基于NTP的网络时间服务器校准方法探讨

基于NTP的网络时间服务器校准方法探讨
张宇付欣艳王菊凤韩锋黄徐瑞晗
（贵州省计量测试院，贵州贵阳550003）
摘要:为了解决基于NTP的网络时间服务器校准问题，对其展开校准项目和校准方法的探讨,给出了NTP同步偏差、定时准确度和定时稳定度等校准项目并结合实验详细阐述了两种NTP同步偏差的校准方法，实验结果表明，采用直接测量法的NTP同步偏差为10.25屮）不确定度为62.4w t（k—2）;采用比较法的NTP同步偏差为159.75阴,不确定度为6.彳）-^=2）。

关键词:NTP；网络时间服务器;校准方法
中图分类号:TB939文献标识码:A国家标准学科分类代码：460.4099
DOI：17.15988/j.cadi.1974-0946.2026.2.026
Discussion on Calibation Method of Network Time Server Based on NTP ZHANG Yu FU Xioyao WANG Jufeug HAN Feug HUANG Xuruidao
AbstracC:To solve the caliPration prodlem of netuord time seper based on NTP,the caliPration items and methods were discussed.The calibration items of NTP synchynizOion deviation,timing accuracy and timing stability are—v-a.Two caliPration methods of NTP sypcUpnization deviation are descrided in dhUP The expeUmental results show that the NTP sypcUpnizaUon deviation of direct measurement method is19.25|jls and the unceUainty is62.09|JLS(k —2)I The NTP sypcUpnization deviation of compaUson method was139.77js and the unceUainty was6.39ms(k —2）I
Keywoae:NTP;netuord time seper;caliPration method
0引言
随着互联网、5G移动通信，大数据等技术的发展，在数字签名、公共交通、医疗卫生、金融贸易和移动通信等领域,都离不开准确的、具有可溯源性的网络时间服务,应用场景众多、服务需求规模庞大。

目前我国广泛使用的智能终端、电子设备的时间,大部分是基于网络时间协议（Network Time Pro­tocol,NTP）从网络时间服务器（NTP服务器）上获得网络时间，而网络时间服务器时间大部分主要依赖于全球定位系统（Gbdal Positioning System,GPS）信号,无法保证其提供的网络时间服务具有溯源性，换言之，网络上的NTP服务器自身时间是否准确无法证明，不具有溯源性，用时间记录的文件、罚单、签名等存在法律漏洞和安全隐患。

因此开展网络时间服务器校准,使其提供的网络时间服务有效溯源至原子时标国家计量基准UTC（NIM），保障各领域用时准确、安全和可靠具有重要意义，同时满足社会对网络时间服务的需求。

6网络时间同步工作原理
图6NTP时间同步原理图
基金项目：贵州省科技计划（黔科合支撑［2419］288］号）作者简介：张宇，硕士，工程师。

NTP服务器采用NTP协议与用时终端(客户端)进行交互，将NTP服务器的时间传递至客户端，NTP时间同步原理如图°所示。

客户端于N时刻发送同步请求，服务器于丁2时刻接收都该请求,并于爲时刻将包含丁2和笃时刻信息的应答消息返回给客户端，客户端于笃时刻收到服务器的应答消息。

t p和t是由网络链路带来的网络延时，定义/cs是客户端和服务器之间的时间偏差，则：
⑺=丁1+〃CS+try
{(I)
I丁8=丁3-“CS+t/o
则des可表达为：
“CS=^Client-T seuoc=空[(^2_^1)+(-^8)]+S
往返延时(Round-T/p Delay,RTD)为：
$=址+如=[(T-T])-(T-T)](5)
由于t y和t/O无法通过直接测量得到，实际网络授时应用中,假设往返链路对称,t y=t/O,故实际上“CS为:
心=；[(T0-T])+(T2-T9)](6)
理论上，网络中交换机和路由器存在数据转发延时，并且受网络环境影响，转发路径可能随时在改变,导致请求和应答的往返链路不对称,t p老t，因此假设往返链路对称情况下，单次网络时间同步引入时间偏差的不确定为：
U=S mJ=；§(5)
式中：噺为©的最大值。

图2NTP服务器结构原理框图
2NTP服务器的组成
基于NTP协议的NTP网络时间服务器通常由参考信号输入单元、本地时间保持单元、信号输出单元组成。

参考信号输入单元获取外部时间信息;本地时间保持单元接收参考信号输入单元的时间信号对本地时钟进行同步，并利用主振器进行时间保持;信号输出单元根据本地的时间频率信号,对外提供秒脉冲信号(°Pulse Per Secenk,1PPS)输出、频率信号输出、NTP服务等。

参考信号输入单元可通过三种方式获取时间信息，接收全球导航卫星系统(Glokat Naviaation Satel­lite System,GNSS)信号进行解调解码或外部1PPS 和时间信息(Time Of Day,TOD)或通过网络中处于上一层的NTP服务器。

其中利用GNSS卫星信号获取时间的方式较为普遍。

NTP服务器结构原理框图如图2所示。

5校准项目和测量标准
5.°校准项目
NTP服务器的主要计量特性是NTP同步偏差，反映了NTP服务器提供网络时间服务的能力；若NTP服务器具有1PPS信号或频率信号输出，则可评价其主振器性能;通常具有1PPS信号输出接口的NTP服务器较常见，根据该1PPS信号可参照《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范》对定时准确度、定时稳定度进行测量,°]评价其输出1PPS信号和标准1PPS信号的偏差，以及输出1PPS信号自身的一致程度。

此外，当GNSS信号断开时，时间保持偏差体现NTP服务器自身的时间保持能力，也是一项重要计量特性。

NTP服务器主要校准项目见表°o
表°ntp服务器校准项目
序号校准项目
1NTP同步偏差
2定时准确度
3定时稳定度
4时间保持偏差
5相对频率偏差
6频率稳定度
5.2测量标准
由于NTP服务器的计量特性包括了时间和频率的参数，因此参考频标和参考时标是必不可少的测量标准；对具有频率信号输出接口的NTP服务器，可采用频标比对器或通用计数器对其主振器性能进行评价;对具有1PPS信号输出接口的NTP服务器，可采用时间间隔测量仪测量定时准确度和定时稳定度，也可通过时差法测量其主振器性能。

因考虑了NTP同步偏差的两种校准方法，直接
测量法和比较法，直接测量法采用的测量标准是时间综合测试仪；比较法采用的测量标准是参考NTP 服务器，通过计算机同时访问被校和参考NTP服务器，得到时差进行比较，从而校准NTP服务器的NTP同步偏差。

0校准方法
0.1NTP同步偏差
(6)方法一:直接测量法
如图3所示,连接仪器被校NTP服务器正常锁定GNSS信号并达到仪器说明书规定的驯服和预热时间,设置时间综合测试仪与被校NTP服务器的互联网协议(Internet Protocol,IP)地址在同一网段，时间综合测试仪工作在NTP测量模式，轮询时间为6),连续测量240,按式(0)计算NTP同步偏差：
0N
^■T'ntp-N?0^^，N rp,i(6)
式中:AT n/p——NTP同步偏差;AT nt P>i——第i 秒测得的时间偏差测量值;N—取样个数。

图)NTP同步偏差直接测量法校准示意图
(2)方法二：比较法
如图0所示,连接仪器被校NTP服务器正常锁定GNSS信号并达到仪器说明书规定的驯服和预热时间，计算机采用NTP协议同时向被校NTP服务器和参考NTP服务器采集时间，并分别计算时间偏差，轮询时间为6s,连续采集24h,,按式(0)计算NTP同步偏差，按式(7)计算乩叶：
△比心—人几如-AA r,(7)
式中:AT cp,,——计算机与被校NTP服务器第i 秒的时间偏差；AT cri——计算机与参考NTP服务器第i秒的时间偏差。

图4NTP同步偏差比较法校准示意图
4.0定时准确度和定时稳定度
如图5所示,连接仪器被校NTP服务器正常锁定GNSS信号并达到仪器说明书规定的驯服和预热时间，设置时间间隔测量仪通道6、通道2的触发电平为信号幅度的50%，由时间间隔测量仪测量得到被校NTP服务器与参考时标1PPS24h的时间偏差数据(取样时间6s)，按式(8)计算定时准确度，按式(9)计算定时稳定度：
6n
AT a-N^at(8)
式中:at—
—定时准确度；at——时间间隔测量仪第i秒测得的时间偏差测量值。

rN=
E(at-at)2
A T—槡—⑼
式中:at—
—定时稳定度;a T—所有at的算术平均值。

图5定时准确度校准示意图
4.I相对频率偏差和频率稳定度
测量前，断开被校NTP服务器的天线输入，当主振器为石英晶体振荡器时，按JJG-2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器》进行校准；2］当主振器为铷原子频率标准时，按JJG29212009《铷原子频率标准》进行校准丿3
4.0时间保持偏差
按图2连接仪器，被校NTP服务器正常锁定GNSS信号并达到仪器说明书规定的驯服和预热时间后,断开天线,使其工作在保持模式下,由时间间隔测量仪测量得到被校NTP服务器与参考时标1PPS24h(或根据仪器说明书给出的保持时间)的时间偏差数据(取样时间6s)，按式(10)计算时间保持偏差：
at-AT x(10)
式中：at—时间保持偏差；A T x—-—时间保持期间绝对值最大的时间偏差测量值。

9NTP同步偏差测得值
NTP同步偏差的测得值因测量方法的不同相差很大,当采用直接测量法时，时间综合测试仪是基于硬件获取的NTP时间戳，与计算机在操作系统上获
取的时间相比，该仪器从时刻的准确程度上来说更高且，通常在几十纳秒至几十微秒之间；而采用比较法时，由于计算机运行在操作系统上,获得的时刻的
准确程度通常在毫秒级。

实验采用的参考时标和频标为一种可被UTC(NIM)实时驯服、实时溯源的铷原子振荡器(UTC(NIM)Disciplines Oscillator,NIMDO),其时间稳定度优于5us,频率稳定度优于6x10-12o[]直接测量法采用的时间综合测试仪型号为Timo-Acs007,被校NTP服务器型号为HJ-208,用直接测量法连续测量NTP服务器每秒的时间偏差如图6所示,NTP同步偏差为12.25a，不确定度为62.08^(=2)，主要由往返延时引入。

$ 2880057600(640$
采样时序(s)
图6直接测量法测量原始数据
比较法采用的计算机配置为:CPU运行频率为2.46GH z,8GB内存,非商用Windows操作系统，内部晶体振荡器相对频率偏差约为°x12-5，被校NTP服务器型号为HJ-208,参考NTP服务器型号为HJ-210,用比较法连续测量NTP服务器每秒的时间偏差如图7所示，NTP同步偏差为139.75a，不确定度为6.36ms(=2)，主要由往返延时引入。

(SUI
)
«
»
叵
自
-6
100200300400
采样时序(s)
图7比较法测量原始数据
6结束语
基于NTP的网络时间服务器校准方法的研究,从NTP原理出发，分析了单次NTP同步的时间偏差和不确定度计算方法，对NTP同步偏差的两种校准方法进行阐述，并给出两种校准方法的实验结果，测量数据表明,比较法的测得值不确定度远大于直接测量法的不确定度。

该校准方法的提出，使得医疗、金融、交通等领域使用的NTP服务器可具备溯源性,满足各行业领域对时间同步的需求。

参考文献
[1]JJG1403-2013《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范》[SJ
[2]JJG P0-2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程》S].
[3]JJG222-2009《铷原子频率标准检定规程》[S].
[4]LIANG K,YANG H,ZUO F,el at.DisciplikeS Oscillator Sys­tem by UTC(NIM)for Remote Time and Frequency TraceakiPty[C J. IEEE European Fuqnency and Time Forum,Neschatel,Switzerland, 2010.
[]龙波，张宇，黄徐瑞晗，等•基于NTP协议的网络授时系统设计[J计量与测试技术,2019,46(05)：1〜2.
(上接第61页)
键工艺尺寸,对离心泵进行三维公差建模与分析,主要的工作及结论如下：
(°)研究了三维尺寸链中主要尺寸精度对口环间隙的贡献度与敏感度。

(2)基于三维尺寸链公差分析的结果,对相关零部件的尺寸和公差进行优化，提出了公差优化方案,使口环间隙满足低噪声的设计要求,以此来降低离心泵的振动噪声并且提高振动一致性。

参考文献
[I]SRIXASTAV O P,PANDU K R,GUPTA K.EEect of radit gay bv-Pveen impeller ank diPuser on vidratioo ank noise in a centriVgX pump[J].E-meroing Trends in Mechatunics for Automation,2203,32(13)：36〜39.
[2]SoPhy,Ghoneam M,Samir.Vidration analysis of centriPigal pump with vvible speed d/ves.9.Eng.Sci.201°,39：565〜579.
[]Khalife A E.Effecl of Blade Exit Shaye on Performance and Vi­bration of a DooUle Volute Centrifugal Pump[J].Intemational Jonmal of Materials Mechanics ank MakufactuUng,2014,2(04)：P7°〜264.
[4]Choi V S,Mclaughlin D K,Thompson D E.ExpehvePs on the uu-steaXy tow fielU ank noise generation in a centriPigal pump ivpellvr[J Jonmal of Soonk&Vidration,2003,263(03):463〜514.
[]周盼，张权，率志君，等•离心泵进水口形式设计及其对振动噪声的影响[]3排灌机械工程学报201523(0°):]-12+54.
[]张忆宁，曹卫东,姚凌钧，等•不同叶片岀口角下离心泵压力脉动及径向力分析[]•流体机械201725(1°)：34〜
40.。