馬繼偉,何佳洲,丁春山

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

一種基于心跳檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法

馬繼偉,何佳洲,丁春山

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

針對(duì)基于NTP的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法缺乏必要機(jī)制對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的問(wèn)題,提出了一種基于心跳檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法,實(shí)現(xiàn)了源節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控。使用Winpcap開(kāi)源庫(kù)在驅(qū)動(dòng)層獲取時(shí)間戳,能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)間同步。利用心跳檢測(cè)機(jī)制,從節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。另外提供了一種備用機(jī)制,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí),可以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)切換。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。

時(shí)間同步;心跳檢測(cè);源節(jié)點(diǎn)切換;狀態(tài)監(jiān)控

目前常用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步主要包括基于廣播的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、基于NTP的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和基于PTP的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步?；趶V播的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步是從節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)廣播的參考時(shí)間修正本地時(shí)鐘,是一種單向的時(shí)間同步,誤差主要來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t,同步精度不高，并且傳輸延遲不易測(cè)量和估計(jì),能達(dá)到毫秒級(jí)的同步精度。NTP是一種標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議,使用了一種純軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步,其同步精度能達(dá)到毫秒量級(jí)[1]。為了滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信、金融結(jié)算、測(cè)量?jī)x器和工業(yè)控制等分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)中定時(shí)同步的需要,IEEE1588定義了PTP(精確時(shí)鐘同步)協(xié)議,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了硬件支持,使用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步[2-3],大幅提高了時(shí)間同步精度,能夠達(dá)到微秒量級(jí)。

NTP已經(jīng)成為了目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的時(shí)間同步,但卻缺乏必要機(jī)制對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。在實(shí)際應(yīng)用中我們不僅要關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步、如何提高時(shí)間同步的精確度以及如何降低時(shí)間同步所需的成本,同時(shí)還需要掌握各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)以及同步情況,所以就需要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控[4]。NTP協(xié)議是分層主從結(jié)構(gòu)運(yùn)行的,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí)會(huì)影響下層節(jié)點(diǎn)的授時(shí)精度,在局域網(wǎng)中這個(gè)問(wèn)題更加明顯。由于傳統(tǒng)NTP的局限性以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的需要,本文在NTP的基礎(chǔ)上提出了一種純軟件的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步新方法,利用狀態(tài)監(jiān)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)了源節(jié)點(diǎn)對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控;利用心跳檢測(cè)機(jī)制[5]和源節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)切換。

本文首先對(duì)NTP進(jìn)行分析,然后給出了一種基于心跳檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法,由心跳檢測(cè)、源節(jié)點(diǎn)切換、時(shí)間偏差估計(jì)與修正以及狀態(tài)監(jiān)控四部分組成。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性,對(duì)于局域網(wǎng)的時(shí)間同步具有重要意義。

1 NTP分析

NTP最早于1985年由美國(guó)David L. Mills教授提出,是用于互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。通過(guò)該協(xié)議可以估算出NTP報(bào)文在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸延遲和時(shí)鐘偏差,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)之間可靠和精確的時(shí)間同步。

30多年來(lái),NTP不斷發(fā)展完善,從NTPv0到NTPv4演變過(guò)程如表1所示。

表1 NTP演變過(guò)程

此外,1992年RFC1361提出了NTP的簡(jiǎn)化版本SNTP,去除了過(guò)濾和錯(cuò)誤管理功能,精度只能達(dá)到秒級(jí);1995年提出的RFC1769,時(shí)間精度提高到數(shù)百毫秒;1996年提出的RFC2030給出了SNTP的最新規(guī)范SNTPv4,精度能達(dá)到更高。SNTP能用單播方式和廣播方式操作,也能在IP 多播方式下操作。SNTP實(shí)質(zhì)是簡(jiǎn)化了NTP服務(wù)器和客戶端策略,在協(xié)議實(shí)現(xiàn)上沒(méi)有什么更改, 適用于使用個(gè)人計(jì)算機(jī)的 UDP/TIME 客戶。

NTP使用分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?按照離時(shí)間源的遠(yuǎn)近將各NTP時(shí)間服務(wù)器分成16個(gè)層級(jí),實(shí)現(xiàn)了下層節(jié)點(diǎn)對(duì)上層節(jié)點(diǎn)的時(shí)間請(qǐng)求。從圖1可知，在NTP網(wǎng)絡(luò)中,NTP主機(jī)主要分布在2-4層,且在第3層的NTP主機(jī)最多,在5層以上的NTP主機(jī)數(shù)可以忽略不計(jì)。另外從文獻(xiàn)[11-15]可知,隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量的提升,NTP網(wǎng)絡(luò)的計(jì)時(shí)性能也在不斷提升。同時(shí)越來(lái)越多的系統(tǒng)正在試圖與NTP網(wǎng)絡(luò)保持同步并搜索更多更可靠的時(shí)鐘源。

圖1 不同時(shí)期NTP網(wǎng)絡(luò)各層級(jí)服務(wù)器分布圖

隨著NTP協(xié)議的廣泛應(yīng)用,對(duì)NTP網(wǎng)絡(luò)的研究也在不斷進(jìn)行,文獻(xiàn)[11-15]研究并分析了不同時(shí)期的NTP網(wǎng)絡(luò),使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序?qū)ふ襈TP主機(jī)并發(fā)送同步請(qǐng)求,在一周時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的NTP網(wǎng)絡(luò)大小以及響應(yīng)的主機(jī)數(shù)如表2所示。從表2可知NTP網(wǎng)絡(luò)不斷增大,在16年里增大了150倍以上。近幾年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速,SNTP服務(wù)以及NTP協(xié)議運(yùn)用得更加普遍。從表2也可以看到：相比于1999的報(bào)告2005年搜索到的NTP網(wǎng)絡(luò)更大但響應(yīng)的主機(jī)數(shù)卻更少,主要是因?yàn)殡S時(shí)間的推移,服務(wù)器更加安全,由于防火墻的阻擋或服務(wù)器的配置等因素,服務(wù)器僅允許基本的時(shí)間查詢,而不會(huì)有其他的響應(yīng)。近年來(lái)幾乎沒(méi)有最新的文獻(xiàn)去繼續(xù)Murta等人的工作,但是顯然NTP網(wǎng)絡(luò)更加龐大。目前互聯(lián)網(wǎng)上客戶機(jī)主要使用NTP池來(lái)獲得時(shí)間,總共含有大約4000個(gè)服務(wù)器。所以說(shuō)對(duì)這些服務(wù)器的搜索與研究也是有非常有必要的。

2 基于心跳檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

考慮到局域網(wǎng)中對(duì)時(shí)間同步以及對(duì)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控的需求,本文提出了基于心跳檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法,由心跳檢測(cè)、源節(jié)點(diǎn)切換、時(shí)間偏差估計(jì)與修正以及狀態(tài)監(jiān)控四部分組成,實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的時(shí)間同步以及對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控。另外提供了一種備用機(jī)制,在源節(jié)點(diǎn)故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)自動(dòng)切換，從而繼續(xù)保持網(wǎng)內(nèi)時(shí)間同步。源節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖2所示。

表2 不同時(shí)期NTP網(wǎng)絡(luò)大小對(duì)比

圖2 各節(jié)點(diǎn)工作流程

2.1 心跳檢測(cè)

心跳檢測(cè)是一種從節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)判定的機(jī)制,通過(guò)接收源節(jié)點(diǎn)廣播的心跳信息,判斷源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)(正常/異常/故障)。從節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是否收到源節(jié)點(diǎn)的心跳信息,收到則認(rèn)為源節(jié)點(diǎn)正常,否則認(rèn)為源節(jié)點(diǎn)異常,如果連續(xù)3次源節(jié)點(diǎn)異常,則認(rèn)為源節(jié)點(diǎn)故障。心跳檢測(cè)的具體過(guò)程如下:

1)源節(jié)點(diǎn)周期性地廣播心跳信息,廣播周期為theartbeatBroadcast;

2)從節(jié)點(diǎn)記錄并更新每次接收到心跳報(bào)文的時(shí)間theartbeatRecv,首次接收到心跳報(bào)文的時(shí)間記t0。從t0+0.5theartbeatBroadcast開(kāi)始,每隔theartbeatBroadcast檢測(cè)一次是否收到心跳信息,檢測(cè)時(shí)間記為tcheck;

a) 如果tcheck-theartbeatRecv

b) 如果連續(xù)三次判定源節(jié)點(diǎn)異常,則認(rèn)為源節(jié)點(diǎn)故障。

2.2 源節(jié)點(diǎn)切換

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí),為了保證整個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)時(shí)間的相對(duì)同步,需要重新選取一個(gè)源節(jié)點(diǎn),進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)切換。圖3給出了源節(jié)點(diǎn)故障前后各節(jié)點(diǎn)的工作情況。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí),各從節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播平均時(shí)間偏差如圖3(c)所示,這個(gè)平均偏差是從節(jié)點(diǎn)相對(duì)于故障源節(jié)點(diǎn)的各個(gè)同步周期時(shí)間偏差的平均值,同步時(shí)間越長(zhǎng),這個(gè)均值越穩(wěn)定。均值越小表示該節(jié)點(diǎn)的性能越好,選擇均值最小的節(jié)點(diǎn)作為新的源節(jié)點(diǎn)。

圖3 源節(jié)點(diǎn)切換前后各節(jié)點(diǎn)工作情況

源節(jié)點(diǎn)切換的具體過(guò)程如下:

1)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)心跳檢測(cè)判定源節(jié)點(diǎn)是否正常工作,若源節(jié)點(diǎn)正常,則所有節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)不變。

2.3 時(shí)間偏差估計(jì)與修正

我們知道網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的精確度在很大程度上取決于獲取時(shí)間戳的精確度。傳統(tǒng)的NTP在應(yīng)用層獲取時(shí)間戳,通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳獲取和本地時(shí)間修正的功能。但是在應(yīng)用層獲取時(shí)間戳只能達(dá)到毫秒級(jí),并不能滿足某些實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的需要。本文使用文獻(xiàn)[16]中介紹的方法,利用Winpcap開(kāi)源庫(kù),繞過(guò)TCP/IP協(xié)議棧,在內(nèi)核空間NPF設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中獲取時(shí)間戳,相比傳統(tǒng)NTP時(shí)間戳獲取更靠近底層,能夠獲得微秒級(jí)的時(shí)間。

WinPcap是一個(gè)基于Win32平臺(tái)的,用于捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并進(jìn)行分析的開(kāi)源庫(kù),它包括了一個(gè)內(nèi)核級(jí)的數(shù)據(jù)包過(guò)濾器NetgroupPacketFilter(NPF),一個(gè)低層動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Packet.dll),一個(gè)高層的、依賴于系統(tǒng)的庫(kù)(wpcap.dll)。Packet.dll庫(kù)提供了低層的API,它可以直接訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)的函數(shù),并且依賴于微軟操作系統(tǒng)的可編程接口;wpcap.dll提供了更多強(qiáng)大的,高層次的,和libpcap(一個(gè)知名的Unix捕獲庫(kù))兼容的捕獲原語(yǔ)。

基于winpcap的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步原理圖如圖4。

圖4 基于winpcap的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步原理圖

2.4 狀態(tài)監(jiān)控

這里的狀態(tài)監(jiān)控分為兩部分,即從節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控以及源節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)前面的心跳檢測(cè)從節(jié)點(diǎn)可以判斷出源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)(正常/異常/故障)。源節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控是通過(guò)判斷指定時(shí)間內(nèi)接收到的同步報(bào)文數(shù)量以及主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間偏差來(lái)確定從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)(正常且同步/正常不同步/故障)的一種機(jī)制。下面介紹源節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控方法(K步檢查法):

1)從節(jié)點(diǎn)周期性地向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步報(bào)文,包含上一時(shí)間同步周期的時(shí)間偏差θi,i表示從節(jié)點(diǎn)編號(hào);

2)源節(jié)點(diǎn)收到同步報(bào)文,分別統(tǒng)計(jì)收到各節(jié)點(diǎn)的累積同步報(bào)文數(shù)目nSync(i),并更新θi。

3)當(dāng)θi<=λSync時(shí),則認(rèn)為從節(jié)點(diǎn)i與源節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步,否則從節(jié)點(diǎn)i與源節(jié)點(diǎn)時(shí)間不同步。

4)當(dāng)出現(xiàn)某一個(gè)i1使得nSync(i1)=K時(shí)做以下判斷：

a) 如果nSync(i)>0,則認(rèn)為從節(jié)點(diǎn)i正常工作；

b) 如果nSync(i)=0,則認(rèn)為從節(jié)點(diǎn)i故障；

c) 判斷完畢,將nSync(i)歸零,進(jìn)入到下一個(gè)監(jiān)控周期。

其中nSync(i)表示該監(jiān)控周期內(nèi)接收到的來(lái)自節(jié)點(diǎn)i的同步報(bào)文個(gè)數(shù),λSync表示時(shí)間同步門限,K表示步數(shù)上限。

3 仿真結(jié)果及分析

在局域網(wǎng)環(huán)境下使用5臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。時(shí)間同步周期為2s,心跳消息廣播周期為5s,時(shí)間同步門限λSync取1ms，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。

為模擬源節(jié)點(diǎn)故障時(shí)間的隨機(jī)性,引入隨機(jī)數(shù),隨機(jī)選取某一心跳檢測(cè)周期自動(dòng)斷開(kāi)源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表3為取500以內(nèi)隨機(jī)數(shù)的情況,“√”表示當(dāng)前的源節(jié)點(diǎn),“—”表示故障節(jié)點(diǎn)。從表3可知選取節(jié)點(diǎn)1作為初始源節(jié)點(diǎn),在439個(gè)心跳檢測(cè)周期后節(jié)點(diǎn)1發(fā)生故障,然后其余各節(jié)點(diǎn)廣播本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)1的平均時(shí)間偏差,進(jìn)行自組織選取平均偏差最小的節(jié)點(diǎn)5作為新的源節(jié),以此類推。這樣網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不斷減少,最后將斷開(kāi)的節(jié)點(diǎn)重新手動(dòng)選取源節(jié)點(diǎn),重新入網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。

表3 源節(jié)點(diǎn)切換情況表

節(jié)點(diǎn)1作為源節(jié)點(diǎn)時(shí),各節(jié)點(diǎn)相對(duì)節(jié)點(diǎn)1的時(shí)間偏差的均值分別為56.63us、143.62us、95.49us、48.05us。時(shí)間同步偏差曲線如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)1作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步偏差曲線

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在2s時(shí)間同步周期情況下,本文提供的方法能夠?qū)崿F(xiàn)同步精度在200us以內(nèi)。在任意時(shí)刻源節(jié)點(diǎn)故障,通過(guò)心跳檢測(cè)機(jī)制從節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)到源節(jié)點(diǎn)故障信息并且實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換,切換到平均時(shí)間偏差相對(duì)較小的節(jié)點(diǎn),將其作為新的源節(jié)點(diǎn),然后保持網(wǎng)內(nèi)的相對(duì)時(shí)間同步。另外當(dāng)故障節(jié)點(diǎn)修復(fù)后手動(dòng)選取源節(jié)點(diǎn)能夠快速入網(wǎng)同步。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,源節(jié)點(diǎn)都能夠通過(guò)從節(jié)點(diǎn)反饋的偏差信息以及接收到的同步請(qǐng)求報(bào)文數(shù)量監(jiān)控到從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種純軟件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步新方法。該方法包括心跳檢測(cè)、源節(jié)點(diǎn)切換、時(shí)間偏差估計(jì)與修正以及狀態(tài)監(jiān)控四部分，可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)間同步以及對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)心跳檢測(cè)和源節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制,從節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)到源節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),并且當(dāng)源節(jié)點(diǎn)故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換,具有很好的容錯(cuò)性與擴(kuò)展性,適用于對(duì)時(shí)間同步精度有一定要求并且需要監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的局域網(wǎng)絡(luò)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。但需要注意的是，該方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有一定的依賴性,因此網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)題是下一步需要進(jìn)行研究的。

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A Network Time Synchronization Method Based on Heartbeat Detection

MA Ji-wei, HE Jia-zhou, DING Chun-shan

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

A new network time synchronization method based heartbeat detection is proposed to solve the problem of NTP-based network time synchronization, which lacks the necessary mechanism to monitor the state of each node. Using the Winpcap open-source library to obtain the time stamp in the driver layer, which can achieve the microsecond time synchronization. With the heartbeat detection mechanism, the slave node can monitor the state of the source. In addition, this paper provides a backup mechanism to achieve the dynamic switching of the source node when the source node fails. Finally, the feasibility of the method is verified by the experiments.

time synchronization; heartbeat detection; source node switching; state monitoring

2016-12-06

馬繼偉(1992-),男，重慶大渡口人，研究方向?yàn)闀r(shí)間同步。 何佳洲(1966-),男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。 丁春山(1981-)，男，碩士，高級(jí)工程師。

1673-3819(2017)01-0116-06

TP317；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.025

修回日期： 2016-12-20