분산 시스템에서의 시간 동기화 사례 분석

1. 분산 시스템에서의 시간 동기화 개요

분산 시스템에서 시간 동기화는 매우 중요한 요소이다. 각 노드는 독립적인 클록을 가지고 있으며, 네트워크 지연, 클록 드리프트 등의 문제로 인해 시간이 일치하지 않을 수 있다. 이러한 시간 차이는 노드 간 데이터 통신, 명령 처리, 로깅 등에 영향을 미치며, 특히 실시간 시스템에서는 심각한 성능 저하나 오류를 발생시킬 수 있다.

시간 동기화를 해결하기 위해 여러 가지 방법이 사용되며, 그 중 대표적인 방법으로는 NTP(Network Time Protocol), PTP(Precision Time Protocol), ROS2의 time API 등이 있다.

2. 시간 동기화 방식

네트워크 시간 프로토콜 (NTP)

NTP는 인터넷 상에서 시간이 다른 컴퓨터 시스템을 동기화하는 표준 프로토콜이다. 일반적으로 NTP 서버로부터 클라이언트가 주기적으로 시간을 받아와 각 시스템의 클록을 수정한다. NTP는 비교적 오랜 역사를 가지고 있으며, 일반적인 분산 시스템에서 널리 사용된다.

하지만, NTP는 마이크로초 또는 밀리초 수준의 시간 정밀도를 제공하기 때문에, 매우 높은 정밀도가 필요한 시스템에서는 한계가 있을 수 있다. 특히 ROS2와 같이 로봇, 산업용 시스템, 드론과 같은 실시간 성능이 중요한 환경에서는 더 높은 정밀도의 시간 동기화 방법이 요구된다.

정밀 시간 프로토콜 (PTP)

PTP는 IEEE 1588 표준에 기반한 시간 동기화 프로토콜로, 나노초 수준의 시간 동기화를 가능하게 한다. PTP는 하드웨어 타임스탬프 기능을 사용하여 네트워크 지연에 영향을 덜 받으며, 분산 시스템에서의 정밀한 시간 동기화를 제공한다. 특히, PTP는 로봇 공학, 통신, 금융 등 정밀한 시간 동기화가 중요한 산업에서 많이 사용된다.

다음과 같은 PTP의 시간 동기화 과정이 있다: 1. 마스터 노드가 슬레이브 노드에 현재 시간을 전송한다. 2. 슬레이브 노드는 마스터로부터 받은 시간과 자신의 클록을 비교해 시간 오차를 계산한다. 3. 슬레이브 노드는 오차를 보정해 자신의 클록을 조정한다.

3. 분산 시스템에서 시간 동기화의 문제

클록 드리프트

각 노드의 클록은 조금씩 다르게 흐를 수 있다. 이를 클록 드리프트(Clock Drift)라고 하며, 분산 시스템의 시간 동기화 정확도를 떨어뜨리는 주요 요인이다. 클록 드리프트는 시간이 지남에 따라 누적되어, 일정 주기마다 동기화를 수행해야 하는 이유가 된다.

클록 드리프트를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

$\Delta t_{\text{drift}} = \mathbf{t}_A - \mathbf{t}_B$

여기서, $\mathbf{t}_A$ 는 노드 A의 시간, $\mathbf{t}_B$ 는 노드 B의 시간이다. 시간 $\Delta t_{\text{drift}}$ 는 시간이 지남에 따라 누적되며, 이를 보정하지 않으면 노드 간 데이터 처리 및 이벤트 발생 시간에 차이가 생깁니다.

네트워크 지연

시간 동기화에서 또 다른 중요한 문제는 네트워크 지연이다. 네트워크를 통해 노드 간 시간 정보를 교환할 때, 통신 경로 상에서 발생하는 지연으로 인해 실제 시간 동기화에 오차가 발생할 수 있다. 네트워크 지연은 고정된 값이 아니며, 네트워크 상황에 따라 달라지므로 이를 예측하고 보정하는 것이 필요하다.

네트워크 지연 $\Delta t_{\text{network}}$ 을 고려한 클록 동기화 식은 다음과 같이 표현된다:

$\mathbf{t}_{\text{sync}} = \mathbf{t}_{A} + \frac{\Delta t_{\text{network}}}{2}$

여기서, $\mathbf{t}_{\text{sync}}$ 는 동기화된 시간, $\mathbf{t}_A$ 는 노드 A의 시간, $\Delta t_{\text{network}}$ 는 네트워크 지연 시간이다. 네트워크 지연의 절반을 더하여 동기화 시간을 계산하는 방식이다.

4. ROS2에서의 시간 동기화 적용

ROS2에서는 시간 동기화를 위해 ROS Time을 사용한다. ROS Time은 두 가지 모드를 제공하는데, 하나는 실제 시스템 시간을 사용하는 System Time이고, 다른 하나는 시뮬레이션이나 소프트웨어에서 시간을 제어할 수 있는 Simulation Time이다. 이를 통해 노드 간의 시간 동기화가 이루어진다.

시스템 시간과 시뮬레이션 시간

System Time: 실제 물리적 클록에 기반하여 노드 간의 시간을 동기화한다. 이 방식은 하드웨어 클록을 사용하여 동작하며, 물리적 세계에서 실시간 데이터를 처리할 때 사용된다.
Simulation Time: 시뮬레이션 환경에서 특정 시간 간격을 기준으로 동기화되며, 실제 시간이 아닌 가상 시간이다. 시뮬레이션에서 데이터 재생, 테스트 등을 할 때 유용하다.

타이머와 주기적 작업 관리

ROS2에서 주기적 작업은 타이머를 사용하여 처리된다. 타이머는 일정한 간격으로 콜백을 호출하여, 반복 작업을 수행하게 한다. 타이머를 통해 주기적인 노드 간 통신, 센서 데이터 처리, 상태 업데이트 등이 이루어지며, 이때 시간 동기화가 매우 중요한 역할을 한다.

타이머의 동작은 다음과 같이 설정할 수 있다:

auto timer = this->create_wall_timer(
  std::chrono::milliseconds(100),
  std::bind(&NodeClass::callback, this)
);

위 코드는 100ms 주기로 콜백을 호출하여 주기적인 작업을 처리하는 예이다.

실시간 노드 구현에서의 타이머 활용 전략

실시간 시스템에서는 타이머의 지연을 최소화하고, 각 노드 간의 시간 동기화를 정확하게 유지하는 것이 중요하다. 특히, 타이머 간격이 짧을수록 클록 드리프트 및 네트워크 지연이 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 실시간 시스템에서는 정밀한 타이머 설정 및 네트워크 지연을 고려한 동기화 알고리즘이 필요하다.

ROS2에서 시간 동기화를 위한 API

ROS2에서는 시간 동기화를 위한 몇 가지 API를 제공한다. 대표적으로 rclcpp::Clock 클래스는 시스템 시간이나 시뮬레이션 시간을 사용할 수 있도록 설정할 수 있다. 다음과 같은 방식으로 사용할 수 있다:

rclcpp::Clock::SharedPtr clock = std::make_shared<rclcpp::Clock>(RCL_ROS_TIME);
rclcpp::Time now = clock->now();

위 코드는 ROS 시간을 기반으로 현재 시간을 가져오는 예이다. 이렇게 얻은 시간은 각 노드 간에 동기화된 형태로 사용할 수 있다.

노드 간 시간 동기화 문제 해결 방안

ROS2에서 시간 동기화의 핵심은 각 노드가 동일한 시간을 기준으로 작업을 수행하도록 하는 것이다. 이를 위해서는 아래와 같은 방법들을 사용할 수 있다:

네트워크 지연 보정: 네트워크 통신에서 발생하는 지연을 보정하여 클록 동기화를 수행한다. 이를 위해 PTP와 같은 고정밀 시간 동기화 프로토콜을 사용하는 것이 유용하다.
주기적 클록 동기화: 각 노드는 주기적으로 마스터 노드와 클록을 동기화하여 클록 드리프트를 최소화한다.
시뮬레이션 환경에서는 Simulation Time을 사용: 시뮬레이션에서 주기적 작업을 동기화하고 테스트하는 데 유용하다.

시간 지연(Latency) 문제 해결 방안

시간 지연은 네트워크 성능에 큰 영향을 미치며, 노드 간의 통신이 실시간으로 이루어지지 않을 경우 동기화 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 다음과 같은 방법들이 있다.

네트워크 최적화: 네트워크 설정을 최적화하여 지연 시간을 줄이다.
고정밀 시간 프로토콜 사용: NTP보다 정밀한 PTP를 사용하여 시간 동기화 정확도를 높인다.
QoS 정책: ROS2의 QoS(품질 서비스) 정책을 통해 네트워크 지연을 최소화하고 메시지 손실을 줄일 수 있다.

시간 동기화에 mermaid를 적용한 시각화

sequenceDiagram participant Node_A participant Node_B Node_A->>Node_B: 현재 시간 요청 Node_B->>Node_A: 시간 전달 (t_B) Node_A->>Node_A: t_A와 t_B 비교 및 동기화

위 시퀀스 다이어그램은 두 노드 간 시간 동기화 과정의 간단한 흐름을 나타낸다. Node A가 Node B에 현재 시간을 요청한 후, Node A는 받은 시간을 기준으로 자신을 동기화한다.