基于时钟漂移率的时钟同步及稳定性分析

摘要

时钟同步是分布式系统中的经典问题之一，也是分布式计算中的核心技术之一。随着计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，这个问题又被赋予了新的内涵。本研究的目的就是在异步通信网络环境中，采用连续的时间戳通信模型和时钟漂移率数学模型，提出一种新的时钟调整策略，即采用拟合偏差方法进行时钟调整的策略，从而实现系统中的从节点与参考节点之间的有效时钟同步。实验证明此方法不仅能够有效克服网络延迟和抖动对时钟同步的影响，而且显著提高了客户端时钟同步的稳定性和安全性。 连续时钟同步问题一般分为两类：外部时钟同步和内部时钟同步。它们关键的不同就是看系统中是否存在着一个标准的参考时钟。如果存在着这个标准参考时钟，则此类问题一般称为外部时钟同步问题。本研究采用的就是外部时钟同步。 但是，在外部时钟同步的过程中，节点间时钟同步的实现面临着许多困难。首先，由于网络传输的延迟及其他网络中不可预测的原因，从节点与参考节点之间的偏差量会存在偶然过大的情况，因此一台计算机不能使用一个远程的即时时间来同步时钟。第二，由于漂移速度的影响，即使所有的时钟可以在同一时间启动，它们也不能保持同步。 另外，时钟的漂移率也随温度和时钟老化程度的不同而改变。随着时间的流逝，两个时钟间的时间差也会发生变化。最后，在时钟同步问题中，一个非常重要的关键点是如何有效提高客户端的时钟同步稳定性。基于以上问题，本研究采用了连续的时间戳通信模型来建立时钟运行精度差的统计学模型。这种连续时间间隔的应用比采用即时时间间隔的应用具有更好的精度，因为整个模型是建立在大量的数据采集基础上的，而且个别数据的错误或丢失也不会影响整个系统模型的正常运行。 在连续的时间戳通信模型的基础上，本研究采用本地节点的时间信息和来自于参考时钟服务器的时间戳信息构造了时钟偏差趋势方程，并利用线性拟合方法建立了时钟漂移率数学模型。通过该模型可以获得本地节点的时钟漂移率，并利用此漂移率进行时钟的调整和稳定性分析。 基于上述原理，本研究开发了NTP客户端软件。此软件不仅能够实时显示时钟同步延迟及偏差趋势曲线，并且可以使用即时偏差或拟合偏差进行时钟调整。实验结果证明，拟合偏差方法不仅能够有效的避免偶然过大偏差值对时钟同步的影响，而且还能够进一步提高客户端时钟同步的稳定性和时钟的运行精度。与此同时，该方法对网络传输性能较差环境下的时钟同步也有很好的适应性，因此具有广泛的应用前景。 本论文的主要目标就是从理论上进一步探讨时钟同步的原理和方法，并通过仿真试验给出可行性解决方案。不论是网格计算，还是分布式计算和应用，精确的时钟同步都具有非常重要的意义。

目录

文摘

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论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2时钟同步的背景

1.2.1时钟同步的意义

1.2.2时钟同步的方法

1.3前人的研究成果

1.3.1国外时钟同步研究

1.3.2国内时钟同步研究

1.4论文的内容

1.5论文的意义

1.6论文的结构

第二章时钟同步系统模型

2.1时钟模型

2.2时钟同步定义

2.3时钟同步模型

2.3.1外部时钟同步模型

2.3.2内部时钟同步模型

2.4时钟同步的节点内部构成

2.5时钟同步的三种工作模式

第三章连续时间戳通信模型与时钟漂移率数学模型

3.1连续的时间戳模型

3.1.1传输延迟的定义

3.1.2连续的时间戳通信模型

3.2时钟漂移率

3.3时钟漂移率数学模型

第四章外部时钟同步及实时趋势图

4.1 NTP协议及其工作原理

4.1.1 NTP协议的概念

4.1.2 NTP协议的特点

4.1.3 NTP协议的工作原理

4.2基于NTP协议的时钟同步客户端设计

4.2.1客户端时钟同步模式

4.2.2基于NTP的客户端通讯原理及实现模块

4.3基于NTP协议的时钟同步客户端实现

4.3.1客户端软件开发环境

4.3.2客户端软件界面及其功能

4.3.3客户端软件核心算法代码

4.4基于NTP协议的时钟同步客户端软件总结

第五章时钟调整策略及稳定性分析

5.1传统时钟调整策略及其问题

5.1.1时钟调整及相关概念

5.1.2传统时钟调整策略及其问题

5.2时钟同步过程中的两种偏差

5.2.1即时偏差

5.2.2拟合偏差

5.3仿真模拟实验

5.3.1实验环境的搭建

5.3.2实验的开发环境

5.3.3模拟实验一

5.3.4模拟实验二

5.3.5模拟实验三

5.4时钟同步稳定性分析

5.5模拟实验的讨论

第六章结论

6.1本论文的研究重点与完成的工作

6.2本论文完成的模拟实验

6.3时钟同步问题研究面临的难题

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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