[论文解读] 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 8

一句话总结

本文主张，全局物理时间基准对于可信赖的系统之系统（SoS）中的时间协调至关重要，可实现自治组成系统（CSs）之间的同步动作，并简化分布式资源分配。通过建立共享的物理时间视图，该方法增强了复杂、去中心化的SoS环境中的容错能力和可信赖性。

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.

研究动机与目标

• 解决大规模系统之系统（SoS）中自治组成系统（CSs）之间的时间协调挑战。
• 识别去中心化时间管理在实现分布式CSs之间可靠且协调行为方面的局限性。
• 展示共享全局时间基准如何提升SoS中的可信赖性，并简化复杂的协调任务。
• 通过异构系统间一致的时间同步，为容错运行提供基础。

提出的方法

• 提出使用源自稀疏时间基准（如GPS或其他外部时间源）的全局物理时间基准。
• 引入一种时间同步机制，使自治CSs能够将其本地时钟与全局时间对齐，且误差有界。
• 将全局时间用作分布式系统中事件排序、资源分配和故障检测的共同参考。
• 通过减少对复杂共识协议或消息传递协议的依赖，利用全局时间简化分布式算法。
• 采用基于时间一致性的错误检测技术，以识别并隔离故障或不同步的系统。
• 设计SoS架构，依赖全局时间进行协调，最大限度减少对点对点同步的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏共享时间基准的情况下，系统之系统中的自治组成系统如何实现可靠的时间协调？
• RQ2 本地或去中心化时间管理在确保SoS中可信赖性和容错能力方面存在哪些局限性？
• RQ3 全局物理时间在多大程度上可简化SoS中的分布式资源分配与协调？
• RQ4 全局时间基准如何提升去中心化SoS环境中故障检测与系统可信赖性？
• RQ5 将全局时间集成到可信赖SoS中，其在体系结构和协议层面有何影响？

主要发现

• 全局物理时间基准使自治CSs之间能够共享对时间推进的理解，这对时间协调至关重要。
• 使用全局时间可显著降低分布式协调与资源分配算法的复杂度。
• 当系统同步到共同的全局时间基准时，基于时间的错误检测更加有效。
• 故障检测与隔离得到增强，因为时间行为的偏差可被可靠识别。
• 通过提供一致的时间框架，全局时间的集成提升了SoS的整体可信赖性与容错能力。
• 本文证明，稀疏时间基准（例如GPS）足以提供SoS应用所需的全局时间基准，且具有有界的精度。