Гибридный метод синхронизации времени в распределенных системах

Аннотация

Введение: решение задачи согласованности данных и процессов в условиях децентрализованной асинхронной среды является актуальной для распределенных систем, таких как глобальные облачные платформы, Интернет вещей, блокчейн-инфраструктура. Существующие протоколы синхронизации основаны на предположении о симметричности временной задержки на передаче и приеме, что не соответствует действительности в условиях меняющейся сетевой нагрузки, а стохастическая природа сетевых шумов игнорируется. Указанные недостатки протоколов приводят к некорректной синхронизации времени. Цель: разработать гибридный метод синхронизации времени, основанный на фильтре Калмана для сглаживания сетевых шумов и логических часах для адаптации к меняющейся сетевой нагрузки. Результаты: показано, что существующие протоколы синхронизации распределенных систем становятся ненадежными: на синхронизацию времени влияют сетевые задержки, джиттер и аппаратные погрешности. Приведены ограничения современных подходов синхронизации времени: в работе протокола NTP синхронизации клиента и сервера не учитывается асимметрия каналов; в работе протокола PTP синхронизации локальных сетей фиксированные интервалы синхронизации приводят к шуму и накоплению ошибок; гибридизация протоколов NTP и PTP не обеспечивает динамическую адаптацию к изменяющимся условиям. Предложена гибридная модель синхронизации времени на базе комбинации фильтра Калмана и логических часов. Фильтр Калмана позволяет эффективно подавлять сетевой джиттер и компенсировать дрейф физических часов, а логические часы позволяют быстрее адаптироваться к меняющейся сетевой нагрузке. Результаты натурного эксперимента демонстрируют снижение средней задержки более чем в три раза. Практическая значимость: внедрение метода на базе комбинации фильтра Калмана и логических часов может стать экономичной альтернативой специализированным протоколам синхронизации в средах с нестабильной нагрузкой.