网络时间同步的不确定度评定研究

赵科佳， 张爱敏

（中国计量科学研究院，北京 100013）

网络时间同步的不确定度评定研究

赵科佳， 张爱敏

（中国计量科学研究院，北京 100013）

为了评定网络时间同步的不确定度，基于中国计量科学研究院的网络时间服务系统，以时间综合测量仪TimeAcc-007为时差测量仪器，在局域网环境下设计并进行网络时间同步实验。分析了客户端和服务器端同步实验测量的时差数据，建立了网络时间同步的时差不确定度数学模型，分析并评定了测量结果重复性、服务器参考源、服务器时间戳、客户端时间戳及网络往返路径时延等不确定度分量。结合不确定度分析结果，提出了改善网络授时精度的相关算法。

计量学；网络时间同步；网络时间协议；不确定度

1 引 言

基于网络时间协议（NTP）的网络授时由于其组建简单、经济、实用和授时精度高等特点，在许多具有高时间约束需求的领域内得到广泛应用。从David L Mills设计之初到现在，NTP协议一直在改进，其所实现的授时精度已能达到局域网优于10 ms、广域网优于100 ms。目前，国内外许多学者对提高NTP授时精度的方法研究较多［1～12］，而对于整套网络时间服务系统的不确定度评定研究却几乎没有。对于工程上应用如此广泛的技术参数，即使提出再高的技术精度而没有相关的不确定度评定指标显然是没有意义的。因此，对于网络时间服务系统的不确定度评定研究就显得尤为重要且紧迫。本文基于时间综合测量仪所做的共钟测量实验，设计了网络时间服务系统的不确定度评定方法，评定了测量结果的不确定度。

2 网络时间同步工作原理

2.1 网络时间协议的基本原理

网络时间协议的基本原理如图1所示，客户方A向服务器方B请求时间同步服务，A生成并经由网络发送时间戳信息包给B，B接收并重新生成时间戳信息包经由网络返回给A。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回复信息包时间，T4为A收到信息包时间，δ1为请求信息包在网络路径中消耗的时间，δ2为回复信息包在网络路径中消耗的时间，θ为A与B之间的时差值。

图1 网络时间协议基本原理

假设δ为网络传输的往返总时延，则有

如果往返网络路径对称，即δ1＝δ2，则由式（1）可得

2.2 网络时间服务系统的构成

中国计量科学研究院（NIM）的网络时间服务系统主要由网络时间服务器和参考时钟源构成，并以IP地址220.231.55.106接入Internet［13］。网络时间服务器的参考时钟源由国家时间频率基准原子时标输出的10 MHz频率信号和1 PPS（Pulse Per Second）信号提供，GPS信号作为冗余参考时钟源。客户端设备通过运行时间同步软件NIMTime访问中国计量科学研究院的网络时间服务系统校准本机时间。整个网络时间服务系统工作原理如图2所示。

3 时间同步实验

根据网络时间协议的原理可知，影响时间同步结果的不确定度分量主要由4个时间戳的生成和网络往返时延不对称引入。为了能够科学合理地评估不确定度分量，本文设计了3组时间同步实验：NTP服务器与PC机同步实验，PC机与时间综合测量仪同步实验，NTP服务器与时间综合测量仪同步实验。实验中，时间综合测量仪为TimeAcc-007，其硬件时间戳测量精度优于70 ns；网络环境选用最简单的局域网直连方式，以消除网络往返路径时差引入的不确定度；NTP服务器和TimeAcc-007的时间参考源都选用GSP信号，以实现共钟或准共钟测试，消除时间参考源引入的不确定度。

图2 网络时间服务系统工作原理

3.1 实验A：NTP服务器与PC机同步

NTP服务器与PC机由以太网线直接连接，GPS信号作为NTP服务器的时间参考源，如图3所示。PC机运行时间同步软件NIMTime同步本机时间。实验A用于模拟在局域网环境下客户端与时间服务器实现时间同步的过程，网络时间同步的不确定度数学模型也是基于此同步过程而建立。

图3 NTP服务器与PC机同步实验

3.2 实验B：PC机与时间综合测量仪同步

PC机与TimeAcc-007由以太网线直接连接，GPS信号作为TimeAcc-007的时间参考源，如图4所示。PC机运行时间同步软件NIMTime，将PC机设置为时间服务器模式。TimeAcc-007测量并记录两者间的时差值。实验B用于测量经同步后的客户端时间与标准时间的时差，其具体实现原理就是将客户端设置为网络时间服务器模式，TimeAcc-007作为被同步客户端，由TimeAcc-007向被测客户端发送NTP同步信息包，被测客户端以网络时间服务器的模式相应地返回包含本机时间戳的信息包，最终TimeAcc-007由4个时间戳解算出两者时差值。由于TimeAcc-007的时间戳精度远优于客户端，所以可以用实验B的方法测量客户端经网络时间同步后其时间与标准时间的时差。

图4 PC机与时间综合测量仪同步实验

3.3 实验C：NTP服务器与时间综合测量仪同步

NTP服务器与TimeAcc-007由以太网线直接连接，GPS信号作为NTP服务器和TimeAcc-007的时间参考源，如图5所示。TimeAcc-007测量并记录两者间的时差值。实验C用于测量时间服务器生成的时间戳与标准时间的时差，其原理主要是利用准共钟和高时间戳精度来实现。NTP服务器和TimeAcc-007的参考时钟源都采用GPS信号，从而使两者实现了准共钟测量结构，时钟源引入的不确定度分量就可以忽略。同时，TimeAcc-007的时间戳精度要远优于NTP服务器的时间戳精度，所以可以用实验C的方法测量NTP服务器生成的时间戳与标准时间的时差。

图5 NTP服务器与时间综合测量仪同步实验

4 实验数据分析

4.1 客户端时差数据分析

在相同条件下，将实验A和实验B轮流重复操作20次，实验A和实验B先后操作各一次为一轮，读取TimeAcc-007记录的时差数据进行分析。图6为某一轮同步实验中TimeAcc-007得到的时差数据结果，横轴为测量时长t，间隔为1 s，纵轴为时差值θ，单位为ms。图中曲线为TimeAcc-007与PC机间的时差测量值，点状直线为时差平均值。NTP服务器和TimeAcc-007的时间戳为硬件时间戳，PC机的时间戳为软件时间戳，NTP服务器和TimeAcc-007的时间戳精度至少高于PC机时间戳精度10倍以上，则NTP服务器和TimeAcc-007的时间戳引入的不确定度可以忽略。根据实验条件可知，实验A和实验B中的时间参考源均为GPS信号，NTP服务器和TimeAcc-007构成准共钟条件，则两者的时间参考源引入的不确定度可以忽略。另外，同步实验的网络环境为以太网线直连，网络路径对称性为最佳，则信息包往返路径时延引入的不确定度可以忽略。综上可知，图6中的抖动曲线主要表征了PC机在同步实验中引入的不确定度，其均值可以认为是一次同步实验后PC机与标准时刻间的时差，这主要由PC机生成时间戳的误差引入。

图6 PC机时差数据

4.2 NTP服务器时差数据分析

图7 NTP服务器时差数据

图7为实验C中TimeAcc-007记录的时差测量数据，横轴为测量时长t，间隔为1 s，纵轴为时差值θ，单位为ms。图中曲线为TimeAcc-007与NTP服务器间的时差测量值，点状直线为时差平均值。根据指标手册可知，NTP服务器时间戳精度为微秒级，TimeAcc-007时间戳精度优于70 ns，则TimeAcc-007时间戳引入的不确定度可以忽略，且实验中两者构成准共钟条件，则时间参考源引入的不确定度可以忽略。另外，网络环境仍为以太网线直连，则信息包往返路径时延引入的不确定度可以忽略。综上可知，图7中的抖动曲线主要表征了NTP服务器在同步实验中引入的不确定度，其均值可以认为是NTP服务器与标准时间的时差，这主要由NTP服务器生成时间戳的误差引入。

5 测量不确定度评定

5.1 数学模型

根据NTP协议的基本原理和网络时间服务系统的工作机制可知，影响时差测量结果的不确定度分量包括测量结果的重复性、NTP服务器的时间参考源、NTP服务器生成时间戳、客户端生成时间戳、网络往返路径时延，则时差数学模型如式（3）所示。

式中，θ为客户端同步后与标准时间的时差，θ0是客户端同步后应用实验B方法测得的时差值，δtref是时间参考源引入的误差，δtserver是NTP服务器生成时间戳引入的误差，δtclient是客户端生成时间戳引入的误差，δtnet是网络往返路径时延引入的误差。

5.2 不确定度分量的评定

5.2.1 测量结果的重复性

计算实验A和实验B的20组测量结果，分别平均TimeAcc-007测得的每组数据，得到如图6中点状直线所示的时差值，再计算20个时差值的平均值和标准偏差，分别为0.4 ms和1.2 ms，则测量结果的重复性引入的标准不确定度uθ0为1.2 ms。

5.2.2 NTP服务器的时间参考源

以实验A为例，NTP服务器的时间参考源为GPS信号，其时刻值的不确定度为ns量级，则NTP服务器的时间参考源引入的标准不确定度分量uref可以忽略不计。

5.2.3 NTP服务器生成时间戳

NTP服务器生成硬件时间戳的同时会引入一定的时刻值误差，由以上对实验C的数据分析可知，均值17.5μs的时差值主要为NTP服务器生成时间戳引入，其可以作为系统误差在式（2）中对时差测量结果进行修正，但与时差测量结果相比由于量级太小可以忽略。计算实验C测量结果的标准偏差为1.1μs，可作为NTP服务器生成时间戳引入的标准不确定度分量userver，由于其量级太小可以忽略。

5.2.4 客户端生成时间戳

计算实验B测量结果的标准偏差为2.5 ms，由以上对实验B的数据分析可知，其可以作为客户端生成时间戳引入的标准不确定度分量uclient。

5.2.5 网络往返路径时延

由实验A、B、C条件可知，网络环境为以太网网线直连。为测量往返路径不对称引入的误差，将NTP服务器和TimeAcc-007用网线直连，以GPS信号作为两者的参考时钟进行准共钟测量实验，分别测量信息包往程和返程路径的时延，并计算两者的时差作为往返路径不对称引入的误差，再取标准偏差得到不确定度分量的结果。500组数据标准偏差约为23μs，比测量重复性不确定度分量结果小近一个数量级，则网络往返路径时延的标准不确定度分量unet可以忽略。

综上，时间同步过程中各不确定度分量的标准不确定度汇总信息如表1所示。

表1 标准不确定度分量汇总表

5.3 不确定度评定结果

假定各标准不确定度分量间不相关，则可按式（4）合成标准不确定度。标准不确定度计算结果为2.8 ms。

设扩展因子k＝2，扩展不确定度U＝kuc＝5.6 ms。则最终测量结果可以表达为：θ＝（0.4± 5.6）ms，k＝2。

6 结 论

为了减小网络不确定因素的影响，本文采用了网线直连的实验方式来评定不确定度分量。在普通局域网条件下，简单的网络环境能够保证较好的网络往返路径时延对称性，其时间同步结果的不确定度可以优于10 ms。在非拥堵状态的广域网条件下，网络路径动态延迟均值在40 ms以内，且在瓶颈延迟中占的统计比例很小［14，15］，则其时间同步结果的不确定度可以优于100 ms。

在本文实验条件下，客户端软件时间戳引入的不确定度分量是所有不确定度分量中量值最大的，利用均值算法可以有效降低其影响，但由于需要累积一定量的数据和剔除粗大误差，所以是以牺牲系统时间和资源为代价的。在广域网条件下，利用卡尔曼滤波算法可以有效提高时延估计的准确度，从而可以降低网络路径时延引入的不确定度，但同样也是建立在需要累积计算数据的前提条件下的。

［1］ M ills D L.Network Time Protocol（version 3）Specification，Implementation and Analysis［R］. Network Working Group Report RFC-1305，University of Delaware，1992.

［2］ Lindsay W C，Kantak A V.Network synchronization of random signals［J］.IEEETransCommunications，1980，28（8）：1260－1266.

［3］ Mills D L.Internet Time Synchronization：the Network Time Protocol［J］.IEEETransCommunications，1991，39（10）：1482－1493.

［4］ 李明国，宋海娜，胡卫东.Internet网络时间协议原理与实现［J］.计算机工程，2002，28（2）：275－277.

［5］ 樊国丽，赵尚弘，朱蕊苹，等.基于NTP的网络中心战时间同步技术研究［J］.光电与控制，2006，13（4）：28－30.

［6］ 袁海波，李孝辉，柯熙政.互联网上计算机时间传递系统设计方案及实验结果分析［J］.宇航计测技术，2000，20（5）：2－8.

［7］ 柯熙政，和康元，袁海波.计算机网络时间传递和频率测量服务系统［J］.宇航计测技术，1999，19（4）：1－5.

［8］ 李德河.网络时延对网上高时间约束业务影响的讨论［J］.时间频率学报，2003，26（2）：126－135.

［9］ 李德河.精确计算网络时延的一种方法的讨论［J］.计算机工程与应用.2007，43（13）：156－158.

［10］ 王晓华，张磊，田畅.一种改进型NTP协议设计与仿真［J］.计算机工程与应用.2007，43（29）：116－118.

［11］ 赵斌，贺鹏.网络时间同步算法中时钟精度优化设计与实现［J］.三峡大学学报.2008，30（2）：73－76.

［12］ 刑开亮，尹义蓉，黄永华，等.提高网络授时精度的Kalman滤波方法［J］.仪器仪表学报.2011，32（4）：949－954.

［13］ 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.

［14］ 张琪，李兴华，姜华.面向不同运营商的网络时延性能分析［J］.铁路计算机应用.2012，21（3）：42－45.

［15］ 毕经平，吴起，李忠诚.Internet延迟瓶颈的测量与分析［J］.计算机学报.2003，26（4）：406－416.

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

赵科佳（1978－），男，河南郑州人，中国计量科学研究院助理研究员，主要从事时间频率计量的相关研究。zhaokj＠nim.ac.cn