一种基于改进型NTP的高精度网络授时方法.doc

一种基于改进型NTP的高精度网络授时方法摘要：本文介绍了网络时间协议的基本工作原理，简要分析了在网络路径对称和不对称两种情况下的网络时延问题。本文结合最小二乘法，提出一种改进型ntp算法，先对信息包进行总时延计算，将大于阈值的信息包过滤掉，将合格的信息包进行累积，采用最小二乘法进行时差和时延估算，将互联网上时间同步精度提高到101ms量级。关键词：网络时间协议 最小二乘法 网络授时中图分类号：tp393.04文献标识码：a文章编号：1007-9416(2012)02-0123-031、概述随着internet和电子信息技术的快速发展,电子商务、电子政务等高时间约束业务对时间同步的要求越来越严格,其中计算机对信息的处理和传送起着关键的作用。通常，计算机的时钟精度很低,一天内就有几秒钟甚至几分钟的时间漂移,这显然无法满足高时间约束业务的要求，由此人们提出了基于internet的网络授时技术1,2,3。该技术采用网络时间协议(network time protocol,ntp),通过internet将计算机客户或服务器的时间同步到另一个服务器或参考时钟源。目前,在局域网内,其同步精度一般可以达到101ms量级,在广域网上同步精度一般为几十ms1,2。对10000次校时请求进行计算，时差统计如图1所示。由图中可以看出,时差值相对于其均值大约分布在50ms区间范围内,形成一条单一斜率的曲线。本文结合最小二乘法，提出一种改进型ntp算法，采用最小二乘法进行时差和时延估算，将互联网上时间同步精度提高到101ms量级。2、改进型ntp算法2.1 ntp工作原理当客户方a要向服务器方b请求时间服务时，a首先要生成一个标准的ntp查询信息包,通过网络发送给b。当b收到查询信息包后,根据自己的本地时间,再生成一个标准的ntp时间信息包,通过网络发回到a,具体过程如图2所示。其中,t1为a发送查询请求时间,t2为b收到查询请求时间,t3为b回复时间信息包时间,t4为a收到时间信息包时间,t1、t2、t3和t4以a时间系统为参照,1为请求信息在网上传播所消耗的时间,2为回复信息在网上传播所消耗的时间4,5,6。因此，a就拥有4个时间t1、t2、t3、t4,并通过他们算出a与b之间时间上的差值,用以调整客户方a时钟。假定a与b之间时差值为,a和b之间网络传输的往返延时和为,则有这里网络时延分两种情况，对称与不对称。当网络路径对称时有，即查询信息包和回复时间信息包在网上传播的时间相同,则由式(1)可得:但是大部分的时候是不对称的7,8。无法由公式1计算出时差。因此，网络时延及其不对称性对时差的影响是主要的。2.2 对时延进行阈值滤波对10000次校时请求进行统计，往返网络时延如图3所示。由图中可以看出,90%以上的网络时延小于到1ms,引起的网络延时误差小于1ms。然而在实际测量中,系统时间的测量误差一般为10ms。因此,测量误差也是影响结果的主要因素，但是测量误差是随机正态分布的，可以通过随后的统计计算减小影响。另一方面,对于偶然出现的网络时延较大的情况，包括时延严重不对称的情况,通过在程序中设定网络时延阈值0,即当0时,丢弃该时间信息包,重新发送校时请求,从而起到保证校时精度的作用。2.3 采用最小二乘法估算时差对信息包进行了时延阈值滤波以后，再采用最小二乘法进行时差和时延的处理。改进型ntp的传输模型如图2所示，假设a为客户端,b为服务器端，它们的本地时钟分别为和,ab之间的同步时差为b，传输时延分别为和，可得到关系公式:由于往返传输时延和往往不相等，通过这样的一组数据不能准确计算出同步时差。在式3中，均为已知值，且可以取得多组值。因此，为了准确估算出同步时差b，先假定和为一个随机时延变量，为了使对b的影响最小，取多组数据，再采用最小二乘法进行和b值的估计。假设a节点接收m个数据包，b节点接收n个数据包，令：最终解方程组得根据公式5，以a为参考，n1表示客户端接收到的信息个数，t1表示客户端接收n1个报文的累计传输时延，n2表示服务器接收到的信息个数，t2表示服务器接收n2个报文的累计传输时延。则a相对于b的时钟差值为：2.4 改进型ntp算法步骤改进型ntp算法主要分为两个部分，客户端的计算处理和服务器端的计算处理，这两部分软件是独立的，互不影响，分别实现本地计算机作为客户方和服务器方的功能。当本地计算机作为客户方时，先产生合乎协议标准的ntp查询信息包，再发送给服务器，并对服务器返回的时间信息包进行检查、分析，然后计算ntp时间与本地时间的差值，进而对本地计算机时间进行调整。当本地计算机作为服务器方时，先接收ntp查询数据包，再按ntp协议规范，从本地时间产生ntp信息数据包并发回给查询方。具体处理步骤如下，客户方如图5，服务器方如图6。3、实验数据为了对算法进行验证，在ibm t510i笔记本上，基于windows xp，采用microsoft visual basic进行编程实现，对中国计量科学研究院的网络授时服务器（ip地址：220.231.55.106）进行访问并校准时间。中国计量科学研究院时间频率中心的时间服务器采用原子钟输出的标准频率信号来运行，其频率准确度为510-14，相当于三百万年不差一秒。进行15000次实验，获得实验数据如下图7所示，图a是客户端接收数据的原始时延值，图b是经过滤波处理的时延值，图c是采用传统ntp测量获得的时差统计值，图d是采用本文算法获得的时差统计值。从图a中可以看出，客户端接收到数据包时延不稳定，有时达到几百毫秒，在采用传统算法进行时差计算，达到将近10毫秒；而采用本文算法，对其进行滤波，将时延大的数据包滤除，再采用最小二乘法进行时差估算，得到的时差值同步精度为2毫秒。4、结语本文针对ntp网络非对称延时情况下的时差进行分析检测，通过对不同时延的数据包进行阈值滤波，再采用最小二乘法进行估算，实验验证，采用本文算法得到的时差测量精度达到了2毫秒，大大提高了网络校时的精度。参考文献1赵科佳,张爱敏,宁大愚.基于ntp协议的网络时间服务系统的实现j.电子测试,2008,7:13-16.2李德河.网络时延对网上高时问约束业务影响的讨论j.时间频率学报,2003，26(2)：126-1353周炜,冯文江,郭文超基于ntp的adhoc网络时隙同步算法j计算机应用,2010，30(1):111-1134mills d l. internet time synchronization: the network time proto-colj.ieee transactions on communications,1991,39(10):1482-1493.5汤建忠.烟草时间同步网络系统的研究与实现j.计算机系统应用,2008,17(12):142-144.6李德