时间同步技术在Linux系统中的研究与应用

摘要

时间同步是分布式系统的一个重要研究方向，是很多网络应用的基础。目前时间同步算法都是在操作系统（如Windows、Linux等）的用户空间实现，而且一般作为守护进程常驻内存。为实现socket系统调用以及时间戳信息在用户空间和内核空间之间的传递，操作系统必须进行频繁的状态切换和数据拷贝，增加了系统开销和安全隐患。同时，由于时间戳在应用层加盖，这样数据报的往返时延包含了在应用层的封装和解封过程，影响了同步精度的进一步提高。 本文以NTP为基础，设计了一种适用于分布式系统的网络时间同步算法，该算法以Internet上的时间服务器作为标准时间源，采用客户端/服务器通信模型，在Linux操作系统内核以纯软件的方式实现，可以做为Linux的系统调用为其他进程提供时间服务，有效提高系统性能和同步精度。 文中首先概述了时间同步技术的发展现状、意义、算法和本文的主要工作和创新点；然后针对互联网上现行时间传输的标准协议——NTP进行了研究，详细分析了NTP的原理、网络层次、协议结构和算法；在此基础上，对NTP算法作了必要的取舍和简化，提出了适用于分布式系统的一种时间同步算法，介绍了体系结构以及网络通信、数据过滤、数据综合、时间调节等算法；在对本课题的算法原理介绍之后，就对该算法的客户端的具体实现进行了详细地说明，给出了算法在Linux内核的实现的难点和方法，重点介绍了Linux系统、LKM技术、模块加载与卸载、网络通信、偏差计算、数据过滤、数据综合、时间调节等关键技术，给出了算法的实现框图和部分代码，并分析了实验结果，大量试验数据证明，本文所设计的网络时钟同步算法可以减少内核与用户空间的频繁转化和数据的反复拷贝传递，具有较好的时钟精度和可行性，达到15ms的同步精度；随后，介绍了时间同步技术在网管系统中的应用，并给出了syslog日志分析系统的拓扑图和算法应用的层次结构示意图。最后，则是对本文工作的总结和对未来的展望。 本文的创新点是提出在Linux内核实现时间同步的功能，关键技术是时间同步算法在可加载内核模块(LKM)中的实现。 本文提出的网络时间同步算法能较好满足大多数有时间同步需求的系统中关于进程运行时间精确计时的应用要求，具有一定的理论意义和应用价值。