第06章-时间同步.
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第六章 时间同步
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议
新型同步机制
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
基本概念
• • • •
WSN时间同步技术背景 时间同步技术的分类 时间同步技术的应用场合 关键点：时钟模型
Reception time Receive time
• 同步信息的时延包括以下几部分：发送时间、访问时间、传输时 延、传播时间、接收时延、接收时间
传输延迟的进一步细化(在Mica2上)
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms 特性 不确定，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销 不确定，依赖信道负载。 确定，依赖报文长度和发送速 率。
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
新型同步机制
• 基于报文交换的同步机制面临着挑战
– 同步精度问题 – 可扩展性问题
• 新型同步机制
– 萤火虫同步 – 协作同步
• 两个概念
– 同时性与同步性
萤火虫同步
1935年，Science 1975年, Peskin的RC模型 1989年，M&S模型（无延迟） 1998年，Ernst（有延迟）结论 2005年，真实地实现
Critical Path
Receiver2 Time
Critical Path
•通过广播同步指示分组实现接收点间的相对时间同步 •RF信号的传播时间差值非常小 •可以消除接收节点的接收协议处理、上下文切换、网络接口向主机传送 •影响RBS机制性能的因素：时钟偏差、接收点不确定性因素以及接收点 的个数
GCS：聚类分层模式
• 单纯的节点遍历方式导致遍历环过长， 同步功耗大 • 通过分簇协议，把网络组织成簇结构
• 簇头节点间以节点遍历方式同步
• 簇内节点可以节点遍历或RBS等方式进 行同步
GCS：扩散模式
• 越简单的方法往往是越有效的
• 同步过程：对接收到的时间进行平均操 作，并对自己的时间进行扩散 • 理论证明：当把所有节点的时间当成一 张快照时，经过若干轮扩散过程，所有 节点时间最终将收敛到所有节点时间的 平均值上
传感器网络的挑战
• • • • • •
室内、矿井、森林，有遮挡 低功耗、低成本和小体积 传输延迟的不确定性 可扩展性、移动性 健壮性、安全性 网络规模大、多点协作
传输延迟的不确定性
Sender Send time Access time Transmission time
Receiver
Propagation time
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
• 同步精度高 • 工程实用性强 • 强调实现细节
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
• MAC层时间戳技术
– 和平台直接相关
• 基本同步原理
– 发送者--接收者同步 – 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置） – 根据单个报文中的多个时间戳，可对中断等待时 间进行补偿 – 对clock skew的补偿仍采用最小二乘法
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
• 对同步误差的分析
– 很重要，是一种基本的分析方法
– 理论分析和实验证明：TPSN同步误差是 RBS的一半 – 结合对lock skew的估计，可以提高TPSN的 精度
多跳TPSN
• 全网周期性同步
– “层发现”把网络组织成最短生成树
• 由RBS发现，广播能降低全网同步能耗 • 结合广播和节点间的双向报文交换同步 HRTS协议
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
n2 BS n1 n3 BS
n2
n1
n3
(a)
n2 BS n1 n3 n4 n2
(b)
BS
n1 n4
(c )
n3
(d)
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• 根节点和应答者节点本质上是采用TPSN 同步 • 根节点和非应答者节点本质上是双向报 文交换同步（但非TPSN） • 应答者节点和非应答者节点本质上是接 收者--接收者同步
– 逐层在相邻两层节点间同步 • 网络内两个节点的同步 – “后同步”查找两个节点间的路径 – 在路径的相邻两个节点间进行TPSN同步
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• TPSN基于双向报文交换，因此同步精度高
• TPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步 能耗高
• 否定：DMTSRBS • 否定之否定：RBSTPSN • TPSN：双报文交换的发送者接收者同 步
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
节点A T2 T3
Request
Reply
节点B T1
同步点
T2 T1 d
T4
T4 T3 d - (T2 T1 ) (T4 T3 ) 2 ：节点间的相对时钟漂 移 d：脉冲的传输延时
时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
传统同步：NTP与GPS
• NTP：网络时间协议 • GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构（网络）
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构（单机）
NTP（Network Time Protocol）
• • • •
NTP不适合于WSN 体积、计算能力和存储空间存在限制 传输方式不同：无线而非有线 目标不同：局部最优而非全局最优
GPS（Global Position System）
• 从根本上解决了人类在地球上的导航与 定位问题。 • 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子 钟，并不断发射其时间信息 • 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间 信息，采用伪距测量定位方法可计算出 时间和位置信息 • 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
WSN时间同步技术背景
• 集中式系统与分布式系统
– 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 – 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
• 无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统
– 是无线传感器网络应用的基础
• 需要解决的问题
– 同步精度
– 功耗
– 可扩展性
WSN时间同步机制的主要性能参数
简单，高效，可扩展性强
M&S模型
• • • • • 研究由初始不同步状态如何达到同步状态 个体性质相同,因此一旦达到同步则永远同步 萤火虫之间的交互被建模成电量耦合 耦合延迟规定为0 最终结论为:系统的同步收敛性取决于个体在 自由状态下的动力学特性 • 同步的实质：不同步产生了耦合，耦合改变 了状态量，而状态量又改变了相位量 ,相位差 通过同步过程不断缩小，最终达到完全相同, 即同步状态
确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。
不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。 确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
低功耗、低成本和小体积
• • • • •
软硬件都要受到该限制 存储与计算能力均比较小 加剧了电能供应的紧张（电池体积） 网络规模大、密度高 通信距离近 分布式、协作
RBS （Reference Broadcast Synchronization）
• 接收者接收者同步的基本依据：接收者时 间相移均值为0
单跳RBS
• 用最小二乘法估计clock skew提高同步精度
多跳RBS
• 时间路由技术：基于最短路径查找
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
• 最大误差：一组传感器节点之间的最大时间差或相对 外部标准时间的最大差值。 • 同步期限：节点保持时间同步的时间长度。 • 同步范围：节点保持时间同步的区域范围。 • 可用性：范围覆盖的完整性。 • 效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。 • 代价和体积：需要考虑节点的价格和体积。
时间同步技术的分类
• 排序、相对同步与绝对同步
– 递进关系 – 各自具有典型的协议代表
• 外同步与内同步
– 参考源不同
• 局部同步与全网同步
– 同步对象的范围不同
时间同步技术的应用场合
• • • • • •
多传感器数据压缩与融合 低功耗MAC协议、路由协议 测距、定位（位置相关报务，LBS） 分布式系统的传统要求 协作传输、处理的要求 ... ...
典型时间同步协议
• NTP（Network Time Protocol）
• DMTS （Delay Measurement Time Synchronization）
• RBS （Reference Broadcast Synchronization） • TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
接收 数据
发 送 ACK
接 收 处理
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 •广播方式同步能耗低
时标t1
时标t2
t0+nt+(t2-t1)
接收者接收者：RBS （Reference Broadcast Synchronization
NIC NIC Sender
Sender
Receiver
Receiver1
多跳FTSP
• 洪泛方式广播时间基准节点的时间 • 协议健壮 • 实际做了工程化的实现
GCS（Global Clock Synchronization）
• 节点遍历模式 • 聚类分层模式 • 扩散模式
GCS：节点遍历模式
• 游走阶段：记录游走的出发和到达时间 • 时间校正阶段：根据节点在游走环的位置和游 走时间对节点时间进行校正 • 理论假设：每段游走的时间花费相同
1.ห้องสมุดไป่ตู้
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
时间同步
• 发送者－接收者同步：发送者在报文中嵌入报 文发送时间，而接收者在接收到报文后记录下 接收时间，并利用这些时间信息计算出收发双 方的时钟偏移，进而达到收发双方的时间同步。 • 接收者－接收者同步：发送者发送一个同步报 文到多个接收者，这些接收者通过对同一个报 文时间的比较，计算出它们之间的时钟偏移， 从而达到接收者一接收者同步。
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现节 点间的时间同步 去除发送端的处理延迟
发送者 和MAC层的访问延迟
发送时间 访问时间
发送前导码、 同步字 （nt）
接 收 ACK
嵌入时 标 t0
接收者
接收前导码、 同步字
可扩展性（Scalability）
• 在大规模网络中尤为重要 • 是大规模无线传感器网络软硬件设计中 非常重要的问题 • 满足不同的网络类型、网络规模 • 满足不同的应用需求
健壮性
• • • •
外部环境复杂，搞毁能力 需要应对安全性挑战 无线传感器网络拓扑动态性较强 网络规模变化、需求变化
内容提要
• HRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
• GCS （Global Clock Synchronization）
发送者接收者：DMTS
Propagation time
Interrupt waiting time Encoding time & Decoding time Byte alignment time
<1μs（距离<300米）
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs 100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议
新型同步机制
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
基本概念
• • • •
WSN时间同步技术背景 时间同步技术的分类 时间同步技术的应用场合 关键点：时钟模型
Reception time Receive time
• 同步信息的时延包括以下几部分：发送时间、访问时间、传输时 延、传播时间、接收时延、接收时间
传输延迟的进一步细化(在Mica2上)
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms 特性 不确定，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销 不确定，依赖信道负载。 确定，依赖报文长度和发送速 率。
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
新型同步机制
• 基于报文交换的同步机制面临着挑战
– 同步精度问题 – 可扩展性问题
• 新型同步机制
– 萤火虫同步 – 协作同步
• 两个概念
– 同时性与同步性
萤火虫同步
1935年，Science 1975年, Peskin的RC模型 1989年，M&S模型（无延迟） 1998年，Ernst（有延迟）结论 2005年，真实地实现
Critical Path
Receiver2 Time
Critical Path
•通过广播同步指示分组实现接收点间的相对时间同步 •RF信号的传播时间差值非常小 •可以消除接收节点的接收协议处理、上下文切换、网络接口向主机传送 •影响RBS机制性能的因素：时钟偏差、接收点不确定性因素以及接收点 的个数
GCS：聚类分层模式
• 单纯的节点遍历方式导致遍历环过长， 同步功耗大 • 通过分簇协议，把网络组织成簇结构
• 簇头节点间以节点遍历方式同步
• 簇内节点可以节点遍历或RBS等方式进 行同步
GCS：扩散模式
• 越简单的方法往往是越有效的
• 同步过程：对接收到的时间进行平均操 作，并对自己的时间进行扩散 • 理论证明：当把所有节点的时间当成一 张快照时，经过若干轮扩散过程，所有 节点时间最终将收敛到所有节点时间的 平均值上
传感器网络的挑战
• • • • • •
室内、矿井、森林，有遮挡 低功耗、低成本和小体积 传输延迟的不确定性 可扩展性、移动性 健壮性、安全性 网络规模大、多点协作
传输延迟的不确定性
Sender Send time Access time Transmission time
Receiver
Propagation time
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
• 同步精度高 • 工程实用性强 • 强调实现细节
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
• MAC层时间戳技术
– 和平台直接相关
• 基本同步原理
– 发送者--接收者同步 – 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置） – 根据单个报文中的多个时间戳，可对中断等待时 间进行补偿 – 对clock skew的补偿仍采用最小二乘法
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
• 对同步误差的分析
– 很重要，是一种基本的分析方法
– 理论分析和实验证明：TPSN同步误差是 RBS的一半 – 结合对lock skew的估计，可以提高TPSN的 精度
多跳TPSN
• 全网周期性同步
– “层发现”把网络组织成最短生成树
• 由RBS发现，广播能降低全网同步能耗 • 结合广播和节点间的双向报文交换同步 HRTS协议
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
n2 BS n1 n3 BS
n2
n1
n3
(a)
n2 BS n1 n3 n4 n2
(b)
BS
n1 n4
(c )
n3
(d)
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• 根节点和应答者节点本质上是采用TPSN 同步 • 根节点和非应答者节点本质上是双向报 文交换同步（但非TPSN） • 应答者节点和非应答者节点本质上是接 收者--接收者同步
– 逐层在相邻两层节点间同步 • 网络内两个节点的同步 – “后同步”查找两个节点间的路径 – 在路径的相邻两个节点间进行TPSN同步
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• TPSN基于双向报文交换，因此同步精度高
• TPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步 能耗高
• 否定：DMTSRBS • 否定之否定：RBSTPSN • TPSN：双报文交换的发送者接收者同 步
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
节点A T2 T3
Request
Reply
节点B T1
同步点
T2 T1 d
T4
T4 T3 d - (T2 T1 ) (T4 T3 ) 2 ：节点间的相对时钟漂 移 d：脉冲的传输延时
时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
内容提要
1.
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
传统同步：NTP与GPS
• NTP：网络时间协议 • GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构（网络）
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构（单机）
NTP（Network Time Protocol）
• • • •
NTP不适合于WSN 体积、计算能力和存储空间存在限制 传输方式不同：无线而非有线 目标不同：局部最优而非全局最优
GPS（Global Position System）
• 从根本上解决了人类在地球上的导航与 定位问题。 • 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子 钟，并不断发射其时间信息 • 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间 信息，采用伪距测量定位方法可计算出 时间和位置信息 • 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
WSN时间同步技术背景
• 集中式系统与分布式系统
– 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 – 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
• 无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统
– 是无线传感器网络应用的基础
• 需要解决的问题
– 同步精度
– 功耗
– 可扩展性
WSN时间同步机制的主要性能参数
简单，高效，可扩展性强
M&S模型
• • • • • 研究由初始不同步状态如何达到同步状态 个体性质相同,因此一旦达到同步则永远同步 萤火虫之间的交互被建模成电量耦合 耦合延迟规定为0 最终结论为:系统的同步收敛性取决于个体在 自由状态下的动力学特性 • 同步的实质：不同步产生了耦合，耦合改变 了状态量，而状态量又改变了相位量 ,相位差 通过同步过程不断缩小，最终达到完全相同, 即同步状态
确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。
不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。 确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
低功耗、低成本和小体积
• • • • •
软硬件都要受到该限制 存储与计算能力均比较小 加剧了电能供应的紧张（电池体积） 网络规模大、密度高 通信距离近 分布式、协作
RBS （Reference Broadcast Synchronization）
• 接收者接收者同步的基本依据：接收者时 间相移均值为0
单跳RBS
• 用最小二乘法估计clock skew提高同步精度
多跳RBS
• 时间路由技术：基于最短路径查找
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
• 最大误差：一组传感器节点之间的最大时间差或相对 外部标准时间的最大差值。 • 同步期限：节点保持时间同步的时间长度。 • 同步范围：节点保持时间同步的区域范围。 • 可用性：范围覆盖的完整性。 • 效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。 • 代价和体积：需要考虑节点的价格和体积。
时间同步技术的分类
• 排序、相对同步与绝对同步
– 递进关系 – 各自具有典型的协议代表
• 外同步与内同步
– 参考源不同
• 局部同步与全网同步
– 同步对象的范围不同
时间同步技术的应用场合
• • • • • •
多传感器数据压缩与融合 低功耗MAC协议、路由协议 测距、定位（位置相关报务，LBS） 分布式系统的传统要求 协作传输、处理的要求 ... ...
典型时间同步协议
• NTP（Network Time Protocol）
• DMTS （Delay Measurement Time Synchronization）
• RBS （Reference Broadcast Synchronization） • TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
接收 数据
发 送 ACK
接 收 处理
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 •广播方式同步能耗低
时标t1
时标t2
t0+nt+(t2-t1)
接收者接收者：RBS （Reference Broadcast Synchronization
NIC NIC Sender
Sender
Receiver
Receiver1
多跳FTSP
• 洪泛方式广播时间基准节点的时间 • 协议健壮 • 实际做了工程化的实现
GCS（Global Clock Synchronization）
• 节点遍历模式 • 聚类分层模式 • 扩散模式
GCS：节点遍历模式
• 游走阶段：记录游走的出发和到达时间 • 时间校正阶段：根据节点在游走环的位置和游 走时间对节点时间进行校正 • 理论假设：每段游走的时间花费相同
1.ห้องสมุดไป่ตู้
时间同步概述
基本概念
传统与挑战
2.
时间同步算法及比较
典型时间同步协议 新型同步机制
时间同步
• 发送者－接收者同步：发送者在报文中嵌入报 文发送时间，而接收者在接收到报文后记录下 接收时间，并利用这些时间信息计算出收发双 方的时钟偏移，进而达到收发双方的时间同步。 • 接收者－接收者同步：发送者发送一个同步报 文到多个接收者，这些接收者通过对同一个报 文时间的比较，计算出它们之间的时钟偏移， 从而达到接收者一接收者同步。
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现节 点间的时间同步 去除发送端的处理延迟
发送者 和MAC层的访问延迟
发送时间 访问时间
发送前导码、 同步字 （nt）
接 收 ACK
嵌入时 标 t0
接收者
接收前导码、 同步字
可扩展性（Scalability）
• 在大规模网络中尤为重要 • 是大规模无线传感器网络软硬件设计中 非常重要的问题 • 满足不同的网络类型、网络规模 • 满足不同的应用需求
健壮性
• • • •
外部环境复杂，搞毁能力 需要应对安全性挑战 无线传感器网络拓扑动态性较强 网络规模变化、需求变化
内容提要
• HRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
• GCS （Global Clock Synchronization）
发送者接收者：DMTS
Propagation time
Interrupt waiting time Encoding time & Decoding time Byte alignment time
<1μs（距离<300米）
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs 100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs