
maior responde, ele assume a
coordenação

23. Algoritmo Bully
 Quando um processo recebe uma
mensagem de eleição de um processo
menor, ele envia um OK indicando que
vai tomar o comando
 Depois ele inicia uma eleição
 Eventualmente todos os processos
abandonam a disputa, com exceção do
novo coordenador
 Ele envia uma mensagem a todos
avisando que é o novo coordenador
 Se um processo que estava “fora do ar”
volta, ele inicia uma eleição

24. Algoritmo Bully

25. Algoritmo Bully

26. Algoritmo do Anel
 Baseado no uso do anel mas sem o ‘token’
 Quando um processo nota que o
coordenador não está funcionando ele envia
uma mensagem de eleição para o seu
sucessor, com o numero do seu processo
 A mensagem segue e a cada passo é
incluido o numero do processo na lista
 Quando a mensagem dá a volta no anel o
novo coordenador é determinado
 Uma mensagem circula informando quem é
o novo coordenador

27. Algoritmo do Anel

28. Exclusão Mútua
 Assim como em um sistema
centralizado:
 Um processo é eleito como coordenador
 Quando um processo quer entrar na
região crítica, ele envia uma mensagem
de requisição
 Se nenhum outro está na região, o
coordenador permite
 Quando a resposta chega, o processo
entra na região

29. Exclusão Mútua
 Supondo que outro processo peça
permissão, o coordenador não envia
resposta a ele, bloqueando a entrada
 Quando o processo deixa a região ele
envia uma mensagem ao coordenador
liberando a região

30. Exclusão Mútua
(a) O processo 1 solicita ao coordenador permissão para acessar o
recurso (b) O processo 2 solicita permissão para acessar o mesmo
recurso, o Coordenador não responde (c) Quando o processo 1 libera
o recurso, informa ao coordenador, que então responde ao 2

31. Exclusão Mútua - Distribuído
 Quando um processo quer entrar na
região crítica ele constrói uma
mensagem com o nome da região, n° do
processo e tempo corrente e envia a
todos
 Quando um processo recebe a
requisição de outro:
1. Se o receptor não está na região e não
quer entrar, ele envia OK de volta
2. Se o receptor está na região ele não
responde e coloca a requisição na fila

32. Exclusão Mútua - Distribuído
3. Se o receptor quer entrar mas ainda
não o fez, ele compara os tempos e o
menor vence. Se for menor ele envia
OK.
 Após pedir permissão um processo
espera que todos deem permissão
 Quando todas chegam, ele entra na
região
 Quando ele sai, envia OK para todos os
processos na sua fila

33. Exclusão Mútua - Distribuído
(a) Dois processos querem acessar um recurso compartilhado no
mesmo momento. (b) O processo 0 tem a marca de tempo mais
baixa, portanto vence. (c) Quando o processo 0 conclui, também
envia uma mensagem OK, portanto agora o processo 2 pode
acessar o recurso.

34. Algoritmo “Token Ring”
 É construido um anel lógico por SW
onde cada processo recebe uma
posição
 Quando é inicializado, o processo 0
ganha o token
 O token circula o anel, e quem o
recebe verifica se quer entrar na
região, se sim, ele entra. Se não,
passa o token
 Se nenhum quiser, o token fica

35. Algoritmo “Token Ring”
 Problemas:
 Se o token é perdido ele precisa ser
regenerado
 A detecção de perca é difícil
 Se um processo falha, ocorrem
problemas
 É necessário confirmar o recebimento do
token
 O processo que falhou é retirado
 Todos os processos precisam conhecer
o anel

36. Algoritmo “Token Ring”
a) Um grupo de processos não ordenado em uma rede
b) Um anel lógico é construído em software

37. Conclusão
 Necessário conhecer os vários tipos de
algoritmos de sincronização para
aplicação correta no cenário ideal
 Existem algoritmos centralizados e
distribuídos, cada um tem suas
desvantagens (falta de segurança vs
falhas de comunicação e processo)