Investigation of fault-tolerant multi-cluster clock synchronization strategies by means of simulation

Abstract

Fehlertolerante verteilte Echtzeitsysteme halten vermehrt Einzug in sicherheitskritische Domänen der Automobilindustrie, der Luftfahrt sowie der Prozeßautomatisierung.<br />Zeitgesteuerte Systeme sind aufgrund ihres deterministischen Verhaltens für Anwendungen dieser Art besonders geignet. Ein wesentliches Charakteristikum zeitgesteuerter Systeme ist der Aufbau einer fehlertoleranten globalen Zeitbasis zwischen allen Knoten einer verteilten Applikation. Derzeit bestehen die meisten modernen zeitgesteuerten Systeme aus einem Cluster, also einer Menge von Knoten, die eine verteilte Applikation kooperativ ausführen und über ein Kommunikationsmedium Nachrichten austauschen. Ein naheliegender Ansatz zur Realisierung großer Systeme besteht im Aufbau sogenannter Multi-Cluster Systeme aus einzelnen Clustern. Derartige Strukturen erfordern zusätzlichen Kommunikationsaufwand zwischen den das System konstituierenden Clustern, speziell in Hinblick auf den Austausch von Zeitinformation, um die Synchronisation der globalen Zeiten innerhalb der einzelnen Cluster zu ermöglichen.<br />Inhalt der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung von Synchronisationsstrategien auf der Basis eines Simulationsmodells für zeitgesteuerte Systeme (SIDERA). SIDERA basiert auf der Zeitgesteuerten Architektur und dem Zeitgesteuerten Protokoll. Es werden sowohl hierarchische als auch zyklische Konfigurationen analysiert. Weiters wird ein Synchronisationsalgorithmus entwickelt, der eine enge Synchronisation zwischen einzelnen Knoten ermöglicht, selbst wenn die Mehrzahl der lokalen Uhren an diesen Knoten lediglich über Quarze minderer Qualität verfügt.<br />

Distributed fault-tolerant real-time systems are increasingly deployed for safety-critical applications in automotive, aeronautic and process control domains. Time-triggered systems are becoming the technology of choice due to their deterministic behavior. A key issue in time-triggered systems is the establishment of a fault-tolerant global timebase among all nodes of a distributed application. Most such systems today consist of a single {\em cluster}, i.e. a set of nodes that execute a distributed application in a concurrent manner communicating over a dedicated communication medium by exchanging messages. It seems reasonable to build up large real-time systems from several clusters into so called {\em multi-cluster systems}.<br />Such structures impose additional efforts with regard to inter-cluster communication and inter-cluster clock synchronization to bring the cluster times into agreement.<br />In this thesis we will investigate clock synchronization strategies by means of simulation using SIDERA, a simulation model for time-triggered systems based on the Time-Triggered Architecture (TTA) and the Time-Triggered Protocol (TTP). Various multi-cluster setups including fully hierarchical configurations and configurations containing feedback loops are investigated.<br />Further, a clock synchronization algorithm is presented which provides tight synchronization even if a majority of nodes runs clocks with quartzes of low quality.<br />