1、第六章第六章 网络端到端性能测量网络端到端性能测量2 2 26.1 概述概述n两个工作组：两个工作组：IETF的基准测试方法学工作组的基准测试方法学工作组(Benchmarking Methodology Working Group，BMWG)nBMWG主要关注在实验室环境下测试主要关注在实验室环境下测试IP性能，主要目标是对各种网络性能，主要目标是对各种网络互联技术性能特征的互联技术性能特征的测量方法测量方法给出建议，进而集中在基于这些技术的系给出建议，进而集中在基于这些技术的系统和服务上。统和服务上。IP性能度量指标工作组性能度量指标工作组(IP Performance Metric，IP
2、PM)nIPPM工作组定义了一套用来定量表征互联网数据传送业务的质量、性工作组定义了一套用来定量表征互联网数据传送业务的质量、性能和可靠性的能和可靠性的一组标准度量一组标准度量。在其公布的。在其公布的RFC中给出了指标的定义、中给出了指标的定义、测量过程和结果描述方法。测量过程和结果描述方法。3测量指标定义必须遵守以下标准：测量指标定义必须遵守以下标准：（RFC2330）n(1)测量指标必须是测量指标必须是具体和严格定义的具体和严格定义的；n(2)对该指标的测量方法必须是对该指标的测量方法必须是可重复的可重复的；n(3)测量指标必须是测量指标必须是无偏的无偏的；n(4)测量指标必须测量指标必须
3、具有区分性具有区分性；n(5)测量指标对用户和网络运营商了解网络性能必须是测量指标对用户和网络运营商了解网络性能必须是有用的有用的；n(6)测量指标必须是测量指标必须是能避免人为影响的能避免人为影响的性能指标。性能指标。34IPPM定义和正在定义的指标：定义和正在定义的指标：n(1)连通性连通性(Connectivity，RFC2678)n(2)单向时延单向时延(one-way delay，RFC2679)n(3)往返时延往返时延(round-trip delay，RFC2681)n(4)时延抖动时延抖动(delay variation，RFC3393)n(5)单向丢弃率单向丢弃率(one-w
4、ay loss，RFC2680)n(6)双向丢弃率双向丢弃率(round-trip loss)n(7)丢弃模式丢弃模式(loss patterns，RFC3357)n(8)数据包乱序数据包乱序(packet reordering，RFC4737)n(9)单向数据包复制单向数据包复制(one-way packet duplication，RFC 5560,n 2009.05,Standards Track，将会标准化的草案，将会标准化的草案)n(10)批量传输容量批量传输容量(bulk transfer capacity，RFC3148)n45n时延、带宽、丢包率时延、带宽、丢包率是最基本的三大
5、指标。是最基本的三大指标。566.2 端到端时延测量端到端时延测量n意义：意义：评估网络服务质量（评估网络服务质量（QoS）研究有效的拥塞控制机制研究有效的拥塞控制机制对于时延敏感型业务，如流媒体应用，可作为播放（对于时延敏感型业务，如流媒体应用，可作为播放（Playout）控）控制、接入控制的依据制、接入控制的依据作为度量网络路径性能的指标（作为度量网络路径性能的指标（Metric），用以进行路由优化和），用以进行路由优化和路由动态更新路由动态更新网络优化的依据网络优化的依据,据其制定负载均衡策略，同时能给新的网络应用据其制定负载均衡策略，同时能给新的网络应用，如，如CDNCDN（Conte
6、ntion Distribution NetworkContention Distribution Network）提供支持）提供支持67CDNnCDN技术是近年来在美国首先兴起并迅速发展起来的一种技术是近年来在美国首先兴起并迅速发展起来的一种解决互联网性能不佳问题的有效手段。解决互联网性能不佳问题的有效手段。其基本思路就是其基本思路就是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输的更快、更稳。通过在网络各处瓶颈和环节，使内容传输的更快、更稳。通过在网络各处放置节点服务器所构成的在现有的互联网基础之上的一层放置节点服
7、务器所构成的在现有的互联网基础之上的一层智能虚拟网络，智能虚拟网络，cdn系统能够实时地根据网络流量和各节系统能够实时地根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。信息将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。86.2.1 时延的基本概念时延的基本概念nIETF的的IPPM工作组制订：工作组制订：单向时延（单向时延（One-way Delay，RFC 2679）双向时延（双向时延（Round-trip Delay，RFC2681）IP分组时延变化（分组时延变化（IP Pa
8、cket Delay Variation，RFC3393）896.2.1 时延的基本概念时延的基本概念nRFC2679定义单向时延的测量指标定义单向时延的测量指标“Type-P-One-way-Delay”：对于实数对于实数dT，在，在T时刻从源主机时刻从源主机Src到目的主机到目的主机Dst的的“Type-P-One-way-Delay”为为dT是指是指Src在在T时刻发送时刻发送Type-P分组的第一个比特，而分组的第一个比特，而Dst在在T+dT时刻收到该分组的最后一个比特时刻收到该分组的最后一个比特。nRFC2679定义定义P型分组发送时间序列为泊松过程的单向时延型分组发送时间序列为泊
9、松过程的单向时延“Type-P-One-way-Delay-Poission-Stream”：特指进行多次测量时，测量数据包发送时间序列符合特指进行多次测量时，测量数据包发送时间序列符合Poission过程（过程（也就是说相邻两个测量时刻间隔时间服从指数分布），此时的参数有也就是说相邻两个测量时刻间隔时间服从指数分布），此时的参数有：源、目的地址，测量开始、结束时间，平均到达率。最终得到了：源、目的地址，测量开始、结束时间，平均到达率。最终得到了序列对序列对。9106.2.1 时延的基本概念时延的基本概念n对于得到的测量样本，对于得到的测量样本，RFC2679也定义了几个统计量：也定义了几个统
10、计量：百分数（百分数（Type-P-One-way-Delay-Percentile）中值（中值（Type-P-One-way-Delay-Median）最小值（最小值（Type-P-One-way-Delay-Minimum）逆百分数（逆百分数（Type-P-One-way-Delay-Inverse-Percentile）10116.2.1 时延的基本概念时延的基本概念nRFC2681定义了定义了往返时延往返时延的指标的指标“Type-P-Round-trip-Delay”，测量时间序列是泊松过程指标，测量时间序列是泊松过程指标“Type-P-Round-trip-Delay-Poisso
11、n-Stream”，以及几个统计量：，以及几个统计量：百分数（百分数（Type-P-Round-trip-Delay-Percentile）中值中值(Type-P-Round-trip-Delay-Median)最小值（最小值（Type-P-Round-trip-Delay-Minimum）逆百分数（逆百分数（Type-P-Round-trip-Delay-Inverse-Percentile）。）。11126.2.1 时延的基本概念时延的基本概念nRFC3393定义了对于定义了对于IP电话和视频流等应用的指标电话和视频流等应用的指标单向时单向时延抖动延抖动“Type-P-One-way-ip
12、dv”，该指标中还考虑了时钟之，该指标中还考虑了时钟之间的漂移（间的漂移（drift，时钟偏差的二阶导数），还定义了服从泊松，时钟偏差的二阶导数），还定义了服从泊松分布的测试流单向时延变化指标分布的测试流单向时延变化指标“Type-P-one-way-ipdv-Poisson-stream”，以及几个统计量：，以及几个统计量：概率分布（概率分布（Type-P-One-way-ipdv-percentile）百分数（百分数（Type-P-One-way-ipdv-percentile）逆百分数（逆百分数（Type-P-One-way-ipdv-inverse-percentile）抖动（抖动（T
13、ype-P-One-way-ipdv-jitter）峰峰值（峰峰值（Type-P-One-way-peak-to-peak-ipdv）12136.2.2 时延测量方法时延测量方法n往返时延的测试。往返时延的测试。不需同步，易于实现，常用的方法如不需同步，易于实现，常用的方法如ICMP echo/reply（ping）,TCP SYN/ACK等。等。问题：不对称路径。问题：不对称路径。n直接测量单向时延。直接测量单向时延。问题：测试点往往位于不同的地点，收发主机时钟同步问题。问题：测试点往往位于不同的地点，收发主机时钟同步问题。1314端到端时延端到端时延n传输时延（传输时延（Transmiss
14、ion delay，Tt）指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特至发完该分指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特至发完该分组的最后一个比特所需的时间。主要由连接速度或容量决定。组的最后一个比特所需的时间。主要由连接速度或容量决定。对对于每一个探测包，传输时延被认为是相同的。于每一个探测包，传输时延被认为是相同的。n传播时延（传播时延（Propagation delay，Tg）发送节点在传输链路上发送第一个比特时刻至该比特到达接收节发送节点在传输链路上发送第一个比特时刻至该比特到达接收节点的时间间隔。由电磁波通过通信链路的物理信道的传播时间所点的时间间隔。由电磁波通过通信链路的物
15、理信道的传播时间所决定。决定。1415端到端时延端到端时延n排队时延（排队时延（Queuing delay，Tq）指分组在路由器的缓冲区中，传输或处理前的等待时间，由路由指分组在路由器的缓冲区中，传输或处理前的等待时间，由路由器中的交换结构决定。器中的交换结构决定。n若节点的传输队列在节点的输出端，排队时延若节点的传输队列在节点的输出端，排队时延=T入队列入队列-T传输传输。n若节点的输入端有一个等待队列，排队时延若节点的输入端有一个等待队列，排队时延=T入队列入队列-T处理处理。n处理时延（处理时延（Processing delay，Tp）分组到达一个节点的输入端与该分组到达该节点的输出端之
16、间的分组到达一个节点的输入端与该分组到达该节点的输出端之间的时延，指在交换网络的时延。受每个节点的计算能力和可用的硬时延，指在交换网络的时延。受每个节点的计算能力和可用的硬件的影响。件的影响。1516端到端时延端到端时延1 0 1 1 0 0 1发送器发送器队列队列在链路上产生在链路上产生传播时延传播时延结点结点 B结点结点 A在发送器产生在发送器产生传输时延传输时延在队列中产生在队列中产生排队时延排队时延数据数据从结点从结点 A 向结点向结点 B 发送数据发送数据路径路径在节点产生在节点产生处理时延处理时延17举例：举例：n对于一个对于一个H跳的链路，端到端时延：跳的链路，端到端时延：17H
17、hDqhghphqhttgttttttttdelay1,.,0,0,分组在终端处的排队时延分组在终端处的排队时延分组在源端的传播时延分组在源端的传播时延分组在源端的传输时延分组在源端的传输时延HhHhhqhpHhhHhhtttblvddelay111,00链路长度链路长度信号传播速度信号传播速度分组长度分组长度链路带宽链路带宽处理时延处理时延18 端到端时延n对端到端时延变化影响最大的是排队时延，影响的主要因素有：链路对端到端时延变化影响最大的是排队时延，影响的主要因素有：链路的负荷情况、队列管理机制、缓冲区管理机制、接口处理能力等。的负荷情况、队列管理机制、缓冲区管理机制、接口处理能力等。1
18、1,1,00,1,HhhqqHhhppHhhHhhgtTtTbvdT1,0011HHHHhtphqhhhhhhdld e la yttbvtgpqcqdelaylTTTlTT pgcTTTlTdelayctnnmin19端到端时延实测结果端到端时延实测结果 发送发送200字节长的字节长的1000个数据包，时间间隔是个数据包，时间间隔是200毫秒毫秒,用用UDP协协议，从源主机（西电科大校园网）到目的主机（中国电信数据网）。议，从源主机（西电科大校园网）到目的主机（中国电信数据网）。收发时钟分别采用各自的时钟，由于在源主机和目的主机之间时收发时钟分别采用各自的时钟，由于在源主机和目的主机之间时钟
19、钟不同步不同步（存在频差）的影响，测试的结果有一个线性的趋势。（存在频差）的影响，测试的结果有一个线性的趋势。20端到端时延端到端时延n由于收发时钟不同步，仅仅简单地以分组到达接收主机时刻（由于收发时钟不同步，仅仅简单地以分组到达接收主机时刻（读取接收主机时间）减去分组离开发送主机的时刻（读取接收读取接收主机时间）减去分组离开发送主机的时刻（读取接收主机时间）获得端到端时延，常常误差较大。主机时间）获得端到端时延，常常误差较大。n单向时延测试最主要的问题是单向时延测试最主要的问题是解决两个待测节点之间本地时钟解决两个待测节点之间本地时钟的同步的同步。搬钟搬钟(clock transportat
20、ion)时间同步法时间同步法单向时间同步法单向时间同步法双向时间同步法双向时间同步法21时钟同步方法时钟同步方法n搬钟搬钟(clock transportation)时间同步法时间同步法用一个标准钟作搬钟，首先让系统的标准时钟比对校准这个搬钟用一个标准钟作搬钟，首先让系统的标准时钟比对校准这个搬钟，然后将系统中的其它时钟与搬钟同步比对，实现系统其它时钟，然后将系统中的其它时钟与搬钟同步比对，实现系统其它时钟与系统统一标准时钟同步。与系统统一标准时钟同步。不能实时或近实时作时间同步，现在不能实时或近实时作时间同步，现在很少采用很少采用。n单向时间同步法单向时间同步法主站通过各种途径将同步信息传送
21、给从站，从站根据这些同步信主站通过各种途径将同步信息传送给从站，从站根据这些同步信息采用一定的算法校正到主站的时间和频率上。同步精度大部分息采用一定的算法校正到主站的时间和频率上。同步精度大部分只能达到微秒级别，设备相对简单。只能达到微秒级别，设备相对简单。22双向时间同步法双向时间同步法Step 1：Step 2：ettttttm0s11tttt2eStep 3：t2tt21由环境影响引起的误差传播时间由环境影响引起的误差传播时间 23双向时间同步法双向时间同步法n可以消除共同的传播路径误差，同步精度达到纳秒级，系统设可以消除共同的传播路径误差，同步精度达到纳秒级，系统设备相对于单向时间同步
22、法较复杂，成本较高。备相对于单向时间同步法较复杂，成本较高。n主站的工作量特别大，可靠性差。主站的工作量特别大，可靠性差。“北斗一号北斗一号”导航系统就是导航系统就是采用此方法来实现定时和校频的。采用此方法来实现定时和校频的。24n在已有的单向时延测量实验中，大多数测量均借助于在已有的单向时延测量实验中，大多数测量均借助于GPS接收机接收机或或NTP（Network Time Protocol）协议）协议来实现同来实现同步。步。256.2.3 基于基于GPS授时的时钟同步授时的时钟同步nGPS的全称是的全称是“授时与测距导航系统全球定位系统授时与测距导航系统全球定位系统”（Navigation
23、 System Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS）,是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位而建立的新一代导航与定位系统。空中设施进行高精度导航和定位而建立的新一代导航与定位系统。n具有全球性、全天候、连续的精密三维导航和定位能力，同时具有具有全球性、全天候、连续的精密三维导航和定位能力，同时具有良好的抗干扰性和保密性，在军事和民用方面都得到了很大的应用良好的抗干扰性和保密性，在军事和民用方面都得到了很大的应用，它于，它于1978年开始可行性验证，
24、到年开始可行性验证，到1994年年3月最终建成。月最终建成。n基本原理：卫星不间断的发射自身的星历参数和时间信息，用户接基本原理：卫星不间断的发射自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向及运收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向及运动速度和时间信息。动速度和时间信息。26GPS定位和授时原理定位和授时原理 2442242424233223232322222222222112212121TCzzyyxxTCzzyyxxTCzzyyxxTCzzyyxxuuuuuuuuuuuu4,3,2,1,izyxiii卫星位置：卫星位置：用户位置用户
25、位置：uuuzyx,无线电波速度无线电波速度：C 用户时钟和用户时钟和GPS主时钟标准时间的时差主时钟标准时间的时差：T卫星卫星i上的原子钟和上的原子钟和GPS主时钟标准时间的时差：主时钟标准时间的时差：4,3,2,1ii用户测量得到的与第用户测量得到的与第i个卫星之间的个卫星之间的伪距（时间量）伪距（时间量）：4,3,2,1ii27GPS基本组成：空间部分基本组成：空间部分n21颗工作卫星，颗工作卫星，3颗备用卫星。分布在六个轨道面上（每轨道面颗备用卫星。分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为四颗），轨道倾角为55度。海拔度。海拔20200km。运行周期约为。运行周期约为11小小时时
26、58分。分。nGPS卫星在空间的配置，保障了在地球上的任何地点、任何时卫星在空间的配置，保障了在地球上的任何地点、任何时刻都至少可以观测到刻都至少可以观测到4颗卫星，而且卫星信号的传播和接收不受颗卫星，而且卫星信号的传播和接收不受天气的影响。天气的影响。2829GPS satellitenSatellite TasksReceive and save the ephemeris from control segmentGenerate GPS signal(code and carrier phase)Transmit the GPS signalAccept the control comm
27、and to adjust the satellite statusCommunicationnMain load on boardRadio transceivers,atomic clock(CESIUM and/or RUBIDIUM),computerVarious ancillary(satellite antenna,solar panel,backup batteries,propulsion propulsion system,and etc.)30Satellite categoriesnBlock I(4.5-y life,19781985 launched,decommi
28、ssioned)nBlock II(7.5-y life,only PRN15 active now)nBlock IIA(with mutual communication capability)nBlock IIR(10-y life,communication and inter-satellite tracking)nBlock IIF(15-y life,inertial navigation systems and an augmented signal structure)nBlock III(next generation of GPS satellite,after 2030
29、)31GPS卫星系列的主要技术参数及发射情况卫星系列的主要技术参数及发射情况32GPS基本组成：基本组成：GPS控制部分控制部分n地面控制部分由地面控制部分由1个主控站，个主控站，5个全球监测站和个全球监测站和3个地面注入（个地面注入（控制）站控制）站组成。组成。n监测站（监测站（Monitor Station）将取得的卫星观测数据，包括电离将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。n主控站（主控站（Master Control Station）从各监测站收集跟踪数据从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，
30、然后将结果送到，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控个地面控制站。制站。n地面控制站（地面控制站（Ground Antenna）在每颗卫星运行至上空时，在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。33GPS基本组成：用户设备部分基本组成：用户设备部分n接收接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由接收机硬件一般由主机、天线主机、天线和电源和电源组成。组成。nGPS系统采用系统采用扩频技术
31、扩频技术，GPS采用采用码分多址码分多址来区分各个卫星。来区分各个卫星。nGPS卫星产生两组电码卫星产生两组电码,一组称为一组称为C/A码码(Coarse/Acquisition Code，1.023MHz)；一组称为；一组称为P码码(Procise Code，10.23MHz)，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放
32、给民间使用。34GPS receiver types35GPS Users36GPS的军事应用的军事应用n全时域的自主导航。全时域的自主导航。n各种作战平台的指挥监控。各种作战平台的指挥监控。n精确制导和打击效果评估。精确制导和打击效果评估。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。制导。n未来单兵作战系统保障。未来单兵作战系统保障。在科索沃战争中，美军的在科索沃战争中，美军的F117隐形飞机被击落后，由于飞
33、行员隐形飞机被击落后，由于飞行员携带配备了携带配备了GPS接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军队之前，在队之前，在7小时内找到并救出飞行员。小时内找到并救出飞行员。n军用数字通信网络授时。军用数字通信网络授时。37GPS面临的问题面临的问题nGPS信号的抗干扰能力较弱。在一般情况下，从卫星反馈到地面信号的抗干扰能力较弱。在一般情况下，从卫星反馈到地面的信号很小，如果对方采取各种干扰措施，就会使的信号很小，如果对方采取各种干扰措施，就会使GPS接收机无接收机无法正常工作，从而使其导航定位精度降低或产生误导。法正常工作，从而使其导航定位精度降低或产生
34、误导。在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰装置，结果使干扰装置，结果使美军的美军的GPS制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。其境内。另据报道，俄罗斯目前已经研制成功一种手持式另据报道，俄罗斯目前已经研制成功一种手持式GPS干扰器，可干干扰器，可干扰扰150公里范围内的公里范围内的GPS信号。信号。38GPS面临的问题面临的问题n各国目前都高度重视导航定位系统的发展。各国目前都高度重视导航定位系统的发展。俄罗斯俄罗斯“格鲁纳斯（格鲁纳斯（GLONASS）”系统，系统，24颗，定位
35、精度颗，定位精度10m左右，左右，17颗卫星在轨运行，军民两用。计划颗卫星在轨运行，军民两用。计划2008年全部部署到位年全部部署到位。中欧合作中欧合作“伽利略（伽利略（Galileo）”系统，系统，30颗（其中颗（其中3颗候补），颗候补），3个轨道平面，定位精度小于个轨道平面，定位精度小于1m，主要为民用，计划，主要为民用，计划2008年开通年开通。中国中国“北斗北斗”卫星导航系统卫星导航系统，2000年年10月发射第一颗北斗导航卫月发射第一颗北斗导航卫星，目前星，目前3颗（其中颗（其中1颗备用）。军民两用颗备用）。军民两用。39伽利略卫星效果图伽利略卫星效果图40Some Websiten
36、http:/ Time，AT），其秒长采用原子时秒长，原点规定于其秒长采用原子时秒长，原点规定于1980年年1月月6日日0时与协时与协调世界时（调世界时（Universal Time Coordinated，UTC）时刻一致，）时刻一致，以后采用原子时秒长累计计时。以后采用原子时秒长累计计时。42GPS测时测时n单站测时法单站测时法应用一台应用一台GPS 接收机，在一已知坐标接收机，在一已知坐标(或坐标未知但能收到或坐标未知但能收到4 颗以颗以上卫星上卫星)观测站上进行测时。观测站上进行测时。n共视测时法共视测时法在两个观测站或多个观测站各设一台在两个观测站或多个观测站各设一台GPS 接收机，
37、同步观测同一接收机，同步观测同一颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间比对颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间比对的目的。的目的。n综合法综合法与单站多星测量模式相似，在各站观测所有在视的卫星，同时又与单站多星测量模式相似，在各站观测所有在视的卫星，同时又像共视法同步观测，交换两站数据综合处理。结果与共视法的精像共视法同步观测，交换两站数据综合处理。结果与共视法的精度相当，但提高了可靠性。度相当，但提高了可靠性。43时间同步方法比较时间同步方法比较n从理论上看，双向时间同步法时钟同步精度可以达到纳秒级甚从理论上看，双向时间同步法时钟同步精度可以达到纳秒级甚至亚纳秒
38、级，而单向时间同步法时钟同步精度只能达到微秒级至亚纳秒级，而单向时间同步法时钟同步精度只能达到微秒级。n用用GPS实现的单向时间同步法时钟同步精度经过努力也可以达实现的单向时间同步法时钟同步精度经过努力也可以达到纳秒级，所以双向法和用到纳秒级，所以双向法和用GPS实现的单向法同步精度相当。实现的单向法同步精度相当。44时间同步方法比较时间同步方法比较n在双向时间同步中，常通过微波中继、有线传输以及短波通信在双向时间同步中，常通过微波中继、有线传输以及短波通信等途径来建立通信链路。等途径来建立通信链路。微波通信微波通信受视距限制站间距离较短，采用中继接力可以增加通信受视距限制站间距离较短，采用中
39、继接力可以增加通信距离，但这样设备费用却增加了。距离，但这样设备费用却增加了。有线传输有线传输架设的工程量大，且机动性差。架设的工程量大，且机动性差。短波通信短波通信易受电离层的扰动以致传输的误码率高，且易受到民用易受电离层的扰动以致传输的误码率高，且易受到民用电台的干扰。电台的干扰。主站的原子频标准要求高。主站的原子频标准要求高。n利用利用GPS实现的时间同步系统各同步站只需要价格相对便宜的实现的时间同步系统各同步站只需要价格相对便宜的铷原子频标铷原子频标(频率准确度为量级频率准确度为量级10-11)就可以校正到就可以校正到10-12量级的量级的频率准确度。利用频率准确度。利用GPS的单向时
40、间同步法与双向时间同步法相的单向时间同步法与双向时间同步法相比成本优势非常明显。比成本优势非常明显。45GPS时间同步优点时间同步优点n同步精度相对较高。同步精度相对较高。n不需要发送设备，省去了需自配昂贵的高准确度原子频率基准，不需要发送设备，省去了需自配昂贵的高准确度原子频率基准，成本相对较低。成本相对较低。n可以在任何时间任何地点任何天气情况下都能接受到可以在任何时间任何地点任何天气情况下都能接受到GPS信号。信号。n可靠性较好。可靠性较好。46基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统nGPS接收机不但可以输出时间信息，还可以以一定精度输出代接收机不但可以输出时间信息，还可以以一定精度
41、输出代表表GPS系统时的秒脉冲信号。若地面系统内的所有站都同步于系统时的秒脉冲信号。若地面系统内的所有站都同步于该秒脉冲（该秒脉冲（GPS系统时），则该系统就实现了时间同步。系统时），则该系统就实现了时间同步。n相当于相当于GPS是一个高精度搬运标准原子钟，而且可以全球性全是一个高精度搬运标准原子钟，而且可以全球性全天候全天时地发布时间标准信号进行时间比对同步。天候全天时地发布时间标准信号进行时间比对同步。47基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统n但是但是GPS接收机输出的秒脉冲不能被直接用于实现各站高精度接收机输出的秒脉冲不能被直接用于实现各站高精度同步。同步。GPS接收机的时间标准和
42、接收机的时间标准和GPS卫星的星载原子频标的时间标准不卫星的星载原子频标的时间标准不同，同，GPS卫星信号频率在卫星信号频率在1200MHz 以上，极易被遮挡，有可能造以上，极易被遮挡，有可能造成卫星信号部分或全部失锁。成卫星信号部分或全部失锁。GPS信号要从信号要从20200km的高空传到地球，中间要经过恶劣的大气的高空传到地球，中间要经过恶劣的大气环境的影响，很难建立精确的大气误差模型，同时接收机也存在环境的影响，很难建立精确的大气误差模型，同时接收机也存在系统误差和随机误差，也使得接收机输出的秒脉冲也不可避免地系统误差和随机误差，也使得接收机输出的秒脉冲也不可避免地和和GPS系统时存在误
43、差。系统时存在误差。48基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统49基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统原子钟：原子钟：产生原始频率信号，校正后可以达到更高频率准确度的产生原始频率信号，校正后可以达到更高频率准确度的输出频率。同时产生高精度的秒脉冲信号，经校准后作为同步系输出频率。同时产生高精度的秒脉冲信号，经校准后作为同步系统的输出。统的输出。50基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统GPS接收机：接收机：接收接收GPS信号，产生同信号，产生同GPS系统时有一随机误差的系统时有一随机误差的秒脉冲用于同步系统的定时和校频。和微处理器通信，报告自己秒脉冲用于同步系统的定时和校频。和微
44、处理器通信，报告自己的状态并接受微处理器的控制。的状态并接受微处理器的控制。51基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统时间频率测量：时间频率测量：测量测量GPS接收机输出的秒脉冲和原子钟分频产生接收机输出的秒脉冲和原子钟分频产生的秒脉冲之间的沿差，测量的秒脉冲之间的沿差，测量GPS时钟的原始频率，并把这两个测时钟的原始频率，并把这两个测量数据输出给微处理器进行处理。量数据输出给微处理器进行处理。52基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统微处理器：微处理器：接受测量模块传送的数据，然后对其进行处理并按一接受测量模块传送的数据，然后对其进行处理并按一定的时序送给校正模块；控制整个系统按时序
45、协调工作；对系统定的时序送给校正模块；控制整个系统按时序协调工作；对系统进行自诊断检查，给人机界面模块送出状态信息和报警信息。进行自诊断检查，给人机界面模块送出状态信息和报警信息。53基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统时间和频率校正：时间和频率校正：包括校正秒沿差模块和校频模块，它们分别接包括校正秒沿差模块和校频模块，它们分别接受微处理器送过来的校正数据进行时间和频率的校正。受微处理器送过来的校正数据进行时间和频率的校正。54基于基于GPS的时间同步系统的时间同步系统人机界面：人机界面：显示微处理器给出的状态信息并在系统工作异常时报显示微处理器给出的状态信息并在系统工作异常时报警。警。
46、556.2.4 基于基于NTP的时钟同步方法的时钟同步方法1.NTP的基本原理的基本原理n网络时间协议网络时间协议NTP(Network Time Protocol)用来实现计算机用来实现计算机时钟与国家标准时间同步。时钟与国家标准时间同步。n目前最新版本是目前最新版本是NTP版本版本4,定义于定义于RFC-4330，称为，称为IPv4、IPv6和和OSI的简单网络时间协议的简单网络时间协议(Simple Network Time Protocol，SNTP)版本版本4。n在局域网上其准确度可达在局域网上其准确度可达1-2毫秒，在广域网上可达毫秒，在广域网上可达几十几十毫秒。毫秒。nNTP协议
47、是通过网络实现计算机时钟的同步，最典型的操作模协议是通过网络实现计算机时钟的同步，最典型的操作模式是式是客户客户/服务器服务器(client/server)模式模式。561.NTP的基本原理的基本原理n问题：问题：由于时钟同步是通过网络实现的，而网络传输是需要时间的。这样由于时钟同步是通过网络实现的，而网络传输是需要时间的。这样客户机接收到服务器返回报文中的时间戳，并不能代表服务器当前客户机接收到服务器返回报文中的时间戳，并不能代表服务器当前的准确时间，而是一段时间之前的时间信息，这一段时间就是网络的准确时间，而是一段时间之前的时间信息，这一段时间就是网络传送所花费的时间。因此，要获得准确的当
48、前时间就必须考虑网络传送所花费的时间。因此，要获得准确的当前时间就必须考虑网络延迟造成的影响。延迟造成的影响。571.NTP的基本原理的基本原理nT1是客户机发送请求报文时客户机的时钟读数（是客户机发送请求报文时客户机的时钟读数（Originate Timestamp）nT2是服务器接收到客户机请求报文时服务器的时钟读数（是服务器接收到客户机请求报文时服务器的时钟读数（Receive Timestamp）nT3是服务器返回响应报文时服务器的时钟读数（是服务器返回响应报文时服务器的时钟读数（Transmit Timestamp）nT4是客户机接收到服务器的响应报文时的客户机时钟读数。是客户机接收
49、到服务器的响应报文时的客户机时钟读数。581.NTP的基本原理的基本原理n假定从客户到服务器和从服务器到客户的时延相等假定从客户到服务器和从服务器到客户的时延相等，而且，而且假定假定偏移量偏移量不随时间变化不随时间变化，即不考虑两者时钟之间的频差（，即不考虑两者时钟之间的频差（skew）和抖动（）和抖动（jitter）。）。n客户机和服务器之间的时间偏移量客户机和服务器之间的时间偏移量和报文在网络的往返传播和报文在网络的往返传播延时延时D分别为：分别为：2134413212TTTTDTTTT591.NTP的基本原理的基本原理n由于网络传输的由于网络传输的往返路径往往不对称往返路径往往不对称，并
50、且，并且设备负荷的变化设备负荷的变化，一次测量通常不能得到准确的时间，一次测量通常不能得到准确的时间，NTP时间同步需要获取多时间同步需要获取多个服务器上的多个信息。个服务器上的多个信息。n影响影响NTP协议精确度最关键的原因在于随机网络延时导致时钟协议精确度最关键的原因在于随机网络延时导致时钟偏移量计算不准确。偏移量计算不准确。60对称模式对称模式NTPn为了提高时间服务器的稳健性，为了提高时间服务器的稳健性，NTP协议还提供了另外一种操协议还提供了另外一种操作模式作模式对称模式。运行在对称模式的主机既可以同步对等对称模式。运行在对称模式的主机既可以同步对等方，又可以被对等方同步。这样，即使
