中国指挥与控制学会会刊 
目前常用的网络时间同步主要包括基于广播的网络时间同步、基于NTP的网络时间同步和基于PTP的网络时间同步。基于广播的网络时间同步是从节点根据源节点广播的参考时间修正本地时钟,是一种单向的时间同步,误差主要来源于网络传输的延迟,同步精度不高,并且传输延迟不易测量和估计,能达到毫秒级的同步精度。NTP是一种标准的互联网时间同步协议,使用了一种纯软件的方式来实现网络时间同步,其同步精度能达到毫秒量级[1]。为了满足网络实时通信、金融结算、测量仪器和工业控制等分布式网络测控系统中定时同步的需要,IEEE1588定义了PTP(精确时钟同步)协议,在现有网络的基础上增加了硬件支持,使用软硬件结合的方式实现了网络时间同步[2-3],大幅提高了时间同步精度,能够达到微秒量级。
NTP已经成为了目前应用最广泛的网络时间协议,能够实现毫秒级的时间同步,但却缺乏必要机制对各节点的状态进行动态监控。在实际应用中我们不仅要关注如何实现主从节点的时间同步、如何提高时间同步的精确度以及如何降低时间同步所需的成本,同时还需要掌握各节点的工作状态以及同步情况,所以就需要对各个节点进行状态监控[4]。NTP协议是分层主从结构运行的,当源节点故障时会影响下层节点的授时精度,在局域网中这个问题更加明显。由于传统NTP的局限性以及当前网络时间同步的需要,本文在NTP的基础上提出了一种纯软件的网络时间同步新方法,利用状态监控机制实现了源节点对其他网络节点的状态监控;利用心跳检测机制[5]和源节点切换机制,当源节点故障时可以实现源节点的动态切换。
本文首先对NTP进行分析,然后给出了一种基于心跳检测的网络时间同步方法,由心跳检测、源节点切换、时间偏差估计与修正以及状态监控四部分组成。最后实验验证了方法的可行性,对于局域网的时间同步具有重要意义。
1 NTP分析
NTP最早于1985年由美国David L. Mills教授提出,是用于互联网上时间同步的标准互联网协议。通过该协议可以估算出NTP报文在互联网上的传输延迟和时钟偏差,从而实现网络上计算机之间可靠和精确的时间同步。
30多年来,NTP不断发展完善,从NTPv0到NTPv4演变过程如表1 所示。
表1 NTP演变过程 |
| NTP版本 | 时间 | RFC文件编号 | 描述 |
|---|---|---|---|
| NTPv0[6] | 1985 | RFC958 | 1. 为ARPA网提供时间同步; 2. 它对本地时钟的误差估算和精密度等基本运算、参考时钟的特性、网络上的分组数据包及其消息格式进行了描述; 3. 不对任何频率误差进行补偿,也没有规定滤波和同步的算法。 |
| NTPv1[7] | 1988 | RFC1059 | 1. 采用了Client/Server模式以及对称操作; 2. 它不支持鉴权和NTP的控制消息。 |
| NTPv2[8] | 1989 | RFC1119 | 1. 介绍了NTP控制消息协议用于管理NTP服务器与客户机; 2. 介绍了基于对称密钥加密的密码认证方案。 |
| NTPv3[9] | 1992 | RFC1305 | 1. 总结并综合了NTP先前版本和DEC公司推出的时间同步协议DTSS(Digital Time Synchronization Service); 2. 正式引入了校正原则,并改进了时钟选择和时钟滤波算法; 3. 引入了时间消息发送的广播模式。 |
| NTPv4[10] | 2010 | RFC5905 | 1. 适用于IPv4和IPv6,它改进了时钟模型,在各种同步源和网络通路的情况下能够更精确地预测并调节频率和时间; 2. 提出了新算法以降低网络抖动和振荡器漂移的冲突,并加速时间同步收敛速度; 3. NTPv4报文中新加入了可扩展字段,还提供了关于自动配置,可靠性,降低互联网话务量和加强网络安全性的鉴权等方面的新特性; 4. 在LANs中同步精度能达到亚毫秒量级; 5. 无需给定服务器的配置,能适应动态服务器模式。 |
此外,1992年RFC1361提出了NTP的简化版本SNTP,去除了过滤和错误管理功能,精度只能达到秒级;1995年提出的RFC1769,时间精度提高到数百毫秒;1996年提出的RFC2030给出了SNTP的最新规范SNTPv4,精度能达到更高。SNTP能用单播方式和广播方式操作,也能在IP 多播方式下操作。SNTP实质是简化了NTP服务器和客户端策略,在协议实现上没有什么更改, 适用于使用个人计算机的 UDP/TIME 客户。
随着NTP协议的广泛应用,对NTP网络的研究也在不断进行,文献[11⇓⇓⇓-15]研究并分析了不同时期的NTP网络,使用网络爬虫程序寻找NTP主机并发送同步请求,在一周时间内探测到的NTP网络大小以及响应的主机数如表2 所示。从表2 可知NTP网络不断增大,在16年里增大了150倍以上。近几年来互联网发展迅速,SNTP服务以及NTP协议运用得更加普遍。从表2 也可以看到:相比于1999的报告2005年搜索到的NTP网络更大但响应的主机数却更少,主要是因为随时间的推移,服务器更加安全,由于防火墙的阻挡或服务器的配置等因素,服务器仅允许基本的时间查询,而不会有其他的响应。近年来几乎没有最新的文献去继续Murta等人的工作,但是显然NTP网络更加庞大。目前互联网上客户机主要使用NTP池来获得时间,总共含有大约4000个服务器。所以说对这些服务器的搜索与研究也是有非常有必要的。
表2 不同时期NTP网络大小对比 |
| 作者 | 发表年份 | 网络大小 | 响应 |
|---|---|---|---|
| Mills | 1989 | 8455 | 946 |
| Guyton | 1994 | 15000 | 7251 |
| Mills | 1997 | — | 38722 |
| Minar | 1999 | 647401 | 175527 |
| Murta | 2005 | 1290819 | 147251 |
2 基于心跳检测的网络时间同步
考虑到局域网中对时间同步以及对各节点状态监控的需求,本文提出了基于心跳检测的网络时间同步方法,由心跳检测、源节点切换、时间偏差估计与修正以及状态监控四部分组成,实现了微秒级的时间同步以及对各节点的状态监控。另外提供了一种备用机制,在源节点故障时可以实现源节点自动切换,从而继续保持网内时间同步。源节点和从节点的工作流程如图2 所示。
2.1 心跳检测
心跳检测是一种从节点对源节点工作状态判定的机制,通过接收源节点广播的心跳信息,判断源节点的状态(正常/异常/故障)。从节点定时检测在规定的时间内是否收到源节点的心跳信息,收到则认为源节点正常,否则认为源节点异常,如果连续3次源节点异常,则认为源节点故障。心跳检测的具体过程如下:
1)源节点周期性地广播心跳信息,广播周期为theartbeatBroadcast;
2)从节点记录并更新每次接收到心跳报文的时间theartbeatRecv,首次接收到心跳报文的时间记t0。从t0+0.5theartbeatBroadcast开始,每隔theartbeatBroadcast检测一次是否收到心跳信息,检测时间记为tcheck;
a) 如果tcheck-theartbeatRecv<theartbeatBroadcast,则认为源节点正常,否则认为源节点异常;
b) 如果连续三次判定源节点异常,则认为源节点故障。
2.2 源节点切换
当源节点故障时,为了保证整个局域网内时间的相对同步,需要重新选取一个源节点,进行源节点切换。图3 给出了源节点故障前后各节点的工作情况。当源节点故障时,各从节点会广播平均时间偏差如图3 (c)所示,这个平均偏差是从节点相对于故障源节点的各个同步周期时间偏差的平均值,同步时间越长,这个均值越稳定。均值越小表示该节点的性能越好,选择均值最小的节点作为新的源节点。
源节点切换的具体过程如下:
1)各节点通过心跳检测判定源节点是否正常工作,若源节点正常,则所有节点工作状态不变。
2)若源节点故障,各节点广播本节点相对于故障源节点的平均时间偏差,记为 ,i=1,2,...,N表示从节点编号。
3)从节点i收到从节点j发送的平均时间偏差 ,如果| |≥| |,则停止广播。如此几次广播之后可以选出网内平均时间偏差最小的节点,该节点作为新的源节点,发送心跳信息,其余各节点向该节点请求时间信息。
2.3 时间偏差估计与修正
我们知道网络时间同步的精确度在很大程度上取决于获取时间戳的精确度。传统的NTP在应用层获取时间戳,通过调用操作系统的函数实现时间戳获取和本地时间修正的功能。但是在应用层获取时间戳只能达到毫秒级,并不能满足某些实时测控系统的需要。本文使用文献[16]中介绍的方法,利用Winpcap开源库,绕过TCP/IP协议栈,在内核空间NPF设备驱动程
序中获取时间戳,相比传统NTP时间戳获取更靠近底层,能够获得微秒级的时间。
WinPcap是一个基于Win32平台的,用于捕获网络数据包并进行分析的开源库,它包括了一个内核级的数据包过滤器Netgroup Packet Filter(NPF),一个低层动态链接库(Packet.dll),一个高层的、依赖于系统的库(wpcap.dll)。Packet.dll库提供了低层的API,它可以直接访问驱动的函数,并且依赖于微软操作系统的可编程接口;wpcap.dll提供了更多强大的,高层次的,和libpcap(一个知名的Unix捕获库)兼容的捕获原语。
基于winpcap的网络时间同步原理图如图4 。
2.4 状态监控
这里的状态监控分为两部分,即从节点对源节点的状态监控以及源节点对从节点的状态监控。通过前面的心跳检测从节点可以判断出源节点的状态(正常/异常/故障)。源节点对从节点的状态监控是通过判断指定时间内接收到的同步报文数量以及主从节点时间偏差来确定从节点的状态(正常且同步/正常不同步/故障)的一种机制。下面介绍源节点对从节点的状态监控方法(K步检查法):
1)从节点周期性地向源节点发送同步报文,包含上一时间同步周期的时间偏差θi,i表示从节点编号;
2)源节点收到同步报文,分别统计收到各节点的累积同步报文数目nSync(i),并更新θi。
3)当θi<=λSync时,则认为从节点i与源节点时间同步,否则从节点i与源节点时间不同步。
4)当出现某一个i1使得nSync(i1)=K时做以下判断:
a) 如果nSync(i)>0,则认为从节点i正常工作;
b) 如果nSync(i)=0,则认为从节点i故障;
c) 判断完毕,将nSync(i)归零,进入到下一个监控周期。
其中nSync(i)表示该监控周期内接收到的来自节点i的同步报文个数,λSync表示时间同步门限,K表示步数上限。
3 仿真结果及分析
在局域网环境下使用5台计算机进行实验。时间同步周期为2s,心跳消息广播周期为5s,时间同步门限λSync取1ms,进行仿真实验验证方法的可行性。
为模拟源节点故障时间的随机性,引入随机数,随机选取某一心跳检测周期自动断开源节点进行实验。表3 为取500以内随机数的情况,“√”表示当前的源节点,“—”表示故障节点。从表3 可知选取节点1作为初始源节点,在439个心跳检测周期后节点1发生故障,然后其余各节点广播本节点相对于节点1的平均时间偏差,进行自组织选取平均偏差最小的节点5作为新的源节,以此类推。这样网内节点不断减少,最后将断开的节点重新手动选取源节点,重新入网进行验证。
表3 源节点切换情况表 |
| 节点号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 随机停止心跳周期 | 439 | 458 | 145 | 159 | 338 |
| 平均偏差/us | √ | 56.63 | 143.62 | 95.49 | 48.05 |
| — | 8.74 | 95.66 | 47.49 | √ | |
| — | √ | 85.17 | 38.94 | — | |
| — | — | 48.32 | √ | — |
节点1作为源节点时,各节点相对节点1的时间偏差的均值分别为56.63us、143.62us、95.49us、48.05us。时间同步偏差曲线如图5 所示。
以上实验结果表明,在2s时间同步周期情况下,本文提供的方法能够实现同步精度在200us以内。在任意时刻源节点故障,通过心跳检测机制从节点能够监测到源节点故障信息并且实现源节点动态切换,切换到平均时间偏差相对较小的节点,将其作为新的源节点,然后保持网内的相对时间同步。另外当故障节点修复后手动选取源节点能够快速入网同步。在整个实验过程中,源节点都能够通过从节点反馈的偏差信息以及接收到的同步请求报文数量监控到从节点的状态。
4 结束语
本文提出了一种纯软件实现的网络时间同步新方法。该方法包括心跳检测、源节点切换、时间偏差估计与修正以及状态监控四部分,可以实现微秒级的时间同步以及对各节点的状态监控。通过心跳检测和源节点切换机制,从节点可以监测到源节点的工作状态,并且当源节点故障时可以实现源节点动态切换,具有很好的容错性与扩展性,适用于对时间同步精度有一定要求并且需要监控各节点状态的局域网络。最后通过实验验证了方法的可行性。但需要注意的是,该方法对网络环境有一定的依赖性,因此网络的稳定性以及网络安全等问题是下一步需要进行研究的。