一种基于改进型NTP的高精度网络授时方法

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

10~1ms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)02-0123-03

1、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10～1ms量级,在广域网上同步精度一般为几十ms[1,2]。

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10～1ms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,δ1为请求信息在网上传播所消耗的时间,δ2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θ,a和b之间网络传输的往返延时和为δ,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δ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δ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δ0,即当δ>δ0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5×10-14，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)：126-135．

[3]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):111-113．