基于NTP协议的时钟同步系统.PDF

基于NTP 协议的时钟同步系统1 林容容 程光 丁伟 （东南大学计算机科学与工程系南京210096 ） 摘要：网络环境下的监测分析中，许多度量参数的准确性都依赖于时钟的同步。为解决同步 一段时间后又会产生的漂移问题，通过对两台主机的相对时钟偏差展开的实验研究，建立了 相对时钟偏差的线性模型。以主机相对漂移线性模型理论为基础设计和实现了基于NTP 协议 的时钟同步系统。该系统利用时戳报文抽样测量并记录时间数据；对数据模糊聚类分析处理 以提取模型，对模型做线性回归拟合以得到模型参数；基于线性模型，系统最终提供对不同 时刻主机时钟的修正API。系统实现的测量精度可以达到毫秒级以下，基本满足对传输延迟 测量的准确性要求。 关键字：时钟同步；网络时间协议；线性模型；时钟漂移；测量 1 引言 大多网络性能测度都需要有时间标记，不同主机之间实现时钟同步是网络应用实现的 关键技术。网络端至端的基本测量测度有单向延迟，抖动等。单向延迟的测量就涉及时钟同 步问题。 现有的时钟同步方案很多，主要有网络时钟协议（NTP ）[1]和全球定位系统（GPS ）等。 但无论采用的同步机制是GPS 还是NTP，由于不同主机的时钟振荡频率不一，在同步一段时 间后都又会产生不同步。通过测量发现5 分钟后主机之间的不同步大约为30 毫秒。而在对 单向延迟的测量中，至少需要毫秒级的同步精度。因而必须对时钟的漂移进行修正。 本设计以研究高速IP 网络环境中基于抽样测量的端至端SLA 监测系统为背景，构造时 钟同步集成体系结构，研制开发Internet 网络环境下的网络端至端SLA 监测分析所需的时钟 同步系统。同时基于NTP 协议的功能分析和本设计的实验研究，为将来深入大规模网络中 时钟同步研究提供原始资料和数据。这一成果将直接为国家863 项目“基于抽样测量的分布 式服务级别约定监测系统”的实现提供准确时间标记，以保证监测系统中单向延迟测度值测 量结果的准确性。 论文首先在建立两台主机的相对时钟漂移的线性模型的基础上，介绍基于NTP 协议的 时钟同步系统体系结构。然后，通过两台主机之间进行的时钟漂移测量实验结果说明线性时 钟相对漂移模型能高精度修正主机时钟漂移现象。最后，对模型的漂移现象做了进一步的研 究说明。 2 系统体系结构 为测量单向延迟测度值需要两个测量机器能保持同步，但可事先已知两测量点的时钟 偏差，而不一定必须知道两台测量机器的绝对时钟[2]。因此本设计提出一种不需要进行绝 对时钟同步而实现偏差测量的方案。 基于NTP 协议的时钟同步系统包含了四个基本模块：时钟同步系统；分布于测量域两个 1 本文受国家863 项目2001AA112060 ，国家自然科学基金项 测量点的时戳报文测量系统；相对时钟偏差的模型分析系统及基于模型的相对时钟偏差测量 系统。 各模块介绍如下： （1）.时钟同步系统 基于 NTP 协议，系统提供粗粒 度的时钟同步,使机器间的相对时 钟偏差保持在一定的范围之内。即 使用NTP 协议的一个简单的应用程 序ntpdate 更新机器时间。ntpdate 运 行过之后就退出。为了保持时间的 正确性，每五分钟做一次同步。 图 1 中记录了在此同步模式下 的相对时钟偏差情况。此时的相对 图1 本同步模式下的相对时钟偏差情况 时钟偏差以同步时间粒度——五分钟为周期。每一周期又划分为两个区间：第一区间内，表 现为无时钟同步干预下，相对时钟偏差不断增大；第二区间内表现为ntpdate 修改系统时间 的过程中相对时钟偏差不断减小。 从图1 中可以明显看出：无论是第一区间还是第二区间，测量器时间和两测量器相对时 钟都存在线形关系，但仍需要进一步对这两个变量间的相关程度进行验证[3]。 由概率论知，相关系数 cov(x , y ) ρ （1） D (x) ⋅D (y ) 是表示两变量见相关程度的一个数量性指标。在相关系数ρ不知道的情况下，可用测量器 时间和两测量器相对时钟偏差的一组观察值（x ，y ）（i=1 ，2 ，3 ，…，n ），其中，x ，y