[論文レビュー] Why a Global Time is Needed in a Dependable SoS

Hermann Kopetz|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2014

Systems Engineering Methodologies and Applications参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、信頼性の高いシステムの集合（SoS）における時間的同期を実現するため、グローバルな物理的時間基準が不可欠であると主張している。これにより、自律的かつ独立した構成システム（CSs）間での同期した動作が可能となり、分散リソース割り当ての簡素化が図れる。物理的時間の共有ビューを確立することで、複雑で分散型のSoS環境における故障耐性および信頼性が向上する。

ABSTRACT

A system-of-systems (SoS) is a large information processing system formed by the integration of autonomous computer systems (called constituent systems, CS), physical machines and humans for the purpose of providing new synergistic services and/or more efficient economic processes. In a number of applications, e.g robotics, the autonomous CSs must coordinate their actions in the temporal domain to realize the desired objectives. In this paper we argue that the introduction of a proper global physical time establishes a shared view about the progress of physical time and helps to realize the temporal coordination of the autonomous CSs. The available global time can also be used to simplify the solution of many challenging problems within the SoS, such as distributed resource allocation, and helps to improve the dependability and fault-tolerance of the SoS.

研究の動機と目的

• 大規模なシステムの集合（SoS）における自律的かつ独立した構成システム（CSs）間の時間的同期の課題に対処すること。
• 分散型CSs全体にわたる信頼性の高い協調動作を実現するための、分散型時刻管理の限界を特定すること。
• 共通のグローバル時間基準が、SoSにおける信頼性の向上と複雑な協調タスクの簡素化にどのように寄与するかを示すこと。
• 異種システム間で一貫性のある時間ベースの同期を提供することで、故障耐性の高い運用の基盤を提供すること。

提案手法

• GPSやその他の外部時刻源を含む、スパarsな時間基準から得られるグローバルな物理的時間基準の利用を提案する。
• 自律的CSsがローカル時計をグローバル時間に、上限付き誤差で同期できる時間同期メカニズムを導入する。
• イベントの順序付け、リソース割り当て、故障検出のための共通基準としてグローバル時間を用いる。
• 複雑なコンセンサスやメッセージ渡しプロトコルの必要性を減らすことで、分散アルゴリズムの簡素化にグローバル時間を応用する。
• 時間の一貫性に基づく誤差検出技術を用いて、故障または同期がずれたシステムを特定・隔離する。
• 点対点同期に依存しないように、SoSアーキテクチャをグローバル時間に依存する形で設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システムの集合（SoS）における自律的構成システム（CSs）が、共通の時間基準を持たない状態で、信頼性の高い時間的同期をどのように達成できるか。
• RQ2 時間の分散管理が、SoSにおける信頼性と故障耐性を確保するうえで、どのような限界を有するか。
• RQ3 グローバルな物理的時間が、SoSにおける分散リソース割り当ておよび協調動作をどのように簡素化するか。
• RQ4 グローバル時間基準が、分散型SoS環境における故障検出およびシステム信頼性をどのように向上させるか。
• RQ5 信頼性の高いSoSにグローバル時間を統合する際の、アーキテクチャ的およびプロトコルレベルの影響は何か。

主な発見

• グローバルな物理的時間基準により、自律的CSs間で時間の進行に関する共有理解が可能となり、時間的同期に不可欠である。
• グローバル時間の利用により、分散協調およびリソース割り当てアルゴリズムの複雑さが顕著に低減される。
• システムが共通のグローバル時間基準に同期している場合、時間に基づく誤差検出がより効果的になる。
• 時間的挙動の予測とずれを明確に識別できるため、故障の検出と隔離が強化される。
• グローバル時間の統合により、一貫性ある時間的フレームワークを提供することで、SoS全体の信頼性および故障耐性が向上する。
• 本稿では、GPSなどのスパarsな時間基準が、SoS用途に必要なグローバル時間基準を、上限付きの精度で十分に提供できることを示している。