網(wǎng)絡(luò)時間同步的不確定度評定研究

趙科佳， 張愛敏

（中國計量科學(xué)研究院，北京 100013）

網(wǎng)絡(luò)時間同步的不確定度評定研究

趙科佳， 張愛敏

（中國計量科學(xué)研究院，北京 100013）

為了評定網(wǎng)絡(luò)時間同步的不確定度，基于中國計量科學(xué)研究院的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)，以時間綜合測量儀TimeAcc-007為時差測量儀器，在局域網(wǎng)環(huán)境下設(shè)計并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時間同步實驗。分析了客戶端和服務(wù)器端同步實驗測量的時差數(shù)據(jù)，建立了網(wǎng)絡(luò)時間同步的時差不確定度數(shù)學(xué)模型，分析并評定了測量結(jié)果重復(fù)性、服務(wù)器參考源、服務(wù)器時間戳、客戶端時間戳及網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延等不確定度分量。結(jié)合不確定度分析結(jié)果，提出了改善網(wǎng)絡(luò)授時精度的相關(guān)算法。

計量學(xué)；網(wǎng)絡(luò)時間同步；網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議；不確定度

1 引 言

基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的網(wǎng)絡(luò)授時由于其組建簡單、經(jīng)濟(jì)、實用和授時精度高等特點(diǎn)，在許多具有高時間約束需求的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。從David L Mills設(shè)計之初到現(xiàn)在，NTP協(xié)議一直在改進(jìn)，其所實現(xiàn)的授時精度已能達(dá)到局域網(wǎng)優(yōu)于10 ms、廣域網(wǎng)優(yōu)于100 ms。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對提高NTP授時精度的方法研究較多［1～12］，而對于整套網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的不確定度評定研究卻幾乎沒有。對于工程上應(yīng)用如此廣泛的技術(shù)參數(shù)，即使提出再高的技術(shù)精度而沒有相關(guān)的不確定度評定指標(biāo)顯然是沒有意義的。因此，對于網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的不確定度評定研究就顯得尤為重要且緊迫。本文基于時間綜合測量儀所做的共鐘測量實驗，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的不確定度評定方法，評定了測量結(jié)果的不確定度。

2 網(wǎng)絡(luò)時間同步工作原理

2.1 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的基本原理

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的基本原理如圖1所示，客戶方A向服務(wù)器方B請求時間同步服務(wù)，A生成并經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時間戳信息包給B，B接收并重新生成時間戳信息包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)返回給A。其中，T1為A發(fā)送查詢請求時間，T2為B收到查詢請求時間，T3為B回復(fù)信息包時間，T4為A收到信息包時間，δ1為請求信息包在網(wǎng)絡(luò)路徑中消耗的時間，δ2為回復(fù)信息包在網(wǎng)絡(luò)路徑中消耗的時間，θ為A與B之間的時差值。

圖1 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議基本原理

假設(shè)δ為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐悼倳r延，則有

如果往返網(wǎng)絡(luò)路徑對稱，即δ1＝δ2，則由式（1）可得

2.2 網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)成

中國計量科學(xué)研究院（NIM）的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器和參考時鐘源構(gòu)成，并以IP地址220.231.55.106接入Internet［13］。網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的參考時鐘源由國家時間頻率基準(zhǔn)原子時標(biāo)輸出的10 MHz頻率信號和1 PPS（Pulse Per Second）信號提供，GPS信號作為冗余參考時鐘源?？蛻舳嗽O(shè)備通過運(yùn)行時間同步軟件NIMTime訪問中國計量科學(xué)研究院的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)校準(zhǔn)本機(jī)時間。整個網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

3 時間同步實驗

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的原理可知，影響時間同步結(jié)果的不確定度分量主要由4個時間戳的生成和網(wǎng)絡(luò)往返時延不對稱引入。為了能夠科學(xué)合理地評估不確定度分量，本文設(shè)計了3組時間同步實驗：NTP服務(wù)器與PC機(jī)同步實驗，PC機(jī)與時間綜合測量儀同步實驗，NTP服務(wù)器與時間綜合測量儀同步實驗。實驗中，時間綜合測量儀為TimeAcc-007，其硬件時間戳測量精度優(yōu)于70 ns；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選用最簡單的局域網(wǎng)直連方式，以消除網(wǎng)絡(luò)往返路徑時差引入的不確定度；NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的時間參考源都選用GSP信號，以實現(xiàn)共鐘或準(zhǔn)共鐘測試，消除時間參考源引入的不確定度。

圖2 網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)工作原理

3.1 實驗A：NTP服務(wù)器與PC機(jī)同步

NTP服務(wù)器與PC機(jī)由以太網(wǎng)線直接連接，GPS信號作為NTP服務(wù)器的時間參考源，如圖3所示。PC機(jī)運(yùn)行時間同步軟件NIMTime同步本機(jī)時間。實驗A用于模擬在局域網(wǎng)環(huán)境下客戶端與時間服務(wù)器實現(xiàn)時間同步的過程，網(wǎng)絡(luò)時間同步的不確定度數(shù)學(xué)模型也是基于此同步過程而建立。

圖3 NTP服務(wù)器與PC機(jī)同步實驗

3.2 實驗B：PC機(jī)與時間綜合測量儀同步

PC機(jī)與TimeAcc-007由以太網(wǎng)線直接連接，GPS信號作為TimeAcc-007的時間參考源，如圖4所示。PC機(jī)運(yùn)行時間同步軟件NIMTime，將PC機(jī)設(shè)置為時間服務(wù)器模式。TimeAcc-007測量并記錄兩者間的時差值。實驗B用于測量經(jīng)同步后的客戶端時間與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差，其具體實現(xiàn)原理就是將客戶端設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器模式，TimeAcc-007作為被同步客戶端，由TimeAcc-007向被測客戶端發(fā)送NTP同步信息包，被測客戶端以網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的模式相應(yīng)地返回包含本機(jī)時間戳的信息包，最終TimeAcc-007由4個時間戳解算出兩者時差值。由于TimeAcc-007的時間戳精度遠(yuǎn)優(yōu)于客戶端，所以可以用實驗B的方法測量客戶端經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時間同步后其時間與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差。

圖4 PC機(jī)與時間綜合測量儀同步實驗

3.3 實驗C：NTP服務(wù)器與時間綜合測量儀同步

NTP服務(wù)器與TimeAcc-007由以太網(wǎng)線直接連接，GPS信號作為NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的時間參考源，如圖5所示。TimeAcc-007測量并記錄兩者間的時差值。實驗C用于測量時間服務(wù)器生成的時間戳與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差，其原理主要是利用準(zhǔn)共鐘和高時間戳精度來實現(xiàn)。NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的參考時鐘源都采用GPS信號，從而使兩者實現(xiàn)了準(zhǔn)共鐘測量結(jié)構(gòu)，時鐘源引入的不確定度分量就可以忽略。同時，TimeAcc-007的時間戳精度要遠(yuǎn)優(yōu)于NTP服務(wù)器的時間戳精度，所以可以用實驗C的方法測量NTP服務(wù)器生成的時間戳與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差。

圖5 NTP服務(wù)器與時間綜合測量儀同步實驗

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 客戶端時差數(shù)據(jù)分析

在相同條件下，將實驗A和實驗B輪流重復(fù)操作20次，實驗A和實驗B先后操作各一次為一輪，讀取TimeAcc-007記錄的時差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖6為某一輪同步實驗中TimeAcc-007得到的時差數(shù)據(jù)結(jié)果，橫軸為測量時長t，間隔為1 s，縱軸為時差值θ，單位為ms。圖中曲線為TimeAcc-007與PC機(jī)間的時差測量值，點(diǎn)狀直線為時差平均值。NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的時間戳為硬件時間戳，PC機(jī)的時間戳為軟件時間戳，NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的時間戳精度至少高于PC機(jī)時間戳精度10倍以上，則NTP服務(wù)器和TimeAcc-007的時間戳引入的不確定度可以忽略。根據(jù)實驗條件可知，實驗A和實驗B中的時間參考源均為GPS信號，NTP服務(wù)器和TimeAcc-007構(gòu)成準(zhǔn)共鐘條件，則兩者的時間參考源引入的不確定度可以忽略。另外，同步實驗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為以太網(wǎng)線直連，網(wǎng)絡(luò)路徑對稱性為最佳，則信息包往返路徑時延引入的不確定度可以忽略。綜上可知，圖6中的抖動曲線主要表征了PC機(jī)在同步實驗中引入的不確定度，其均值可以認(rèn)為是一次同步實驗后PC機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)時刻間的時差，這主要由PC機(jī)生成時間戳的誤差引入。

圖6 PC機(jī)時差數(shù)據(jù)

4.2 NTP服務(wù)器時差數(shù)據(jù)分析

圖7 NTP服務(wù)器時差數(shù)據(jù)

圖7為實驗C中TimeAcc-007記錄的時差測量數(shù)據(jù)，橫軸為測量時長t，間隔為1 s，縱軸為時差值θ，單位為ms。圖中曲線為TimeAcc-007與NTP服務(wù)器間的時差測量值，點(diǎn)狀直線為時差平均值。根據(jù)指標(biāo)手冊可知，NTP服務(wù)器時間戳精度為微秒級，TimeAcc-007時間戳精度優(yōu)于70 ns，則TimeAcc-007時間戳引入的不確定度可以忽略，且實驗中兩者構(gòu)成準(zhǔn)共鐘條件，則時間參考源引入的不確定度可以忽略。另外，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仍為以太網(wǎng)線直連，則信息包往返路徑時延引入的不確定度可以忽略。綜上可知，圖7中的抖動曲線主要表征了NTP服務(wù)器在同步實驗中引入的不確定度，其均值可以認(rèn)為是NTP服務(wù)器與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差，這主要由NTP服務(wù)器生成時間戳的誤差引入。

5 測量不確定度評定

5.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)NTP協(xié)議的基本原理和網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的工作機(jī)制可知，影響時差測量結(jié)果的不確定度分量包括測量結(jié)果的重復(fù)性、NTP服務(wù)器的時間參考源、NTP服務(wù)器生成時間戳、客戶端生成時間戳、網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延，則時差數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。

式中，θ為客戶端同步后與標(biāo)準(zhǔn)時間的時差，θ0是客戶端同步后應(yīng)用實驗B方法測得的時差值，δtref是時間參考源引入的誤差，δtserver是NTP服務(wù)器生成時間戳引入的誤差，δtclient是客戶端生成時間戳引入的誤差，δtnet是網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延引入的誤差。

5.2 不確定度分量的評定

5.2.1 測量結(jié)果的重復(fù)性

計算實驗A和實驗B的20組測量結(jié)果，分別平均TimeAcc-007測得的每組數(shù)據(jù)，得到如圖6中點(diǎn)狀直線所示的時差值，再計算20個時差值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，分別為0.4 ms和1.2 ms，則測量結(jié)果的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uθ0為1.2 ms。

5.2.2 NTP服務(wù)器的時間參考源

以實驗A為例，NTP服務(wù)器的時間參考源為GPS信號，其時刻值的不確定度為ns量級，則NTP服務(wù)器的時間參考源引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uref可以忽略不計。

5.2.3 NTP服務(wù)器生成時間戳

NTP服務(wù)器生成硬件時間戳的同時會引入一定的時刻值誤差，由以上對實驗C的數(shù)據(jù)分析可知，均值17.5μs的時差值主要為NTP服務(wù)器生成時間戳引入，其可以作為系統(tǒng)誤差在式（2）中對時差測量結(jié)果進(jìn)行修正，但與時差測量結(jié)果相比由于量級太小可以忽略。計算實驗C測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1μs，可作為NTP服務(wù)器生成時間戳引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量userver，由于其量級太小可以忽略。

5.2.4 客戶端生成時間戳

計算實驗B測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5 ms，由以上對實驗B的數(shù)據(jù)分析可知，其可以作為客戶端生成時間戳引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uclient。

5.2.5 網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延

由實驗A、B、C條件可知，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為以太網(wǎng)網(wǎng)線直連。為測量往返路徑不對稱引入的誤差，將NTP服務(wù)器和TimeAcc-007用網(wǎng)線直連，以GPS信號作為兩者的參考時鐘進(jìn)行準(zhǔn)共鐘測量實驗，分別測量信息包往程和返程路徑的時延，并計算兩者的時差作為往返路徑不對稱引入的誤差，再取標(biāo)準(zhǔn)偏差得到不確定度分量的結(jié)果。500組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差約為23μs，比測量重復(fù)性不確定度分量結(jié)果小近一個數(shù)量級，則網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量unet可以忽略。

綜上，時間同步過程中各不確定度分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總信息如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

5.3 不確定度評定結(jié)果

假定各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量間不相關(guān)，則可按式（4）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算結(jié)果為2.8 ms。

設(shè)擴(kuò)展因子k＝2，擴(kuò)展不確定度U＝kuc＝5.6 ms。則最終測量結(jié)果可以表達(dá)為：θ＝（0.4± 5.6）ms，k＝2。

6 結(jié) 論

為了減小網(wǎng)絡(luò)不確定因素的影響，本文采用了網(wǎng)線直連的實驗方式來評定不確定度分量。在普通局域網(wǎng)條件下，簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境能夠保證較好的網(wǎng)絡(luò)往返路徑時延對稱性，其時間同步結(jié)果的不確定度可以優(yōu)于10 ms。在非擁堵狀態(tài)的廣域網(wǎng)條件下，網(wǎng)絡(luò)路徑動態(tài)延遲均值在40 ms以內(nèi)，且在瓶頸延遲中占的統(tǒng)計比例很?。?4，15］，則其時間同步結(jié)果的不確定度可以優(yōu)于100 ms。

在本文實驗條件下，客戶端軟件時間戳引入的不確定度分量是所有不確定度分量中量值最大的，利用均值算法可以有效降低其影響，但由于需要累積一定量的數(shù)據(jù)和剔除粗大誤差，所以是以犧牲系統(tǒng)時間和資源為代價的。在廣域網(wǎng)條件下，利用卡爾曼濾波算法可以有效提高時延估計的準(zhǔn)確度，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)路徑時延引入的不確定度，但同樣也是建立在需要累積計算數(shù)據(jù)的前提條件下的。

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Research on the Uncertainty Evaluation of Network Time Synchronization

ZHAO Ke-jia， ZHANG Ai-min
（National Institute ofMetrology，Beijing100013，China）

The LAN NTP experiments based on the network time service system（NIM）are design and performed by a time and frequency solutions TimeAcc-007 in order to evaluate the uncertainty of network time synchronization.The time offset data of synchronization experiments are analyzed for clients and servers.Themathematical uncertainty model of NTP time offset is established.The uncertainty components，including repeatability ofmeasurements results，reference source of server，server timestamp，client timestamp，round-trip delay of network，are analyzed and evaluated.The data processing algorithms are proposed for improving synchronization precision based on the results of uncertainty evaluation.

Metrology；Network time synchronization；NTP；Uncertainty

TB939

A

1000-1158（2014）05-0507-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．20

2013-01-11；

2013-11-27

趙科佳（1978－），男，河南鄭州人，中國計量科學(xué)研究院助理研究員，主要從事時間頻率計量的相關(guān)研究。zhaokj＠nim.ac.cn