（计算机应用技术专业论文）基于ipv4与ipv6的时钟同步通讯实现与分析.pdf

基于i p v 4 与i p v 6 的时钟同步通讯实现与分析 摘要 时钟同步是分布式系统中的经典问题之一，也是分布式计算中的核心 技术之一。随着计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，这个问题又被赋 予了新的内涵。在互联网络的迅猛发展和人们对网络性能要求的日益提高 的同时，新的网络应用程序必须面对支持i p v 6 的问题，可以断言在从i p v 4 到i p v 6 过渡的漫长时期内，开发同时支持i p v 4 和i p v 6 两种协议的应用 程序将是一个必经之路，此外i p v 6 环境的稳定性及优越性也是人们需要 进一步证实的。由c e r n e t 带动新一代的校园i p v 6 核心网络正在搭建， 并要与全球i p v 6 的运用接轨，然而i p v 6 之所以即将取代i p v 4 ，除了它在 地址数量上的无限应用的特点，其它随之而来的优势更值得我们进行深入 探讨与研究。 本论文在时钟同步分布式系统这个领域，结合实际项目的开发经验， 探讨了一种同时支持i p v 4 和i p v 6 的时钟同步数据报传输服务器应用程序 的实现方法。该方法实际应用于对i p v 4 及i p v 6 下的时钟同步时间采集， 取得了比较满意的效果，文中同时对两种i p 协议环境下，时间传输中的 稳定性问题进行了必要的讨论。 本论文所探讨的主要内容有： ( 一) 研究了时钟同步的相关内容，总汇出包括物理时钟、逻辑时钟、 世界协调时间和原子秒等概念。 ( 二) 探讨时钟同步系统的同步源、同步方法、同步模型，及其工作 模式。接着对时间同步协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，简称n t p ) 的工作原 理、实现方式进行分析。 ( 三) 对现行的网络协议进行必要的讨论。通过研究，本论文详述了 i p v 4 与i p v 6 的差异，以及校园环境中现有测试环境的构建和意义，并针 对j a v a 的兼容性结合s o c k e t 编程，讨论了i p v 4 与i p v 6 在实践中的地址 转换。 ( 四) 实现了i p v 4 及i p v 6 测试环境的搭建、并在此基础上完成基于 j a v a 语言的时间同步客户端软件的开发与实现，以及对客户端核心代码 进行了总结分析。最后在此基础上，进行了三组实验，并进行相应的总结。 随着计算机技术和网络技术的发展，以及分布式应用的普及，时钟同 步的应用也变得越来越广泛。尤其i p v 6 的兴起，其应用之广，与目前时 钟同步的研究的结合，更是充满意义。 关键词：网络，时钟同步，i p v 6 ，n t p a b s t r a c t s t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fc l o c k s y c h r o n i z a t i o nb a s e do ni p v 4a n di p v 6 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni sac l a s s i c a li s s u ei nd i s t r i b u t e d o p e r a t i n gs y s t e ma n dc o r et e c h n o l o g yi nd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i tb r i n g su s t h eb r a n dn e wm e a n s i p v 6c o m p a t i b i l i t yi sb e c o m i n gap r e r e q u i s i t eo f n e t w o r ka p p l i c a t i o na sm o r ed e s i r a b l ep e r f o r m a n c ei s e x p e c t e df r o mr a p i d s p r e a d i n gi n t e r n e t a n ya p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ts u p p o r t i v et ob o t hi p v 4a n d i p v 6a n s w e r st h et r a n s i t i o n a lc a l la tp r e s e n t a n dt h es t a b i l i t ya n da d v a n t a g e o ft h ee n v i r o n m e n tp r o v i d e db yi p v 6n e e dp r o v et ob e t h ec e r n e tb r i n g s i p v 6t oa l lt h ec a m p u si nc h i n a ，a n ds t a r tt ob u i l dan e wk i n do fi n t e r n e tt o m e e tw i t ht h eg l o b a li n t e r n e td e v e l o p m e n t i p v 6p r o v i d e su sn e a r l yu n l i m i t e d r e s o u r c e sa b o u ta d d r e s s b u tt h e r em u s tb em a n ym o r ea d v a n t a g e sw h i c hn e e d u st of i n dt op r o v et h en e c e s s i t yt h a ti p v 6w i l lt a k ep l a c eo fi p v 4 t h i sp a p e rh a ds t u d yt h i sk i n do fp r o b l e mi nt h ef i e l da b o u tc l o c k s y n c h r o n i z a t i o no fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g t h ep a p e rp u t s f o r w a r da n a p p r o a c ht ot h er e a l i z a t i o no fa nn t pc l i e n ta p p l i c a t i o nc o m p a t i b l ew i t hb o t h i n t e r n e tp r o t o c o l s i tf i n d sf a v o r a b l eu s ei ni n f o r m a t i o ns y n c h r o n i z a t i o n c o l l e c t i o nf r o mt i m es o u r c i n gi nb o t hi n t e r n e tp r o t o c o l s af e wu n n o t i c e a b l e 北京化丁人学f i ! i j 学化论义 a n dt h es t a b i l i t yr e l a t e di s s u e sf r o mn t pt r a n s m i s s i o ni nb o t hi pe n v i r o n m e n t s a r ea l s ot a c k l e d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h o s ei s s u e sa sb e l o w ( ，7 t h ef ir s tp a r tr e s e a r c h e dt h er e l a t e dc o n t e n to fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ， i n c l u d i n g t h e c o n c e p t s o fp h y s i c a lc l o c k ，l o g i c a lc l o c k ，u n i v e r s a lt i m e c o o r d i n a t e da n da t o m i cs e c o n d t h es e c o n d p a r t s t u d i e d s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e s ，s y n c h r o n i z a t i o n m e t h o da n ds y n c h r o n i z a t i o nm o d e lo ft i m ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m ，a n d i t sw o r k i n gm o d e t h e nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f n e t w o r kt i m ep r o t o c o lw a sa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，c l i e n ts o f t w a r eb a s e d o nj a v al a n g u a g ew a sd e v e l o p e da n di t sc o r ec o d ew a sa n a l y z e d t h et h i r dp a r ti st h a tg ot h r o u g ht h ed i s c u s s i o no fi n t e m e tp r o t o c o l s ， w h i c hc o n c l u d e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no ft h en e wv e r s i o no fi n t e m e tp r o t o c o l ， t h et h r e ek i n d so fi m p l e m e n t so fi p v 6t e s te n v i r o n m e n tb u i l to nc a m p u s ，a n d t h e nt o o kt h ej a v as o c k e tp r o g r a m m i n gi ni p v 4a n di p v 6c o m b i n a t i o nt e s t t h ef o r t hp a r tc o n c l u d e dt h a tt h ec l i e n ts y s t e mb u i l d i n g ，t h ec o r ec o d e i m p l e m e n t sa n da n a l y s i s ，a n dt h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n t sd e s i g n e d i nt h ee n d ， t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h et h r e ee x p e r i m e n t sa n dg a v et h ec o n c l u s i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n t e m e tt e c h n o l o g ya n dt h e d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o nw i d e s p r e a d ，t h ea p p l i c a t i o no fc l o c ks y n c h r o n o u st a k e s m o r ef o c u so na n db e c o m e sm o r ep o p u l a r e s p e c i a l l yf r o mt h ei p v 6i n i t i a t e d a n dt a k e nm o r ea p p l i c a t i o no n ，i tm a k e sm o r es e n s et ot a k er e s e a r c hi nc l o c k a b s t r a c t s y n c h r o n o u sc o m b i n a t e dw i t hn e wv e r s i o ni n t e r n e tp r o t o c o l 一一i p v 6 k e y w o r d s ：n e t w o r k ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，i p v 6 ，n t p v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：一盘秀一一一 日期：趁蝗l 一 关于论文使用授权的说明 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在- 年解密后适用本授 作者签名- 一润建 日期：坦翌：6 ： 新虢塍： 吼趟山 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 国家自然科学基金项目( 批准号：6 0 5 7 3 1 3 7 ) ：基于异步网络环境的自适应时钟 同步。 1 2 时钟同步相关理论知识 1 2 1 计算机中的时钟 1 2 1 1 时钟 几乎所有的计算机中都会有专用线路用于计时，人们也常用“时钟”( c l o c k ) 来 称呼它；其实，应该称其为“计时器”( t i m e r ) 。计算机中的计时器是一个经过精密加 工的石英晶体，这种石英晶体在有电压的作用时，会以非常良好的固定频率发生振荡， 相应地对每一个石英晶体赋予两个记录器：一个称为计数器，另一个称为复位计数器 【l 】。晶体每发生一次振荡计数器就会减少一个单位，当计数器上的数值变为零时，系 统就会相应地产生一个中断，并通过复位计数器将计数器的值恢复到初始值，这样就 可以设计出每秒产生6 0 次中断( 或想要的次数的中断) 的频率的“计时器 ，并把每 一次的中断称为一个时钟脉冲。 当第一次启动计算机系统时，系统通常会要求用户输入日期和时间，然后将其转 换成数字信息并保存到计算机的内存( c m o sr a m ) 中，大多数计算机都有一个专 为c m o sr a m 提供电源的电池，通常被称为c m o s 电池，这样以后每次启动计算机 系统时，就再不需要用户输入日期和时间了。在每一个时钟脉冲里，中断服务程序都 会向内存中的时间计数器上增加l ，这样通过软件控制的时钟会保持计算机中日期和 时间与实际的日期和时间的一致性。 对于单独使用的计算机，它的时钟稍有偏差是无关紧要的，本机上所有的程序都 使用本机的时钟，它们会在系统内部保持了一致性。而对于多个计算机组成的大型计 算机系统来说，每一台计算机均有自己的时钟，这回导致，虽然石英晶体的振荡频率 通常是相当稳定的，却不能保证不同的计算机上的石英晶体的振荡频率完全一致。主 要原因是它的频率是受许多因素，如晶体的切割方式、加载的电压、纯度等，的影响。 北京化t 人学硕i ? 学位论文 实际上通过对大型系统中的多台计算机进行监控发现，它们的每一个晶体的振荡频率 都是不一致的，这样反映到由软件控制的时钟都会产生差异。 在一些如实时系统的计算机中，准确可靠的时钟是非常重要的，而且还要求计算 机的时钟必须与外界的钟表时间一致。这样就产生两个问题：如何使计算机的时钟与 外界的钟表保持一致，如何使同一大型计算机系统中所有的计算机的时钟同步。 1 2 1 2 秒的定义 基于上面的研究，我们先来引入“秒”这个国际单位的定义。从1 7 世纪发明了 机械钟表以来，时间的度量是采用天文学上的相关概念：把两次连续的太阳升到地平 面最高点处之问的时问称为一个太阳日，一天有2 4 小时，每一小时有3 6 0 0 秒，一天 就有8 6 4 0 0 秒，这样就定义1 8 6 4 0 0 的太阳同为一个太阳秒。 在2 0 世纪4 0 年代，当人们确认地球的自转速度不是一个恒定的常数，而是由于 受到潮汐和空气等因素的影响，是一个逐渐在变慢的变数。人们通过研究古生物珊瑚 的生长特征后认为在3 0 亿年前，一年为4 0 0 天，这说明一天的时间在逐渐延长，另 一方面，虽然一天的时间总的趋势是在延长，但由于受地球内部不规则因素的影响， 一天的时间也会偶尔变短。因此为了比较准确的定义一个太阳秒，天文学家们只好通 过将一个比较长的时期内的天数进行计算平均数后再用8 6 4 0 0 去除，这样就得到了“平 均太阳秒 ，这种计时系统被称为平均太阳时。 1 2 1 3 原子钟 科学家在研究中发现，原子从一种能量状态到另一种能量状态所发射出的电磁波 频率异常稳定，据此发明了原子钟，将铯原子( c s m ) 超精细能级跃迁辐射的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期所持续的时间定义为1 秒，从1 9 5 8 年1 月1 日的零时零分零秒开始。由于世 界上每台原子钟建立的原子时标不相同，它们的起始点由使用者任意选取，因此即使 选择了同一起始点，由于各台原子钟的准确度和稳定度存在差异，长期累计之后所显 示的时刻也会明显不同。为此，在建立原子时标的初期，即用多台钟平均的办法导出 平均原子时，平均原子时自然比由单台原子钟导出的原子时更准确一些。国际计量局 b i p m 会员国的国家标准实验室每月都要向总部报送自己原子钟的计时结果，b i p m 根据各国实验室的维持能力及研发实力乘以不同的权重，平均所得被称为国际原子时 ( i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e ，简写为t a j ) 。 对于原子钟精确度的研究还在不断进行，2 0 0 3 年6 月9 日，日本产业技术综合 研究所宣布该所成功地，1 ：发出了世界上最高水平的原子钟，这种原子钟的误差在2 0 0 0 万年内还不到1 秒。这种原子钟将承担监视国际标准时刻精度的任务。已有的原子钟 2 第一章绪论 是以铯原子吸收的电磁波频率为基础来决定的，利用加热的铯原子来测定频率的传统 原子钟，由于具有热量的原子会运动，测定时就会产生误差。而新开发的原子钟，是 利用激光把铯原子冷却到接近绝对零度，使其运动缓慢，从而能够进行精确的测定。 尽管国际原子时t a i 是非常准确的，但现在又有新的问题，8 6 4 0 0 个t a l 秒( 一 天) 比一个太阳同( 一天) 少3 毫秒，由此会引起许多麻烦。为此，采用原子频率偏 调的办法，到1 9 7 2 年7 月1 同改用闰秒( 1 e a ps e c o n d ) 的办法末调整太阳秒和国际 原子时的差异。当两个计时系统的时问差异的绝对值在半年或一年之内将超过1 秒时， 国际地球自转组织( i n t e r n a t i o n a le a r t hr o t a t i o ns e r v i c e ，简写为i e r s ) 便会发布闰秒 通告。在1 2 月3 1 日或6 月3 0 日的最后一分钟做闰秒调整，增加一秒为正闰秒，减 少一秒为负闰秒。这样就可以使得基于t a i 的计时系统保持与地球上人们对太阳运动 的感觉( 本质是地球的自转) 与传统生活习惯相一致，从而避免了生活、工作上的混 乱，这样处理的计时系统称为世界调整时间( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ，简写为u t c ， 即统一协同时间) ，这就是现在世界通用的阳历，在西方国家被称为格里历( g r e g o r i a n c a l e n d a r ) 【2 1 。 1 秒对于计算机来说都是非常敏感的，为了保持时问上与u t c 的一致与准确， 操作系统就必须要通过专门的软件来接收闰秒的通告而进行闰秒操作。通常用v b 编 写的专用程序来进行电脑时钟与u t c 的对时。 为了让世界上人们得到u t c 提供的准确时间，国际时间标准组织( n i s t ) 通过 短波无线台w w w 在每一个u t c 秒开始时播放一个短脉冲( 无线电波) ，w w w 自 身的误差范围为士l 毫秒，然而，由于受到空气波动的影响，这种无线电波会发生一 定的误差，最终实际达+ 1 0 毫秒。现在国际上有好几个地球卫星也在提供u t c 服务， 其中g c o s t a t i o n a r ye n v i r o n m e n to p e r a t i o n a ls a t e l l i t e 提供的u t c 的误差在士o 5 毫秒范 围内。为了利用无线电波或卫星提供的u t c 得到更准确的时间，就必须考虑信号发 射地和接收地之间能影响到信号传送延迟等复杂因素，这样就涉及到有关的专业知 识，为此，国际上有专门提供此类服务的商业组织。 1 2 1 4g p s 系统 全球卫星定位系统( g p s ) 是目前最广泛应用的网络系统，2 4 颗“n a v i s t a r 卫 星构成了g p s 系统的重要组成部分，卫星每1 2 小时环绕地球一周，其队形能确保地 球上的任何一点每时每刻都可与至少4 颗卫星保持无线电联络。第一颗卫星于1 9 7 8 年发射升空，到1 9 9 3 年2 4 颗卫星全部到位。g p s 的接收装置必须知道卫星的准确位 置，卫星也必须保持可靠且精度极高的时间。在这里，精确度是山每颗卫星携带的4 个原子钟来保证的，原子钟在g p s 中有着极其重要的地位。 北京化j 厂人学f i j i ii j 学位论义 1 2 2 计算机网络中时钟的同步 随着计算机和互联网应用的迅速发展，基于网络的分布式应用变得越来越普及且 对时间的精确度有着很高的需求【3 】，如银行交易、网上购物、股票交易、企业管理信 息系统等。如果没有一个统一地、准确地时钟，系统很难测量连接延迟、衡量系统的 性能以及协调分布式应用，特别是在并行任务的调度上，时钟同步更起着至关重要的 作用【4 】。将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息( 年月同时分秒毫秒) 与 u t c 时间偏差限定在足够小的范围内( 如1 0 0 m s ) ，这种同步过程叫做时钟同步p j 。时钟 同步问题是分布式操作系统中的一个经典问题，其目的是维护一个全局一致的物理或 逻辑时钟，以使得系统中的信息、事件及各节点应该对时间有一个全局、统一的认识， 以便保证发送和接收消息的时间在逻辑上是完全正确削6 7 。 如果有一台计算机上装有w w w 接收器，我们就必须提供算法来使快的时钟变 慢、慢的时钟变快，从而使一个大型系统中的时钟保持同步。有关这方面的算法有 c r i s t i a n 引、b e r k e l e y t 9 d r u m m o n d 和b a b a o g l u 1 0 j 等。 而在一个大型系统中有多台计算机上都装有w w w 或其他提供u t c 服务的接收 器时，那么由于这些接收器接收到的u t c 本身存在差异，如何让整个系统中的每一 台计算机的时钟保持同步，这就需要网络授时系统。网络授时系统的实现方案是建立 若干授时网站，为用户提供通用的授时软件，并且提供与时间服务器的链接。只要用 户电脑定时通过授时软件访问这些时间服务器就能保证时间同步。由于通用的网络时 间协议n 口的存在，在网上传递的时间信息具有统一的标准格式，合格的授时软件应 该可以和世界上任何一个授时网站上的时间服务器连接，并完成时间的传递。美国国 家标准技术研究院( n i s t ) 从9 0 年代初开始，进行i n t e r u e t 网上时间发播服务，至 今已经设置了7 ，8 个时间服务专用网站，德国p t b 也开通专用授时网站，在网上发 播标准时间。目前世界上的授时网站已有1 0 0 多个。 时钟同步也叫“对钟 。要把分布在各地的时钟对准( 同步起来) ，最直观的方法 就是搬钟，可用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与 系统的标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系 统统一标准时钟同步。所谓系统中各时钟的同步，并不要求各时钟完全与统一标准时 钟对齐。只要求知道各时钟与系统标准时钟在比对时刻的钟差以及比对后它相对标准 钟的漂移修正参数即可，勿须拨钟。只有当该钟积累钟差较大时才作跳步或闺秒处理。 因为，要在比对时刻把两钟钟面时间对齐，一则需要有精密的相位微步调节器调节时 钟驱动源的相位；另一方面，由于各种驱动源的漂移规律也各不相同，即使在两种比 对时刻时钟完全对齐，比对后也会产生误差，仍需要观测被比对时钟驱动源相对标准 钟的漂移规律，故一般不这样做。在导航系统用户设备中。除授时型接收机在定位后 需要调整1 p p s 信号前沿出现时刻外( 它要求输出秒信号的时刻与标推时钟秒信号出 4 第审绪论 现时刻一致) ，一般可用数学方法扣除钟差。 时间同步的另一种方法是用无线电波传播时问信息。即利用无线电波来传递时间 标准然后由授时型接收机恢复时号与本地钟相应时号比对，扣除它在传播路径上的 时延及各种误差因素的影响，实现钟的同步。随着对时钟同步精度要求的不断提高， 用无线电波授时的方法，开始用短波授时( m s 级精度) ，由于短波传播路径受电离层 变化的影响，天波有一次和多次天波，地波传播距离近，使授时精度仅能达至0m s 级。 后来发展到用超长波即用奥米伽台授时，其授时精度约1 0 1 x s 左右，后来又用长波即 用罗兰c 台链兼顾授时，其授时精度可达到u s ，即使罗兰c 台链组网也难于做到全 球覆盖。后来又发展到用卫星钟作搬钟。用超短波传播时号通过用户接收共视某颗 卫星，使其授时精度优于搬钟可达到1 0 n s 精度。看来利用卫星授时是实现全球范围 时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超 短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟 当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。 共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累 平滑消除。 1 3 前人相关研究 1 3 1 国外的研究现状 1 9 7 8 年7 月，l e s l i el a m p o r t 在“c o m m u n i c a t i o no f t h ea c m ”中发表的论文“t i m e ， c l o c k ， a n dt h eo r d e r i n go f e v e n t si nad i s t r i b u t e ds y s t e m ”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分布式系统中的应用【l 。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作用。目前这篇论文已成为时钟同步研究中的一 篇经典的论文。 进入2 0 世纪八十年代后，随着计算机的普及和发展，在时钟同步方面的研究取 得了很大的进展。许多有关时钟同步问题的研究都受到政府各种基金的资助。例如在 美国，美国国防部、美国航空航天局资助了许多有关时钟同步方面的研究项目。1 9 8 8 年美国航空航天局发布的技术备忘录( n a s at e c h n i c a lm e m o r a n d u m ) 中有专门讨论 时钟同步问题的综述性论文“as u r v e yo f c 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 n t e c h n i q u e s 1 2 j 。这篇论文不仅详细地论述当前各种时钟同步技术和方法，而且还特 别论述了有关时钟容错和修正方法的问题。最后论文还提出了时钟同步领域未来的研 究方向【1 3 】。 1 9 9 5 年在美国c a l i f o r n i a 大学，两位在时钟同步研究领域具有很大影响力的 5 北京化t 人学f i ! ； i ：学位论义 c h r i s t o ff e t z e r 和f l a v i uc r i s t i a n 发表了一篇名为“a no p t i m a li n t e m e tc l o c k s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ”学术报告【l4 1 。报告中所采用的收敛函数“微分容错中点收 敛函数”能够保证最大限度地优化系统的修正、评估最大漂移率和最大偏差，并给出 其对应关系：最大偏差4 人+ 4 pr m a x 其中： 人：最大远程读错误。 p ：一个j 下确硬件时钟的最大漂移率。 r m a x ：进行一轮同步的最长时间。 2 0 0 0 年，欧盟各国联合实施了一项“欧米伽”计划，它的主要目的就是要促进时 钟同步技术的改进和发展，进一步为实际应用和研究提供更高精度的时钟。这项计划 的实施也同时加快了欧盟数字同步通信网的建设。 一般来说，分布式系统中的时间被用于确定事件发生的时刻和顺序以及事件之间 的同步。在对时钟同步问题的研究中，往往认为时问是一个单调、连续的上升函数。 如果在系统中没有一个实际的全局时钟，那么系统中的各个节点可以通过交换彼此的 时钟信息来获得一个统一的时问值。目前许多分布式应用都需要更精确的时钟同步， 如计算机集群系统、网络计算和网格服务、分布式c a c h e 等。 2 0 0 3 年5 月1 日，f c r i s t i a n 和c f e t z e r 发表了篇名为“p r o b a b i l i s t i ci n t e r n a l c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n 的学术报告。在此报告中，他们研究了在无边界通信延迟的情 况下，使用一个改进的概率论方法来读取远程的时钟，并设计了一个容错的基于概率 论的内部时钟同步协议。此时系统内部的成员能够容忍任意的错误。由于采用的是基 于概率论的方法进行读取时钟，所以它的精度要优于采用确定性算法进行时钟的远程 读入。另一个优点就是用一个线性方程来取代一个二次方程，来描述信息的交换过程， 这样简化了问题的解决。此方法不仅有效地减少了读取时钟信息的数量，也能够实现 及时地信息交换【l 引。 2 0 0 6 年8 月，i e e e 高级成员o m e rg u r e w i t z ，p l s r a e lc i d o n ，和p m o s h es i d i 在 i e e e a c mt r a n s a c t i o n s0 1 1n e t w o r k i n g 上发表了名为“n e t w o r kc l a s s l e s st i m ep r o t o c o l b a s e do nc l o c ko f f s e to p t i m i z a t i o n 1 6 】的文章。此文章首先研究了在分布式系统中广泛 使用的具有层次等级的n t p 协议，然后在此基础上提出了一种全新的无层次等级的 点对点的时钟同步方法，这种新方法称为c t p ( c l a s s e st i m ep r o t o c 0 1 ) 。其中，c t p 采用最优化理论来评估每一个时钟节点的偏差对整个时钟同步过程的影响。它的优点 是可以有效减少时钟同步过程中错误的时钟偏差，并且仍然采用n t p 的数据戳格式， 即无需采用新的包格式。 2 0 0 7 年，北卡罗莱纳大学的时钟同步研究者在“a c mt r a n s a c t i o n so ns e n s o r n e t w o r k s ( t o s n ) 上发表了名为“t i g h tt i m es y n c h r o n i z a t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，【1 7 】的文章。该文章针对无线传感器网络提出一个新的时钟同步方法。该方 6 第一章绪论 法的特点是最小化网络带宽中的复杂性，并财其进行处理和存储操作，从而得到较好 的时钟精度。同时，该方法也可将时钟偏差和漂移限制在一个狭窄、确定的范阐内。 通过此方法获得的时钟精度要优于现在使用的其他算法。 1 3 2 国内的研究现状 由于我国对时钟同步的研究起步相对较晚，因此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，相关的论文见参考文献 1 1 8 - 2 1j 。其中论文“基于概率同步算法的计算机外时钟同步系统”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。同时作者也研究了基于该公式的概率同步算法参数设计。但 这种研究还是基于某种限定条件，时钟的调整也采用的是即时时间，很难在实际系统 中进行应用。论文“计算机时钟同步技术研究”主要介绍了广域网的时间同步算法， 并讨论了影响时间同步精度的主要技术问题。同时论文也给出了基于网络时间服务协 议实现的结果和分析。论文“网络时间同步算法研究与实现”首先研究了时钟同步系 统的三个主要方面：同步模型、同步时钟源和同步方法。然后讨论了应用最为广泛的 绝对物理时钟同步系统的设计方法，并对其中的两个核心算法c r i 算法和p c s 算 法进行了详细的分析和性能比较。文章的最后还介绍了基于网络时间协议( n t p ) 的 同步技术及其软件实现。 2 0 0 2 年开始，国内涌现了几个主要的时间服务网络： 时间服务器网络( w w w t i m e e d u o n ) ：到目前为止，c e r n e t ( 中国教育和科研 网) 提供的一级服务器为4 个核心节点，分别位于清华大学、北京邮电大学、北京大 学、东南大学等4 所高校，其问进行对等通信；第二级为l o 个地区级的网络节点， 从第一级获得时间服务；第三级为2 8 个省级网络节点，从第二级节点获得时间服务。 时间科普网站( w w w t i m e a c c a ) ：中国科学院国家授时中心主办的“时间”网站， 比较详细介绍了“时间频率 领域的知识，提供了许多实用性的时间服务功能。 从2 0 0 3 年以后，尤其是在2 0 0 6 年和2 0 0 7 年，我国在时钟同步领域的研究已经 不再局限于介绍和改进国外某些时钟算法了。一些关于时钟同步的新算法和新机制相 继被提出和应用。相关论文见参考文献【2 2 埘】。其中论文“基于本地时钟选择的时钟同 步算法”提出了一种基于本地时钟选择的分布式系统时钟同步算法。它采用本地时钟 选择过滤方法，通过分组交换获取每个本地时钟与参考时钟的精度差。每个本地节点 根据时钟精度差自动调整时钟，达到分布式系统时钟同步的目的。最后通过n s 2 仿 真测试，证明同步精度能够满足一般分布式系统的需要。论文“i n t e m e t 网络时延测 量中的时钟同步算法”针对单项网络性能测量过程中存在的时钟同步问题，提出了基 于法向距离最小的优化目标，并且根据此目标推导出时钟同步优化算法，从而提高了 7 北京化t 人学硕l j 学位论义 单项网络时延测量的精确性。论文在最后对一个实际的网络时延测量结果进行了分 析，验证了该算法的有效性。论文“基于锁相环的时间同步机制与算法”首先讨论了 计算机时钟分析模型，并在此基础上分析和总结了已有的时间同步机制的特点。然后 提出了一种低能耗单向广播校正同步机制。同时，进行时钟偏移补偿和漂移补偿，并 基于传统的锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，简称为p l l ) 原理设计了同步算法。最后为了 避免实现过程中额外的硬件丌销，丌发了一种简洁的数字锁相环，并在m i c a 2 实验平 台上对所设计的同步机制与算法进行了验证。 1 4 论文的内容及意义 每台计算机都有自己的时间并且是可调节的，一般情况下，很难保证网络中各台 计算机的时间是同步的。然而有许多场合需要保证网络中的计算机有相同的时间，例 如分布式数据库的日志和事务排序、股票市场的买卖顺序等。网络时问同步指的是对 网络中各台计算机的时间不断进行调整。一个统一地、准确地时钟，能在系统测量连 接延迟、衡量系统的性能以及协调分布式应用中起着至关重要作用，特别是在并行任 务的调度上，时钟同步的影响更为突出。 网络中的时钟同步是分布式系统中一个重要的研究方向，是很多基于网络的关键 应用的基础。时钟同步包括逻辑时钟同步和物理时钟同步，逻辑时钟同步是指，在分 布式系统中，通常并不需要所有进程在时间上完全一致，而是它们在事件发生的顺序 上要完全一致，对此l a m p o r t 作出了详细的描述。物理时钟同步又包括外同步和内同 步。外同步是通过某种算法，使得系统内的时钟与系统外的某个标准时钟相一致。内 同步就是实现系统间的【2 5 j 。 然而在i n t e r n e t 以平均每年规模就扩大一倍的速度迅猛发展，曾经在传输中发挥 基石作用的口v 4 网络协议( 1 讧c 7 9 1 ) 的局限性( 如地址耗尽、安全性等) 越来越明 显地暴露出来。针对此种情况，上世纪9 0 年代初，有关组织就开始讨论新的互联网 络协议并提出新一代互联网络协议i p v 6 ，并在1 9 9 8 年进行了进一步的标准化工作【2 引。 i p v 6 采用1 2 8 位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。另外，在i p v 6 的设计过 程中除了从根本上解决了地址短缺问题外，还同时解决了在口v 4 中存在的其它问题， 如端到端i p 连接、服务质量( q o s ) 、安全性、多播、增强组播、流支持、移动性、 即插即用等【2 丌。由于i p v 6 的应用现在还不是很广泛，仅在高校内，有c e r n e t 发起 建立了测试环境，因此，针对i p v 6 对时钟同步通讯过程中，是否有不同于i p v 4 的地 方，是本文讨论的核心内容。 基于以上的研究，本论文主要探讨了内容如下： 1 研究n t p 的工作模式以及工作原理； 8 第章绪论 2 建立基于j a v a 的n t p 客户端程序，对某一已知服务器进行监测； 3 海量采集服务器信息，并与i p 对应； 4 对所探测的服务器信息进行局域筛选，并予以分析； 5 研究时钟同步算法，分析获取的大量数据，从而提高时钟同步的精度以及时 钟自适应能力； 6 建立性能评估模型：即如何评估全球各区域的时钟服务器性能。 1 5 论文的结构 整个论文共分成六章。 第一章首先对论文进行一个整体概述，并讨论了本研究的内容、意义和整个论文 的框架。 第二章首先介绍了三种不同的时钟模型的定义。然后讨论了时钟同步的两种模 型：外部时钟同步模型和内部时钟同步模型，并给出了对时钟同步问题的一些定义和 假设条件。最后通过图形方式描述了时钟同步的节点内部构成以及三种不同的时钟同 步工作模式。 第三章首先研究了网络时间协议的引入，以及时间协议的构成、发展状况。然后 对网络时间协议n t p 工作原理及实现方式做出了阐述，其中包括了时钟服务器的层 状结构，n t p 地实现方式和工作方式，指出了n t p 的工作方式是利用冗余( r e d u n d a n t ) 路径和冗余服务器。最后介绍了n t p 协议相比于其他同步协议所具有的优势。 第四章针对网际协议进行分类讨论，讨论i p v 6 引入的优势，并针对i p v 4 及i p v 6 的数据包格式进行分解讨论。最后通过代码实验实现基于j a v a 的两类网际协议的 s o c k e t 通讯。 第五章详细讲述了自主开发的可以实现外部时钟同步的软件一基于j 2 s e 的时 钟同步客户端软件。本章首先引入n t p 协议的基本概念、特点和原理。然后，详细 讨论了基于n t p 协议的时钟同步客户端的设计过程，包括：客户端时钟同步模式、 基于n t p 的客户端通讯原理及实现模块和基于n t p 协议的时钟同步客户端实现三个 部分。接下来，简要介绍了本软件的开发环境和实际运行结果，包括整体用户界面、 信息获取及显示界面等。接下来，根据不同地理位置的n t p 时钟服务器进行了三组 实验。论文中给出了每次的实验环境配置、实验结果以及实验分析。最后根据以上三 组实验和建立的数学模型，对时钟同步的稳定性进行了分析和总结。 第六章首先总结了本论文的主要内容、所完成的工作以及所作的贡献，然后 讨论了某些内容的改进意见以及目前要解决的问题。最后展望了时钟同步问题研究的 发展方向，以及未来要面对的挑战。 9 第：章时钟同步模型 第二章时钟同步模型 随着计算机和互联网应用的迅速发展，基于网络的分布式应用变得越来越普及， 而它们对于时钟同步都有着相当高的要求。例如在网络管理中，对从不同设备采集而 得的同志信息、调试信息进行分析时，需要以时间作为参照信息；计费系统要求所有 设备的时钟一致；在备份服务器和客户机之间进行增量备份时，要求备份服务器和所 有客户机之间的时钟同步。总之，在航天、金融、性能测试、资源管理等各种对时间 有严格要求的领域来说，时钟同步都有着极为重大的影响。因此需要搭建一个时钟同 步系统模型，便于理解时钟同步系统的组成及