CN1484410A - 一种互联网端到端时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互联网络性能测量与评价，提出一种互联网端到端时钟同步方法，端系统间不需要额外的时钟源，即可实现系统时钟的相对同步。通过在端系统间定期发送单向探测数据包，分析未同步情况下端到端单向时延变化特性，判定端系统时钟相对与参考时钟所发生的时钟跳变与频率偏差等相对时钟动态性。在消除时钟动态性所造成的误差后，实现端系统之间相对同步。该方法可以实现一对端系统间的同步，也易于实现一组系统中多个端系统相对于其中指定系统的同步。相对的时钟同步不改变系统实际的时钟值，不对系统当前所运行的应用产生任何影响。其精确度主要依赖于进行同步的端系统时钟的精确度。

Description

一种互联网端到端时钟同步方法

技术领域

本发明涉及互联网络性能测量与评价的技术领域，特别是一种互联网端到端(End-to-End)时钟同步方法，尤其是涉及无外部时钟同步机制下的端系统时钟同步方法。

背景技术

当前Internet上承载了越来越多的重要应用，网络结构也日益复杂。对网络性能的测量是对整个网络行为特性进行深入了解、分析发现网络性能瓶颈、优化网络资源配置、加强网络管理、提升网络性能的重要手段。端到端网络性能指标的测量，特别是单向性能指标如单向时延指标，单向网络带宽，时延变化指标等的测量已经成为网络性能指标测量的重要方面。

进行端到端单向性能指标测量的一个重要前提条件是要求端系统间时钟必须保持同步。目前所广泛采用的时钟同步方法主要有：采用全球定位系统(Global Positioning System GPS)和网络时间协议(NetworkTime Protocol NTP)二种方式。前者可以达到数十到数百纳秒级的精确度，但这种方式需要端系统额外安装GPS接收器，同时端系统的部署环境位置也因GPS的工作机制而受到限制。而采用网络时间协议实现端系统的同步时，其同步的精确度只能达到毫秒级，显然对于高速网络性能测量，这种同步准确度远不能满足要求。

发明内容

本发明基于对端系统时钟的建模，设计了一种无需外部时钟同步机制即可实现端系统间时钟的相对同步方法。其参考时钟可以是一对端系统中的任何一个。

本发明的目的在于提供一种互联网端到端时钟同步方法。

技术方案如下：

一种互联网环境下端系统间同步方法，其特征在于，端系统间不需要额外的时钟源，即可实现系统时钟的相对同步。

实现端系统在无外部参考时钟情况下的相对同步，必须检测出一对端系统中的一个时钟相对另一时钟即参考时钟的变化特性。这种相对变化主要体现在三个方面：(1)时钟刻度的瞬时跳变；(2)时钟频率相对于参考时钟频率的变化；(3)端系统间时钟频率的偏差。尽管在实际运行过程中，参考时钟也会出现刻度瞬间变化和时钟频率发生变化的情况，我们可以将这种变化效应折算到对端系统时钟上，从而可以假设参考时钟是稳定的。

定义1：端系统的时钟C定义为在有限点不连续的分段函数。C(t)为时钟C在真实时刻t时的刻度值(t通常取协调世界时即UTC时间)。因此，在UTC时间间隔T内，C(t)可以描述为：

$C\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}^i\left(t\right),t_{\underset{\&OverBar;}{i}}\&le;t<\stackrel{\&OverBar;}{t_i},0\&le;t\&le;T---\left(1\right)$

令探测数据包源端系统时钟为C_s，目标端系统时钟为C_r。在本发明中，均以发送方时钟C_s作为参考时钟，实现C_r相对于C_s的同步。端系统间时钟的动态变化定义为相对时钟变化C_sr：

$C_{\mathrm{sr}}\left(t\right)=C_r\left(t\right)-C_s\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{sr}}^j\left(t\right),t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t<{\stackrel{\&OverBar;}{t}}_j,0\&le;t\&le;T---\left(2\right)$

定义2：定义时钟C的频率为 $F\left(t\right)=\frac{\mathrm{dC}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$ 频率漂移 $D\left(t\right)=\frac{d^{2}C\left(t\right)}{d{t}^2}.$ 根据大量的实验观察与时钟工作机制的分析表明：时钟频率漂移D(t)＝0，且时钟频率F(t)可由式(3)的分段函数来表示：

$F\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}^i,t_{\underset{\&OverBar;}{i}}\&le;t<\stackrel{\&OverBar;}{t_i},0\&le;t\&le;T---\left(3\right)$

其中：fⁱ为常数。

定义3：时钟C_r相对于C_s的偏移a定义为α＝F_r(t)/F_s(t)。因为以C_s为参考时钟，令F_s(t)＝1，可得：对端系统间的时钟变化C_sr立如下分段线性模型：

$C_{\mathrm{sr}}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(a^j-1)(t-t_{\underset{\&OverBar;}{j}})+{\mathrm{\&beta;}}^j],t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t<\stackrel{\&OverBar;}{t_j},0\&le;t\&le;T---\left(4\right)$

其中：a^j＝f_r ^j/f_s ^j为时钟频率在t _j ≤t＜ t_j间比值，β^j为在时刻t _j 时钟C_r相对于C_s的偏移量。

由式(4)，要实现端系统间的时钟同步，只要确定相对时钟变化C_sr中的相关参数a＝{a¹，α²，…，a^k}，β＝{β¹，β²，…，β^k}即可。本发明的主要工作步骤如下：

(1)在端系统间周期发送单向等长探测数据包序列{p(1)，p(2)，…，p(n)}，测量端系统间未同步情况下端到端单向延迟序列RD＝{rd(1)，rd(2)，…，rd(n)}。设p(i)，1≤i≤n的发送时间以C_s度量为t_s(i)，该数据包到达目标端系统的时间以C_r度量记为t_r(i)，则rd(i)＝t_r(i)-t_s(i)；

(2)目标端系统根据延迟序列RD及探测数据包发送时间序列T_s＝{t_s(1)，t_s(2)，…，t_s(n)}，按式(5)构造时间序列TS，对具有n＝|TS|个元素的TS作n次随机置换，产生其伴随序列TS′，

通过TCP/UDP封装探测数据包，测量端系统间未同步时的单向延迟，构造单向延迟时间序列：

TS＝{( t_s(1)， rd(1))，( t_s(2)， rd(2))，…，( t_s(n)， rd(n))}   (5)其中： t_s(i)＝t_s(i)-t_s(1)， rd(i)＝t_r(i)-t_s(i)-[t_r(1)-t_s(1)]，t_r(i)，t_s(i)分别为第i个探测数数据包接收与发送时刻；

根据延迟序列TS构造其伴随序列TS′，构造方法为对TS进行n次的随机置换；

(3)对TS，TS′分别按典型Top-Down算法进行分段，分段数k从2逐渐递增，按式(6)分别计算最优分段误差E(TS，k)，E(TS′，k)，当E(TS，k)≤E(TS′，k)时停止进行分段，并令k＝k-1，

上式中e_i为第i分段的误差，计算方法如下：

$e_i=\underset{j=a_i}{\overset{b_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\stackrel{\&OverBar;}{r}d\left(j\right)-\mathrm{MEL}\left(j\right|i)]----\left(7\right)$

第i分段的最小期望线MEL(x|i)定义为：MEL(x|i)＝σ_iχ+μ_i且满足条件：

式(7)，(8)中(a_i，b_i)，a_i＜b_i分别为第i分段的二个边界；

(4)根据步骤(3)，可以得到对TS的最优分段，其中段i中的最小分段期望线MEL(x|i)中的参数(σ_i，μ_i，)1≤i≤与(αⁱ，βⁱ)，1≤j≤k具有以下关系：

a_i为步骤(3)所计算得到的第i段下边界；

(5)目标端系统根据计算的α，β值，对C_r进行修正，实现与参考时钟C_s的同步，

计算方法如下：

$C_r^{\&prime;}\left(t\right)=C_r\left(t\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(a^j-1)(t-t_{\underset{\&OverBar;}{j}})+{\mathrm{\&beta;}}^j],0\&le;t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t\&le;T---\left(10\right)$

C＇_r(t)为相对同步后的时钟。

附图说明

下面结合说明书附图进一步说明本发明。

图1是本发明中发送主动探测数据包的格式示意图。

图2为所测量的端系统间时钟未同步情况下的单向延迟时间序列ST。

图3是本发明所测量出的相对时钟变化C_sr(发送第一个探测包时刻为0)

图4是利用所测量的单向延迟序列和C_sr所计算的相对单向延迟波动，它反映的网络在测量期内端到端延时的变化情况。

具体实施方式

在工作步骤(1)中，端系统间主动发送探测数据包的类型可以采用传输控制协议(Transmission Control Protocol TCP)或用户数据报协议(User Datagram Protocol UDP)进行封装，其格式如图1所示。包序号用来对发送的数据包进行编号，发送方端系统在发送数据包前读取本地时钟，填写至本地时钟域中，填充字节用来将数据包填充至指定长度，其内容无意义。

接收方端系统在接收完数据包后，立即取出本地时间，进行单向延迟计算，构造ST时间序列。

现以网络性能测量中一项重要性能指标单向延时性能测量为例，说明端系统进行相对同步的方法。

图2为一对端系统间以1秒为间隔进行单向延迟测量所获得的时序图。从图中可见，端系统间的时钟频率与时钟值存在多次的调整。将该时序图进行聚类分段后，计算得到相对时钟变化C_sr如图3所示。

在接收端系统中消除C_sr的影响后，可以实现与参考时钟C_s的相对同步。图4为进行相对同步后，所测量到的单向延延变化。

本发明的互联网端到端时钟同步方法，建立了端系统时钟运行模型与系统间相对时钟动态效应模型。通过在端系统间定期发送单向探测数据包，分析未同步情况下端到端单向时延变化特性，判定端系统时钟相对与参考时钟所发生的时钟跳变与频率偏差等相对时钟动态性。在消除时钟动态性所造成的误差后，实现端系统之间相对同步。该方法可以实现一对端系统间的同步，也易于实现一组系统中多个端系统相对于其中指定系统的同步。相对的时钟同步不改变系统实际的时钟值，不对系统当前所运行的应用产生任何影响。其精确度主要依赖于进行同步的端系统时钟的精确度。

Claims (9)

1.一种互联网环境下端系统间同步方法，其特征在于，端系统间不需要额外的时钟源，即可实现系统时钟的相对同步。

2.根据权利要求1所述的端系统间同步方法，其特征在于，对端系统间的时钟变化C_sr建立如下分段线性模型：

$C_{\mathrm{sr}}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(a^j-1)(t-t_{\underset{\&OverBar;}{j}})+{\mathrm{\&beta;}}^j],t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t\&le;\stackrel{\&OverBar;}{t_j},0\&le;t\&le;T---\left(4\right)$

其中：a^j＝f_r ^j/f_s ^j为时钟频率在t _j ≤t＜ t_j间比值，β^j为在时刻t _j 时钟C_r相对于C_s的偏移量。

3.根据权利要求1所述的端系统间同步方法，其特征在于，通过TCP/UDP封装探测数据包，测量端系统间未同步时的单向延迟，构造单向延迟时间序列：

        TS＝{( t_s(1)， rd(1))，( t_s(2)， rd(2))，…，( t_s(n)， rd(n))}    (5)

其中： t_s(i)＝t_s(i)-t_s(1)， rd(i)＝t_r(i)-r_s(i)-[t_r(1)-t_s(1)]，t_r(i)，t_s(i)分别为第i个探测数数据包接收与发送时刻。

4.根据权利要求3所述的端系统间同步方法，其特征在于，根据延迟序列TS构造其伴随序列TS′，构造方法为对TS进行n次的随机置换。

5.根据权利要求3所述的端系统间同步方法，其特征在于，将时间序列TS进行聚类分段，每一段的误差e_i表示为如下表达式：

$e_i=\underset{j=a_i}{\overset{b_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\stackrel{\&OverBar;}{r}d\left(j\right)-\mathrm{MEL}\left(j\right|i)]---\left(7\right)$

第i分段的最小期望线MEL(x|i)定义为：MEL(x|i)＝σ_ix+μ_i且满足条件：

式(7)，(8)中(a_i，b_i)，a_i＜b_i分别为第i分段的二个边界。

6.根据权利要求4和5所述的端系统间同步方法，其特征在于，利用伴随序列TS′来确定在测量期内端系统间时钟行为发生变化的次数，当按式(6)计算E(TS，k)≤E(TS′，k)时，停止进行分段，并且分段数为k-1，k≥2即为端系统间时钟行为发生变化的次数，

7.根据权利要求5和6所述的端系统间同步方法，其特征在于，目标端系统可按式(9)计算相对时钟每段的偏移和相对偏移量，并根据式(10)实现与参考时钟C_s的相对同步：

$C_r^{\&prime;}\left(t\right)=C_r\left(t\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(a^j-1)(t-t_{\underset{\&OverBar;}{j}})+{\mathrm{\&beta;}}^j],0\&le;t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t\&le;T---\left(10\right)$

8.根据权利要求7所述的端系统间同步方法，其特征在于，可以实现多个端系统与其中任一指定系统实现相对同步。

9.一种互联网端到端时钟同步方法，其步骤如下：

(1)在端系统间周期发送单向等长探测数据包序列{p(1)，p(2)，…，p(n)}，测量端系统间未同步情况下端到端单向延迟序列RD＝{rd(1)，rd(2)，…，rd(n)}，设p(i)，1≤i≤n的发送时间以C_s度量为t_s(i)，该数据包到达目标端系统的时间以C_r度量记为t_r(i)，则rd(i)＝t_r(i)-t_s(i)；

(2)目标端系统根据延迟序列RD及探测数据包发送时间序列T_s＝{t_s(1)，t_s(2)，…，t_s(n)}，按式(5)构造时间序列TS，对具有n＝|TS|个元素的TS作n次随机置换，产生其伴随序列TS′，

通过TCP/UDP封装探测数据包，测量端系统间未同步时的单向延迟，构造单向延迟时间序列：

TS＝{( t_s(1)， rd(1))，( t_s(2)， rd(2))，…，( t_s(n)， rd(n))}   (5)

其中： t_s(i)＝t_s(i)-t_s(1)， rd(i)＝t_r(i)-t_s(i)-[t_r(1)-t_s(1)]，t_r(i)t_s(i)分别为第i个探测数数据包接收与发送时刻；

根据延迟序列TS构造其伴随序列TS′，构造方法为对TS进行n次的随机置换；

(3)对TS，TS′分别按典型Top-Down算法进行分段，分段数k从2逐渐递增，按式(6)分别计算最优分段误差E(TS，k)，E(TS′，k)，当E(TS，k)≤E(TS′，k)时停止进行分段，并令k＝k-1，

上式中e_i为第i分段的误差，计算方法如下：

$e_i=\underset{j=a_i}{\overset{b_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\stackrel{\&OverBar;}{r}d\left(j\right)-\mathrm{MEL}\left(j\right|i)]----\left(7\right)$

第i分段的最小期望线MEL(x|i)定义为：MEL(x|i)＝σ_iχ+μ_i且满足条件：

式(7)，(8)中(a_i，b_i)，a_i＜b_i分别为第i分段的二个边界；

(4)根据步骤(3)，可以得到对TS的最优分段，其中段i中的最小分段期望线MEL(x|i)中的参数(σ_i，μ_i)，1≤i≤k与(αⁱ，βⁱ)1≤j≤k具有以下关系：

a_i为步骤(3)所计算得到的第i段下边界；

(5)目标端系统根据计算的α，β值，对C_r进行修正，实现与参考时钟C_s的同步，

计算方法如下：

$C_r^{\&prime;}\left(t\right)=C_r\left(t\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(a^j-1)(t-t_{\underset{\&OverBar;}{j}})+{\mathrm{\&beta;}}^j],0\&le;t_{\underset{\&OverBar;}{j}}\&le;t\&le;T---\left(10\right)$

C＇_r(t)为相对同步后的时钟。

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