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高精度网络时钟同步的研究

NTP Server. 高精度网络时钟同步的研究. Buct Network Center Rocky Tu. 班级： 信研 0705 学号： 2007000774 姓名： 屠乐奇 导师： 赵 英. 课题研究内容. 本地时钟同步. 1. GPS 信号接收设备. 2. 计算机网络时钟. 3. 时钟同步算法体系. 4. NTP Server. 1 . 本地时钟同步. 1.1 时钟同步模型 1.2 时钟同步定义 1.3 时钟同步过程. 1.1 本地时钟模型. 1 . 速度恒定模型 2 . 漂移有界模型

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高精度网络时钟同步的研究

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Presentation Transcript

  1. NTP Server 高精度网络时钟同步的研究 Buct Network Center Rocky Tu 班级： 信研0705 学号： 2007000774 姓名： 屠乐奇 导师： 赵 英

  2. 课题研究内容 本地时钟同步 1 GPS信号接收设备 2 计算机网络时钟 3 时钟同步算法体系 4

  3. NTP Server 1 . 本地时钟同步 1.1 时钟同步模型 1.2 时钟同步定义 1.3 时钟同步过程

  4. 1.1 本地时钟模型 1 .速度恒定模型 2 .漂移有界模型 3 .漂移变化有界模型 ppm* = part per million 百万分之一

  5. 1.2 时钟同步定义 计算机晶振模型 UTC时间模型 精确 同步 准确

  6. 1.3 时钟同步过程 时钟时间 同步达成 参考源 本地时钟 实际时间

  7. NTP Server 2 . GPS信号接收设备 1.1 GPS 接收设备 1.2 GN-80协议 1.3 数据接收流程

  8. 2.1 GPS 接收设备 Satellite GPS Device Peer Time Server Client Stratum+1 Client

  9. 2.1 GPS接收设备 GPS接收天线 大恒DH2000接收器（小黑盒）

  10. 2.2 GN-80协议 Serial port Speed Bit rate 4800 bit 600 Baud Baud rate 480 Byte Byte speed 1200 2400 3600 4800 Get one GPS signal per second 1000 ms / 480 = 2.08ms 16 ms / 2.08 ms = 8 byte

  11. 2.2 GN-80协议 $GPGSV,3,1,12,03,35,188,43,06,45,173,40,13,21,318,00,16,75,003,00*70 $GPGSV,3,2,12,19,09,192,36,20,09,245,38,21,06,084,00,23,54,289,00*7C $PFEC,GPtst,0,4850260001,0,0*64 $GPDTM,W84,,00.0000,N,00.0000,W,,W84*53 $GPGGA,025143,3958.2754,N,11624.9003,E,1,06,03.55,000049.8,M,-007.7,M,,*67 $GPZDA,025144,13,09,2009,+00,00*65 $GPDTM,W84,,00.0000,N,00.0000,W,,W84*53 $GPGLL,3958.2754,N,11624.9003,E,025143,A,A*4F $GPGSA,A,3,03,06,19,20,31,32,,,,,,,03.55,02.09,02.87*3B $GPGSV,3,1,12,03,35,188,43,06,45,173,41,13,21,318,00,16,75,003,00*71 $GPGSV,3,2,12,19,09,192,36,20,09,245,38,21,06,084,00,23,54,289,00*7C $GPVTG,154.2,T,160.3,M,000.1,N,0000.1,K,A*15 $GPDTM,W84,,00.0000,N,00.0000,W,,W84*53 $GPGGA,025144,3958.2754,N,11624.9003,E,1,06,03.55,000049.8,M,-007.7,M,,*60 $GPZDA,025145,13,09,2009,+00,00*64 $GPDTM,W84,,00.0000,N,00.0000,W,,W84*53 $GPGLL,3958.2754,N,11624.9003,E,025144,A,A*48$ GPGSA,A,3,03,06,19,20,31,32,,,,,,,03.55,02.09,02.87*3B $GPGSV,3,1,12,03,35,188,43,06,45,173,41,13,21,318,00,16,75,003,00*71 $GPGSV,3,2,12,19,09,192,35,20,09,245,38,21,06,084,00,23,54,289,00*7F $PFEC,GPtst,0,4850260001,0,0*64 $GPDTM,W84,,00.0000,N,00.0000,W,,W84*53

  12. 2.3 数据接收流程 $GPGGA $GPRMC $GPGLL $GPZDA 周期1秒 $GPDTM 信号 时间

  13. 2.3 数据接收流程 串口中断 信息采集 采集GPDTM信号 是否该时钟周期 记录时间 GLL RMC GGA ZDA等信号 采集时间信号 记录时间偏移

  14. 2.3 数据接收流程

  15. NTP Server 3 . 计算机网络时钟 3.1 网络时间协议 3.2 数据分组格式 3.3 数据采集

  16. 3.1 网络时间协议 • 网络时间协议（Network Time Protocol），简称NTP协议. • 目前互联网中应用非常广泛的时间同步协议。 • 它由美国德拉瓦大学的 David Lee Mills 教授提出。 • 在互联网中呈现分层结构 • 数据分组采用一定的数据格式 • 现在发展到第四版本 • 有时会采用外部参考源。

  17. 3.1.1 分层结构 UTC标准时间 第一层 时钟服务器 第二层 时钟服务器 第三层 时钟服务器 分层结构

  18. 3.1.2 工作模式 Network Client Server 请求时钟同步报文 自动工作在服务器模式，并发送应答报文 进行数据过滤选择，同步本地时钟 应答报文

  19. 3.1.3 信息传输 T1+δ T2 T3 Server Client T1 T3-δ T4

  20. 3.2 数据分组格式 NTP格式

  21. 3.2 数据分组格式

  22. 3.3 数据采集 • 美国：AOL Time Warner Facility Dulles，Virginia（64.236.96.53） • California Institute of Technology，Pasadena，CA(192.12.19.20) • Columbia County，Georigia(68.216.79.113) • Jensen Research Corporation，Oakland NJ(67.128.71.76) • National Center for Atmospheric Research，Colorado(192.43.244.18) • NIST Boulder Laboratories Colorado(132.163.4.102) • Salt Lake City，Utah(198.60.22.240) • UCLA，Los Angeles CA(163.67.62.194) • US NY(208.184.49.9) • 巴西：146.12.19.20 • 英国：Cambridge，MA(18.26.4.105，18.145.0.30) • 瑞典 ：Exchange point Malmoe，Sweden(192.36.134.25) • 法国 ：INRIA，Sophia Antipolis French Riviera，near Nice (138.96.64.10) • 德国 ：ntps1-1.cs.tu-berlin.de Technische Universitaet Berlin(130.149.17.8) • University Erlangen-Nuernberg，D-91058 Erlangen(131.188.3.220) • 比利时：Royal Observatory of Belgium(193.190.230.66) • 新加坡：SPRING Singapore(203.117.180.36) • 俄罗斯：VNIIFTRI，Moscow region，Russia(62.117.76.142) • 未知：time-a.timefreq.bldrdoc.gov(132.163.4.101)

  23. 3.3 数据采集

  24. 3.3 数据采集

  25. NTP Server 4 . 时钟同步算法体系 4.1 算法体系制定 4.2 算法体系内容 4.3 算法结果

  26. 4.1 算法体系制定 从多个时钟服务器得到数据 从GPS得到数据

  27. 4.2 算法体系内容

  28. 4.2.1 数据过滤 • 数据过滤 特征过滤 1. 去掉不理想数据，因为本身参考源不准造成的滞后 2. 按一定时间片段归类，送入下一步拜占庭法则过滤 拜占庭法则 1. 得到数据，参照回馈频率，计算标准点时间 2. 将众多的标准点时间作为候选 3. 通过拜占庭法则，淘汰失准的数据 4. 要求准确数据占 2/3

  29. 4.2.1 数据过滤

  30. 4.2.2 数据拟合 按线性回归方式处理： 检验与舍弃：

  31. 4.2.3 频率预测 马尔可夫链方式 N-2 State N-1 State N State

  32. 4.2.4 频率补偿 • 不进行频繁的时钟校正 • 计算相对偏移率 • 维护虚拟的时间 • 按照时间和本地时钟的频率偏移，进行补偿 • 一定时间更新频率相对偏移率

  33. 4.2 算法体系内容

  34. 4.2 算法体系内容 • 数据过滤（特征过滤和拜占庭法则） • 数据拟合（线性回归分析，伽玛判据） • 频率预测（马尔可夫链原则） • 频率分析（按照伽玛判据判断） • 时钟校正判定（偏移抖动程度） • 得出数据回馈以供过滤（频率的学习回馈）

  35. 4.3 算法效果 • 横坐标为60小时采集的数据 • 纵坐标单位最后一幅为ms，其余为ppm

  36. 5. 结论 • 验证了本算法设计的可行性，到达了预期技术指标 • 引入理论误差，例如高斯白噪声，算法稳定性良好 • 系统误差，包括了上下文切换的线程开销，串口中断以及不稳定的随机噪声 • 受计算机本身的精度读取的限制，该方案也存在瓶颈 • 给网络时钟同步领域提供参考

  37. 答辩陈述阶段结束 十分感谢各位老师的莅临指导，敬请老师们提问，不吝赐教！ 致 谢 • 首先感谢赵英老师的指导，本课题是赵老师指导下完成的，在此课题的实施过程中赵老师提出了许多宝贵的建议，正确引导课题的方向，使得该课题得以顺利完成。 • 感谢王艳青，黄玖梅，王雪晶，师雪霖，张应实及其他网络中心的老师在生活上对我的关注和给我的帮助。 • 感谢我的亲密战友尤国华师兄和岳野同学。

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