（管理科学与工程专业论文）分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用.pdf

中文摘要 摘要 海上安全重要性的日益突出，海上搜救作为现代海上安全规划的一个重要组 成部分，正在越来越被人们所关注。如何科学有效地进行海上搜救模拟训练，提 高海上搜救能力和水平，是当前海上安全规划的主要方面。在这个背景下，我们 进行了海上搜救模拟系统研制工作。 海上搜救模拟系统包括指挥中心，搜救船只、搜救飞机、事故现场等多个分 系统，是一个典型的分布式系统。搜救过程是一个对时钟同步要求非常高的过程， 时钟的不同步会影响搜救的精确度，降低搜救过程的协调性，甚至造成模拟搜救 出现严重失真的后果。因此，在搜救模拟系统的开发过程中，时钟同步是一个非 常重要的关键技术，而时钟同步正是本文研究的重点。 在实现系统时钟同步的过程中，我们首先建立了时钟同步数学模型。考虑到 实际搜救过程中存在一定的偶然性，并不能保证各分系统随时与时钟服务器保持 联系，因此建立了时钟基稳定和时钟基不稳定两种数学模型。当可以与时钟服务 器保持联系时，使用时钟基稳定的模型；当暂时无法与时钟服务器保持联系时， 使用时钟基不稳定模型。 通过对系统应用实际的认真分析，参考所建的数学模型，开发了系统时钟同 步方案。在系统的同步设计上，根据时钟基是否稳定，建立了两个功能模块，分 别是时钟基稳定功能模块和时钟基不稳定功能模块。然后，再利用操作系统自带 的w 3 2 t i m e 服务以及w i n s o c k 网络编程接口，最终实现了系统的时钟同步。通过 模拟测试，系统的时钟同步基本上可以满足实际模拟中的需要。 关键词：时钟同步；分布式系统；模拟建模；海上搜救 英文摘要 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n c eo fm a r i t i m es e c u r i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i ti s i n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e db yp e o p l et h a tm a r i t i m es e a r c ha n d r e s c u ei sb e c o m i n gap a r to f m o d e ms e c u r i t yp l a n n i n g a sam a j o ra s p e c to ft h ep l a n n i n g ，h o wt om a k et h et r a i n i n g o ft h em a r i t i m es e a r c ha n dr e s c u e s c i e n t i f i c l ye f f e c t i v e l ys h o u l db ep a i dm o r e a t t e n t i o n i nt h i sc o n t e x t ，w ed e v e l o p e das i m u l a t i o ns y s t e mf o rm a r i t i m es e a r c ha n d r e s c u e t h es i m u l a t i o ns y s t e mo fm a r i t i m es e a r c ha n dr e s c u ei s i n c l u d i n gc o m m a n d c e n t e r s ，s e a r c ha n dr e s c u ev e s s e l s ，s e a r c ha n dr e s c u ea i r c r a f t ，a n da c c i d e n ts c e n ee t c ，a n d i ti sat y p i c a l l yd i s t r i b u t e ds y s t e m s e a r c hp r o c e s sn e e ds t r i c tc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，a n d t h er e a s o n sa r ea sf o l l w o s t h el a c ko fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm a ya f f e c tt h ea c c u r a c y o fs e a r c ha n dr e s c u e ，r e d u c et h ec o o r d i n a t i o no fs e a r c ha n dr e s c u ep r o c e s sa n de v e n c a u s ed i s a s t r o u sc o n s e q u e n c e sa st h ef a i l u r eo fs e a r c ha n dr e s c u e t h e r e f o r e ，t h ec l o c k s y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e np l a c e di nav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f s i m u l a t i o ns y s t e mf o rs e a r c ha n dr e s c u e ，a n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni st h ef o c u so ft h i s p a p e r i no r d e rt or e a l i z ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n f i r s t l y , w ee s t a b l i s h am a t h e m a t i c a l m o d e l c o n c i d e r i n go ft h ea c t u a ls e a r c hp r o c e s sc o n t a i n sc e r t a i nc o n t i n g e n c i e sw h i c h c a n tg u a r a n t e et h a tt h es u b s y s t e mc a nk e e pi nt o u c hw i t ht h ec l o c ks e v e r ，w e e s t a b l i s h e dt w om a t h e m a t i c a lm o d e l s o n eh a st h es t a b i l i t yo fc l o c k b a s e ，a n dt h eo t h e r d o e s n th a st h es t a b i l i t yo fc l o c k b a s e w h e nw ec o u l dg e ti nt o u c hw i t ht h ec l o c k ，w e u s et h eo n eh a st h es t a b i l i t yo fc l o c k - b a s e ，a n dw h e nw ec o u l d n tg e ti nt o u c hw i t yt h e c l o c k ，w eu s et h eo t h e ro n e w i t hc a r e f u l a n a l y s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o na n dr e f e r e n c eo ft h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，w ed e v e l o p e das y s t e mc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o g r a m i nt h ee x t e r n a l s y n c h r o n i z a t i o nw eu s eg p st oa d j u s t m e n tt i m eo ft h ec l o c ks e r v ei no r d e rt oh a v ea r e l i a b l ec l o c k - b a s e i nt h ei n t e r i o rs y n c h r o n i z a t j o n ，w ee s t a b l i s h e dt w of u n c t i o n a l m o d u l e s u s i n gt h eo p e r a t i n gs y s t e ms e r v i c e sw 3 2 t i m ea n dw i n s o c kn e t w o r k p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，w er e a l i z et h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e m t h r o u g h 英文摘要 s i m u l a t i o nt e s t s ，b a s i c a l l y , t h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mc a nm e e tt h en e e d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s - c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ；d i s t r i b u t e ds y s t e m ；s i m u l a t i o nm o d e l i n g ； m a r i t i m es e a r c ha n dr e s c u e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：佥鱼式搓型丕统盟鲑回生堡诠建搓婴窒皇廛旦：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：刍稻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密0 ( 请在以上方框内打“，) 秘轹南唣蒜7 e l 脊阆。让日期：z 舶9 年7 月6 。 、 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 我国不但疆域辽阔，也同时是一个海洋大国。我国的领海面积大约为3 0 0 0 0 0 0 平方 千米，大体占总国土面积三分之一左右。我国大陆海岸线大约有1 8 0 0 0 多千米，拥有6 5 0 0 左右个大小岛屿。2 1 世纪将是海洋的世纪，随着世界人口的急剧增长，陆以及地资源的 逐渐短缺和生态环境的不断恶化，人们已经越来越多地把目光转向海洋【1 1 。海洋现在正 以其富饶的资源和广袤的空间，为全世界经济和社会的可持续发展做出重要贡献。然而， 我国是一个海洋灾害频发的国家，如风暴潮、巨浪、海冰、赤潮、海啸、溢油、海平面 上升等自然灾害。这些海洋灾害对国民经济发展和人民的生命财产构成了巨大的威胁。 据统计，在1 9 8 9 - 2 0 0 3 年的1 5 年中，我国由于海洋灾害造成的直接经济损失每年平均 高达1 5 5 6 亿元，因灾死亡或失踪人数接近3 0 3 人。近几年来，由于海洋气象灾害引起 的海难也不胜枚举： 2 0 0 7 年1 1 月1 5 日，一场突如其来的强风暴致使1 2 艘船只在刻赤海峡及附近海域 失事或遇难，其中一艘解体的油轮造成近3 0 0 0 多吨燃油泄漏，成为近5 年来世界上发 生的最严重海上生态污染事故之一【2 1 。 2 0 0 7 年4 月2 3 日1 5 晚8 点4 5 分，如东县长沙镇何灶村养殖场从事紫菜生产护场 作业的2 1 名人员，遭遇异常涨潮。至1 7 日下午4 点搜救工作结束，除了两名紫菜老板 依靠泡沫救生筏成功自救以外，其余1 7 名工人全部遇难。另外，两名紫菜老板的妻子 也均遇难，共计1 9 人。这是如东县有资料记载以来的最大的一次海难1 3 1 。 2 0 0 6 年2 月2 日载有1 4 0 0 多人的埃及客轮“萨拉姆9 8 号在红海发生火灾，再火 灾发生两个多小时后沉没，除了已经打捞上来的1 9 0 具遇难者遗体外，仍有近8 0 0 人失 踪1 4 1 。这其中，恶劣天气是触发事故的主要原因。 2 0 0 5 年2 月1 9 日，孟加拉国的“马哈拉杰号”渡船在从达卡前往东南部城镇坚德 布尔的途中遭遇热带风暴沉没，最终造成至少1 5 4 人死亡。 1 9 9 9 年1 1 月2 4 日，客滚船“大舜”轮从大连开往烟台，途中，在烟台附近海域发 生火灾，由于天气恶劣、同时存在救援力量不足等原因，长达7 个小时都没有救援成功， 第1 章绪论 导致“大舜号沉没，共有2 8 2 人在事故中遇难。 由于此类海难的不断发生，同时考虑到目l j 海上的安全问题，政府加强了对海上救 援安全与救援行动的力度。并在2 0 0 7 全国交通工作会议上，李盛霖部长提出了努力做 好“三个服务”，推进我国交通事业又好又快的发展。“三个服务”的核心内容是“服务 国民经济和社会全发展局，服务社会主义新农村建设，服务人民群众安全便捷出行”， 这是也交通部门作为负责任行业政府部门对社会庄严的承诺。海上搜救工作作为保障海 上人命、财产和环境安全的最后一道防线，直接体现了“三个服务 的核心内涵【5 1 。首 先，海上搜救工作为我国的海上经济和海上运输贸易提供了安全保障；其次，海上搜救 工作的重点又是服务渔船、农用船舶和农用物资的输送，为新农村建设提供了保障服务； 同时，海上搜救工作的核心是人命救助，为人民安全便捷出行提供了切实保障。为了使 国家海上搜救达到更高的水平，目前我国又提出了“运用最有效的系统、更小的危险、 更低的费用、救助更多的人命 的海上搜救发展目标纲要【6 】，并制定了与之相对应的具 体要求，国家发改委与交通部编制，并在2 0 0 7 年4 月经国务院批准的国家水上交通 安全监管和救助系统布局规划中明确指出，在沿海离岸1 0 0 海里应急到达时间不超过 9 0 分钟，内河重要航段应急到达时间不得超过4 5 分钟。 为了更好的完成搜救目标我国已经组织了多次海上搜救演习，2 0 0 5 年7 月7 日，由 交通部与上海市人民政府联合举办的2 0 0 5 年东海联合搜救演习在上海国际航运中心洋 山港海域附近举行。此次联合搜救演习是历年演习中规模最大的一次，整个演习过程共 历时7 0 分钟。有海事、海军东海舰队、救捞、边防等2 4 个单位共同参加，参加演习船 舰共有3 0 余艘，飞机5 架，参演人数近千人n 如此大规模的演习令人叹为观止，然而 海上搜救演习周期过长，同时需要消耗大量的人力、物力和财力。并且可能发生状态难 以控制的情况，在极其恶劣的天气下容易造成不必要的人员伤亡，而另一方面，同样在 好天气下发生海难事故的可能性又比较小，在好天气下进行搜救演习也就失去了它本身 的意义。因此海上搜救的计算机模拟的提出则成为了提高搜救能力新的途径。近年来在 海运发达的一些国家( 如美国、加拿大、日本等) 实现海上搜救任务已经主要依靠类似的 计算机软件系统，如加拿大的c a n s a r p 、美国的h a c s a l v 以及英国的s a r i s 系统 等。它们都是当今世界比较先进的搜救计划软件，英国的s a r i s 系统的特点：能够简 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 便的进行数据建立和管理，向导式的预先推测和天气参数建模，自动平衡海况和风况， 支持天气状态的导入等等。这些系统中也集成了大量的船只等对象的资料和险情应急处 置模型，对于实际的海上搜救行动具有很好的指导价值【8 1 。因此，海上救援工作作为保 障社会安全的重要手段已经逐渐发展成构建和谐社会的大背景下以现代科技、管理和信 息技术为支撑的具有重要意义的领域。同时，高科技的因素在海上救援领域也逐渐成为 支撑得要素。 天津海事局的分布式海上搜救模拟系统正是在这个大背景下应运而生。本系统主要 具有以下几方面的研究意义：1 对现有的搜救预案合理性和有效性进行论证以及评估； 2 可用于搜救指挥人员日常培训，以便训练搜救中心对于突发的海上的险情有及时、高 效的反应和措施；3 其制定的搜救方案和决策可以从建设费用、搜救的效果、人员调度 等方面进行综合的评估。另外，本系统建设可以具体规范和指导海上搜救体系的建设， 保证天津海上搜救中心的建设更加科学、规范、高效并且具有前瞻性，有益于保护政府、 相关企业单位以及人民大众和社会的利益，有助于提高我国的海上搜救能力在国际上的 地位。此项模拟研究的部分成果可以填补国内空白，为国内其它港口建设提供指导。 1 2 系统背景介绍 整个海上搜救模拟系统共分为三个子系统：海上搜救中心子系统( 如图1 2 所示) ， 现场指挥子系统和事故现场子系统( 如图1 3 所示) 。其中海上搜救中心子系统模拟海上 搜救指挥中心，对发生事故后，指挥中心所发生的事件进行模拟；现场指挥子系统，对 实际发生事故后，现场指挥所发生的事件进行模拟：事故现场子系统则模拟事故发生时， 现场所发生的事件。各子系统间的关系如图1 1 所示： 第1 章绪论 图1 1 系统模块圈 f i g1 1s y s t e m m o d l e c h a r t 囤1 2 搜被中心子系统界面 f 嘻1 2s e a r c ha n d r e s c u e c e n t e r s u b s y s t e m i n t e r f a c e 整个模拟系统对其内部各个子系统时钟的致性和精确性提出很高的要求，发生任 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 何错误都可能会导致模拟搜救失真甚至失败的后果。因此，如何在分布式系统中精确地 同步网络中所有的主机的时阃是一个相当重要、亟待解决的问题。基于天津海上搜救系 统的开发实例，准备对该课题做进一步的研究。 图1 3 搜救现场子系统界面 f i g 1 3 s e a r c hs i l e s u b s y s t e m i n t e r f a c e 13 国内外时钟同步研究 1 9 7 4 年，美国的科学家a r v i n d 首先在“i e e et r a n so fp a r a l l e la n dd i s h - i b u t e d s y s t e m s ”。发表了时钟同步相关的研究文章“p r o b a b i l i s t i cc l o c ks y n e h o a i z a t i n n i n d i s t r i b u e t e ds y s t e m s ”。这也预示着对时钟系统的研究进入到了一个新领域。 1 9 7 8 年7 月，l e s l i e l a m p o r t l 9 1 发表的论文“t l m e ，c l o c k , a n d t h e o r d e r i n g o f e v e n t s i n ad i s t r i b u t e ds y s t e m ”也比较系统地阐述了时钟同步技术的原理、方法以及时钟同步在 第1 章绪论 分布式系统中的各种应用。同时还特别阐述了逻辑时钟在带时序的分布式事件处理中的 重要作用。也同时对分布式系统的时钟同步问题开始了正式的研究【1 5 】。 1 9 8 8 年美国航空航天局发布了技术备忘录( n a s at e c h n i c a lm e m o r a n d u m ) ，其中的 论文“as u r v e yo fc o r r e c tf a u l t t o l e r a n tc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s 专门讨论了时 钟同步问题的综述性【1 0 】，同时详细地论述当前各种时钟同步技术和方法以及有关时钟容 错和修正方法的问题。最后，为时钟同步领域以及未来的研究方向做出大胆的提出。 2 0 0 0 年，欧盟各国联合实施了一项名为“欧米伽”计划，它的主要目的就是要促进 时钟同步相关技术的改进和发展，进一步为实际应用和研究提供更高精度时钟。这项计 划的实施也同时加快了欧盟数字同步通信网建设。 而国内，时钟同步领域的研究起步相对较晚，但是借助于比较成熟的技术，也在一 定研究领域中，取得了良好的成果。 目前大部分的研究内容还停留在对国外研究的介绍或对国外的某些时钟同步算法 进行相应的改进上。李明国发表于计算机彷真的论文“基于概率同步算法的计算机外时 钟同步系统”【1 1 】，系统的介绍了基于概率同步算法的计算机外时钟同步系统的设计，并 推导了在网络延迟为对数正态分布模型下的同步包数目的计算公式。同时，其作者也研 究了基于该公式的概率同步算法以及参数设计。但这种研究还是基于某种限定条件，时 钟的调整采用的也是即时时间，很难在实际系统中进行更好应用。 另外，何万里的论文“时钟同步算法的分析和比较 指出在许多分布式实时系统中 【1 2 】，要求整个分布式系统上的各个处理器时钟之间彼此同步，因而就要采取各种的手段 进行同步的处理。时钟同步算法可以保证空间上分散的处理器时钟彼此同步。其作者研 究了当前基于软件实现的可以忍受故障的几种时钟同步算法：即确定性、概率型和统计 型同步算法，并进行了特性分析，并提出了结构化分析的方法。 在时钟同步研究的论文大量涌现的同时，国内还出现了几大时间服务网络： 时间科普网站( w w w t i m e a c c n ) 中国科学院国家授时中心主办的“时间”网站，它比 较详细的介绍了时间频率领域的知识，并提供了许多实用性的时间服务功能。 时间服务网络( w w w t i m e e d u c n ) c e n t r e 网络中心标准时间服务网络的一级及二级 时间服务器已经由清华大学、北京邮电大学、北京大学和东南大学等共同建立起来。为 一6 一 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 了能够让c e r n e t 提供最便捷准确的时间服务，清华大学的网络中心的服务器采用了 n t p 协议，并同时支持n t p 和s n t p 客户端的时间同步请求。 1 4 论文研究内容和结构 1 4 1 论文研究内容 本文的研究的是分布式搜救模拟系统的时钟同步。海上搜救作为现代海上安全规划 的一个重要组成部分，正在越来越被人们所关注。如何科学有效地进行海上搜救模拟训 练，提高海上搜救能力和水平，是当前海上安全规划的主要方面。在这个背景下，我们 开发了海上搜救模拟系统。而时钟同步的实现对模拟系统的开发成功起着巨大的作用。 为了实现搜救模拟系统的时钟同步，本文确定了两大研究重点。 系统时钟同步数学模型的建立是本文两大研究重点之一。考虑到实际搜救过程中存 在一定的偶然性，并不能保证各分系统随时与时钟服务器保持联系，因此建立了时钟基 稳定和时钟基不稳定两种数学模型。当可以与时钟服务器保持联系时，使用时钟基稳定 的模型；当暂时无法与时钟服务器保持联系时，使用时钟基不稳定模型。 本文研究的另一大重点是系统时钟同步方案的开发。根据时钟基是否稳定，建立了 两个功能模块，并利用操作系统自带的w 3 2 t i m e 服务以及w i n s o c k 网络编程接口，最 终实现了系统的时钟同步。通过模拟测试，系统的时钟同步基本上可以满足实际模拟应 用中的需要。 1 4 2 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第1 章：本章主要介绍了海上搜救问题的提出背景、重要性、海上搜救模拟系统的 基本情况以及时钟国内外研究现状及发展趋势。介绍了本论文主要内容和论文组织结 构。 第2 章：介绍了t c p i p 协议，s n t p 简单网络协议以及时钟同步的一些方法对时钟 同步的数学建模以及最终实现提供了一定的理论基础。 第3 章：本章主要介绍了时钟同步数学模型的建立。考虑到时钟基是否稳定，分别 建立了时钟基稳定和时钟基不稳定两个数学模型，然后对模型进行了实例分析。 第1 章绪论 第4 章：本章介绍了系统时钟同步方案的实现。通过对时钟基稳定和时钟基步稳定 两个功能模块的介绍，说明了系统同步的实现方案。 第5 章：回顾了在模型建立和系统实现的过程中，所遇到的问题以及在解决问题中 所取得的结果。同时，也指出本系统时钟同步方案所存在的问题和不足，这将成为下一 阶段的研究方向。 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 第2 章时钟同步网络协议及常用方法介绍 分布式系统时钟同步的实现，离不开对现有相关网络协议的了解和研究，下 面介绍下本论文将要用到的网络协议。 2 1t c p ip 协议 t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) y 1 a t t 传输控制网际协议，也 叫网络通讯协议【1 3 1 ，是i n t e r n e t 互联网络构建的基础。t c p i p 协议是网络中使用 的最基本的通信协议，也是i n t e r n e t 上最流行的开放系统协议族，它不仅包含了底 层协议( 如t c p 和i p ) ，也同时定义了普通的应用程序，它还包括上百个各种功能 的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而t c p 协议和i p 协议也是保证 数据完整传输的两个基本的重要协议【1 4 】。 t c p i p 协议的基本传输单位是数据包( d a t a g r a m ) ，其中，t c p 协议负责把数据 分成若干个数据包，并给每个数据包加上一个包头( 就像给一封信加上信封) ，包头 上有相对应的编号，以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式，i p 协议在 每个包头上另外加上了接收端主机地址，如果传输过程中出现了数据丢失、失真 等情况，t c p 协议会自动要求数据重新开始传输，并重新组包。总而言之，口协 议保证了数据的传输，t c p 协议保证了数据传输的质量。 t c p i p 协议族中包括着上百个互为关联的协议，不同功能的协议分布在不同 的协议层，下面首先介绍几个常用的协议： ( 1 ) t e l n e t ( r e m o t el o g i n ) ：提供远程登录功能，一台计算机用户可以登录到远 程的另一台计算机上，就如同在远程主机上直接操作一样； ( 2 ) f y p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：远程文件的传输协议，允许用户将远程主机上 的文件拷贝到自己的计算机上； ( 3 ) s m t p ( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：简单邮件传输协议，用于传输电子邮 件等： ( 4 ) n f s ( n e t w o r kf i l es e r v e r ) ：网络文件服务器协议，可使多台计算机透明地 访问彼此的目录； 一9 一 第2 章时钟同步网络协议及常用方法介绍 ( 5 ) u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ：用户数据报协议，它和t c p 一样位于传输 层，和i p 协议配合使用，在传输数据时省去包头，但它不能提供数据包的重传， 所以比较适合传输较短的文件。目前，由于各主要的计算机公司和大多数软硬件 厂商的计算机网络产品几乎都已经支持t c p i p 协议，并且该协议事实上已成为国 际标准和工业标准，所以t c p i p 协议得到了十分广泛的应用【1 9 】。 2 1 1t o p ip 体系结构 t c p i p 协议数据的传输是基于t c p i p 协议的四层分层结构【1 5 】，自底向上又依 次分为：网络接口层、网络层、传输层和应用层，各层又包含着不同的协议。分 层结构提供了各层通信之间的接口关系，层与层之间可以相互独立，任意层的功 能变化也不影响其他层的状态，这样既简化了系统的设计和实现，又提高了系统 的可靠性、灵活性。t c p i p 协议的四层模型及各层对应协议如图2 1 所示： 图2 1t c p i p 四层结构及各层对应协议 f i g 2 1t c p i pf o u r - s t o r ys t r u c t u r ea n da l ll e v e l so ft h ec o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 ( 1 ) 网络层： 该层由四个重要的协议组成：i p 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o ld a t a g r a mp r o t o c o l 互连网控制报文协议) 、a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 地址解析协议) 和 r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 逆向地址解析协议) 。其中i p 的主要功 能就是传送口数据报【1 7 】。 i p 数据报由来自应用层的数据和来自传输层的报头、报尾等组成。 ( 2 ) 传输层 该层基本功能就是为通信双方的主机提供端到端的服务，包含着两个重要协 议：t c p 和u d p ，t c p 是面向连接的协议，提供了重发机制和数据可靠传输的功 能，u d p 则属于无连接服务的传输机制。由于u d p 无重发和纠错的功能，不可能 保证可靠的数据传输，其数据校验与重发可由上层的应用程序完成【2 0 1 。 ( 3 ) 应用层 该层为t c p i p 协议的最高层，提供的服务基于客户机朋艮务器技术，对客户发 出的一个请求服务器做出响应并提供相应的服务。几乎各种不同的t c p i p 实现都 会提供以下通用的应用程序：t e l n e t 远程登录、f t p 文件传输协议、s m t p 电子邮 件的简单邮件传输协议和s n m p 简单网络管理协议【1 8 l 。 2 1 2ip 数据报格式 当数据在t c p i p 协议各层传输时，数据被送入协议栈中，然后通过每一层直 到被当作比特流送入网络，其中每一层对收到的数据都要加上首部信息( 有时还要 加上尾部信息) ，该过程如图2 2 所示。 第2 章时钟同步网络协议及常用方法介绍 用户数据 1r 1r 首部 用户数据 r1 r 应用数据 1r1r t c p 首部应用数据 1 t c p 段 7 l 1r i p 酋部t c p 首部应用数据 i p 数据报 1 r1 r 以太网首部l p 首部t c p 首部应用数据 以太嘲尾部 一 以太网帧 - 图2 2 数据在t c p 疋中的传输 f i g 2 2d a t a t r a n s m i s s i o no ft c p i pp r o t o c o l t c p 传给i p 的数据单元称作t c p 报文段或t c p 段，i p 层传给网络层的数据 单元。 称作i p 数据报，通过以太网传输的比特流称作帧( f r a m e ) 。 i p 协议是网络层协议，它包括访问地址信息和数据包的路由控制信息，与t c p 协议一起，构成i n t e r n e t 协议的核心。i p 协议有两个重要功能，一是提供通过互联 网络的无连接和最为有效的数据报分发；二是提供数据报的分组并进行重组，以 便支持最大传输单元不同的数据链路【2 。 i p 数据报首部由2 0 b 的固定长度和可变长度的可选项共同组成。i p 数据报首 部的格式如图2 - 3 所示： 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 版本 首部长度 服务类型总长度 ( 4 b i t )( 4 b i t ) ( s b i t )( 1 6 b i t ) 标识 d fm f段位移 ( 1 6 b i t ) ( 1 b )o h ) ( 1 3 b i t ) 、 寿命( 8 b i t ) 寿命( 8 b i t ) 寿命( 8 b i t l 源i p 地址( 3 2 b i t ) 目的i p 地址( 3 2 b i t ) 可选项 图2 3i p 数据报首 f i g 2 3h e a do fi pd a t a g r a m ( 1 ) 版本：版本字段给出数据报所属的l p 协议版本，不同版本的i p 可同时在 一个网络内运行； ( 2 ) 首部长度：该值表明口数据报首部的长度但不是固定的，其长度单位为 4 b ，取值为5 1 5 ，这就决定了首部长度不超过6 0 b ，从而可选项的长度范围不超 过4 0 b ； ( 3 ) 服务类型：指出对该数据包处理方法，服务类型字段分别如表2 1 所示。 d 位、t 位和r 位用于指出该数据报所希望的服务类型。d = i 表示要求网络位该 数据报提供较低的传输延迟。t = i 要求提供较高的吞吐量；r = i 要求提供较高的可 靠性；c = i 要求选择更为廉价的路由； 表2 1 服务类型字段 t a b 2 1n u m e r i cf i e l dt y p eo fs e r v i c e 优先级 dtrc 未用 3 b i tl b i tl b i tl b i tl b i tl b i t 第2 章时钟同步网络协议及常用方法介绍 ( 4 ) 总长度：指头部和数据之和的长度，该字段占1 6 位，单位为字节，总长 度字段可表示数据报的最大长度为6 5 5 3 5 字节； ( 5 ) 标识：每个数据报都被指定了惟一的标识号。在数据报被分段后，分段后 的各数据报段中的标识仍然与原数据报一样。目的主机可以将它准确地重装为原 来的数据报； ( 6 ) d f ：在标识位之后的是三位标志位，其中前一位不用，第二位为d f 位。 当d f = i 时表示该数据报不能被分解，只能作为单一数据片进行传送； ( 7 ) m f ：标志位第3 位，m f = i 表示后面还有其他分段的数据报，m f = 0 则表 示该报文为数据报所有字段中的最后一段；该位用来确定是否分组都已到达； ( 8 ) 段位移：用来标识该报段中的数据在原数据报中的偏移位置，该字段值必 须是8 的倍数，取值为0 2 1 3 1 ，所以每个数据报最长是8 1 9 2 分组，这就表明数 据报的最大长度为只能为6 5 5 3 5 b ； ( 9 ) 寿命：它规定了该数据报在网络中所能存在的最长时间。当该数据报每经 过一个路由器时，该字段的值就被减去1 ；如果该字段值还没有被减为零，路由器 就将该数据向其它的路由器或主机转发，否则就会将该数据报丢弃； ( 1 0 ) 协议：该字段用来指明使用i p 协议的高层协议，例如，确定是t c p 协议 还是u d p 协议，每一种高层协议都有一个对应的值； ( 1 1 ) 头部检查和：该字段仅用于i p 头部的校验，目标主机用它来对包头在传 输过程中的完整性进行检验。其中，数据部分的校验将由高层协议完成； ( 1 2 ) 源地址和目的地址：它们是3 2 位长的地址，包括网络地址以及网络内主 机地址两部分； ( 1 3 ) 可选项：由于该字段是可选项，所以不是每个数据报都需要。可选项的 长度是可变的，取决于所取的选项，主要用于进行网络测试和纠错。 2 1 3u d p 协议数据报格式 u d p 协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 即用户数据报协议【1 6 】，主要是用来支持那些 需要在计算机之间传输数据的网络应用，这其中包括网络视频会议系统在内的众 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 多的客户服务器模式的网络应用。u d p 协议从问世至今已经被使用了很多年，虽 然其最初的光彩已经被一些相类似协议所掩盖，但是即使到了今天，u d p 仍然可 以被称为一项非常实用而且可行的网络传输层协议。u d p 协议直接位于i p f 网际协 议) 协议的顶层，属于o s l ( 开放系统互连) 参考模型传输层协议。该协议是定义用来 在互连网络环境中提供包交换的计算机通信的协议。此协议提供了向另一用户程 序发送信息的最简便的协议机制，是面向操作的，未提供提交和复制保护。u d p 协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式，一个典型的数据报就是 一个二进制数据的传输单位。每一个数据报由报头和信息包组成，其数据报报头 格式如表2 2 所示： 表2 2 用户数据报头格式 t a b 2 2f o r m a to fu s e rd a t eh e a d e r u d p 模块必须能够决定源地址和目标的网络地址，而且必须能够从包头中得 知程序所使用的协议。这其中，一个有可能的接口方式是返回整个数据报，包括 进行接收操作返回的包头。这样的接口还应该允许u d p 向口传送完整的带包头的 数据报用于传送。由i p 来确定一致性并计算校验码。 u d p 是传输层的协议，服务于很多知名应用层协议，其中包括网络文件系统 ( n f s ) 简单网络管理协议( s n m p ) 、域名系统( d n s ) 以及简单文件传输系统( t f t p ) 。 u d p 协议最主要的用途是网际名称服务器以及小文件传输协议，在m 中使用它时， 它的协议号是1 7 ( 八进制中是2 1 ) ，u d p 信息包由u d p 标题和数据共同组成1 2 2 1 。 第2 章时钟同步网络协议及常用方法介绍 表2 3u d p 信息包的标题结构 t a b 2 3u d pt i t l es t r u c t u r eo ft h ei n f o r m a t i o np a c k e t u d p 的标题结构如表2 3 所示，它共有5 个域组成：源端端d ( s o u r c ep o r t ) 、 目的地端口( d e s t i n a t i o np o r t ) 、用户数据包的长度( l e n g t h ) 、检查和( c h e c k s u m ) 和数 据组成。其中，前4 个域组成u d p 标题( u d ph e a d e r ) ，每个域由2 个字节组成； 检查和域占据2 个字节，它用来检测传输的过程中是否出现了错误；用户数据包 的长度包括所有的5 个域的字节数【矧。 源端端口是可选域，当其有意义时，它指的是发送进程的端口，这也就假定 了在没有其它信息的情况下，返回信息应该向什么地方发送。如果不使用它，则 在此域中填o 。用户数据包长度指的是此用户数据报长度的八进制表示( 这表明最 小的数据报长度是8 b ，此时无信息传递，只存在u d p 头信息) 。数据报的长度是 指包括报头和数据部分在内的总的字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域 主要被用来计算可变长度的数据部分( 又称为数据负载) 。数据报的最大长度根据操 作环境的不同而各异。 从理论上来说，包含报头在内的数据报，其最大的长度为6 5 5 3 5 字节。不过， 一些实际的应用往往会限制数据报的大小，有时可以降低到8 1 9 2 字节。检查域占 据2 个字节，它用来检测传输过程中是否有错误，它是对i p 头、u d p 头和数据中 信息包头的数位取反之和再取反得到的结果。如果计算出的校验码为零，它将被 全零发送，全零的校验值意味着发送者未产生校验码。u d p 协议使用报头中的校 验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算取得，在 传递到接收方之后，还需要再重新进行计算。如果某个数据报在传输过程中被第 三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会 相符，由此u d p 协议可以检测是否出错【2 4 】。u d p 协议使用端口号为不同的应用保 分布式模拟系统时钟同步理论建模研究与应用 留其各自的数据传输通道从而实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的 支持。数据发送一方将u d p 数据报通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过 目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而 另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。 因为u d p 报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0 到 6 5 5 3 5 。一般来说，大于4 9 1 5 1 的端口号都代表动态端口。u d p 协议与t c p 协议 相比较，主要区别在于两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。t c p 协议中包 含了专门的传递保证的机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向 发送方发出并确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信 息，否则将一直等待直到收到确认信息为止【2 5 1 。而u d p 协议并不提供数据传送的 保证机制，如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协议本身 并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们也把u