home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Handbook of Infosec Terms 2.0 / Handbook_of_Infosec_Terms_Version_2.0_ISSO.iso / text / rfcs / rfc0957.txt < prev    next >
Text File  |  1996-05-07  |  70KB  |  623 lines

  1.  Network Working Group                                         D.L. Mills Request for Comments: 957                               M/A-COM Linkabit                                                           September 1985 
  2.  
  3.               Experiments in Network Clock Synchronization 
  4.  
  5.  Status of this Memo 
  6.  
  7.    This RFC discusses some experiments in clock synchronization in the    ARPA-Internet community, and requests discussion and suggestions for    improvements.  Distribution of this memo is unlimited. 
  8.  
  9. Table of Contents 
  10.  
  11.    1.      Introduction    2.      Design of the Synchronization Algorithm    2.1.    The Logical Clock    2.2.    Linear Phase Adjustments    2.3.    Nonlinear Phase Adjustments    3.      Synchronizing Network Clocks    3.1.    Reference Clocks and Reference Hosts    3.2.    Distribution of Timing Information    4.      Experimental Validation of the Design    4.1.    Experiment Design    4.2.    Experiment Execution    4.3.    Discussion of Results    4.3.1.  On Power-Grid Clocks    4.3.2.  On Clocks Synchronized via Network Links    4.3.3.  On the Accuracy of Radio Clocks    4.3.3.1. The Spectracom 8170 WWVB Radio Clock    4.3.3.2. The True Time 468-DC GOES Radio Clock    4.3.3.3. The Heath GC-1000 WWV Radio Clock    4.3.4.  On Handling Disruptions    4.4.    Additional Experiments    5.      Summary and Conclusions    6.      References 
  12.  
  13. List of Figures 
  14.  
  15.    Figure 1. Clock Registers    Figure 2. Network Configuration 
  16.  
  17.  
  18.  
  19.  
  20.  
  21.  
  22.  
  23.  
  24.  
  25.  
  26.  
  27. Mills                                                           [Page 1] 
  28.  
  29.  
  30.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  31.  
  32.  List of Tables 
  33.  
  34.    Table 1. Experiment Hosts    Table 2. Link Measurements    Table 3. First Derivative of Delay    Table 4. GOES Radio Clock Offsets    Table 5. WWV Radio Clock Offsets    Table 6. ISI-MCON-GW Clock Statistics    Table 7. LL-GW Clock Statistics    Table 8. LL-GW Clock Statistics 
  35.  
  36. 1.  Introduction 
  37.  
  38.    One of the services frequently neglected in computer network design    is a high-quality, time-of-day clock capable of generating accurate    timestamps with small residual errors compared to intrinsic one-way    network delays.  Such a service would be useful for tracing the    progress of complex transactions, synchronizing cached data bases,    monitoring network performance and isolating problems. 
  39.  
  40.    Several mechanisms have been specified in the Internet protocol suite    to record and transmit the time at which an event takes place,    including the ICMP Timestamp message [6], Time Protocol [7], Daytime    protocol [8] and IP Timestamp option [9].  A new Network Time    Protocol [12] has been proposed as well.  Additional information on    network time synchronization can be found in the References at the    end of this document.  Synchronization protocols are described in [3]    and [12] and synchronization algorithms in [2], [5], [10] and [11].    Experimental results on measured roundtrip delays in the Internet are    discussed in [4].  A comprehensive mathematical treatment of clock    synchronization can be found in [1]. 
  41.  
  42.    Several mechanisms have been specified in the Internet protocol suite    to record and transmit the time at which an event takes place,    including the ICMP Timestamp message [6], Time protocol [7], Daytime    protocol [8] and IP Timestamp option [9].  Issues on time    synchronization are discussed in [4] and synchronization algorithms    in [2] and [5].  Experimental results on measured roundtrip delays in    the Internet are discussed in [2].  A comprehensive mathematical    treatment of the subject can be found in [1], while an interesting    discussion on mutual-synchonization techniques can be found in [10]. 
  43.  
  44.    There are several ways accurate timestamps can be generated.  One is    to provide at every service point an accurate, machine-readable clock    synchronized to a central reference, such as the National Bureau of    Standards (NBS).  Such clocks are readily available in several models    ranging in accuracies of a few hundred milliseconds to less than a 
  45.  
  46.  Mills                                                           [Page 2] 
  47.  
  48.  
  49.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  50.  
  51.     millisecond and are typically synchronized to special ground-based or    satellite-based radio broadcasts.  While the expense of the clocks    themselves, currently in the range $300 to $3000, can often be    justified, all require carefully sited antennas well away from    computer-generated electromagnetic noise, as well as shielded    connections to the clocks.  In addition, these clocks can require a    lengthy synchonization period upon power-up, so that a battery-backup    power supply is required for reliable service in the event of power    interruptions. 
  52.  
  53.    If the propagation delays in the network are stable or can be    predicted accurately, timestamps can be generated by a central    server, equipped with a clock such as described above, in response to    requests from remote service points.  However, there are many    instances where the trans-network delay to obtain a timestamp would    be intolerable, such as when timestamping a message before    transmission.  In addition, propagation delays are usually not    predictable with precisions in the order required, due to    probabilistic queuing and channel-contention delays. 
  54.  
  55.    In principle, a clock of sufficient accuracy can be provided at each    service point using a stable, crystal-controlled clock which is    corrected from time to time by messages from a central server.    Suitable inexpensive, crystal-controlled clock interfaces are    available for virtually any computer.  The interesting problem    remaining is the design of the synchronization algorithm and protocol    used to transmit the corrections.  In this document one such design    will be described and its performance assessed.  This design has been    incorprated as an integral part of the network routing and control    protocols of the Distributed Computer Network (DCnet) architecture    [5], clones of which have been established at several sites in the US    and Europe.  These protocols have been in use since 1979 and been    continuously tested and refined since then. 
  56.  
  57. 2.  Design of the Synchronization Algorithm 
  58.  
  59.    The synchronization algorithm is distributed in nature, with protocol    peers maintained in every host on the network.  Peers communicate    with each other on a pairwise basis using special control messages,    called Hello messages, exchanged periodically over the ordinary data    links between them.  The Hello messages contain information necessary    for each host to calculate the delay and offset between the local    clock of the host and the clock of every other host on the network    and are also used to drive the routing algorithm. 
  60.  
  61.    The synchronization algorithm includes several features to improve    the accuracy and stability of the local clock in the case of host or 
  62.  
  63.  Mills                                                           [Page 3] 
  64.  
  65.  
  66.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  67.  
  68.     link failures.  In following sections the design of the algorithm is    summarized.  Full design details are given in [5] along with a formal    description of the Hello protocol. 
  69.  
  70. 2.1.  The Logical Clock 
  71.  
  72.    In the DCnet model each service point, or host, is equipped with a    hardware clock, usually in the form of an off-the-shelf interface.    Using this and software registers, a logical clock is constructed    including a 48-bit Clock Register, which increments at a 1000 Hz    rate, a 32-bit Clock-Adjust Register, which is used to slew the Clock    Register in response to raw corrections received over the net, and a    Counter Register, which is used in some interface designs as an    auxilliary counter.  The configuration and decimal point of these    registers are shown in Figure 1. 
  73.  
  74.            Clock Register                                    
  75.  
  76.            0               16               32                          +---------------+---------------+---------------+            |               |               |               |            +---------------+---------------+---------------+                                            A                                                      decimal point           
  77.  
  78.            Clock-Adjust Register                             
  79.  
  80.                            0               16                                           +---------------+---------------+                            |               |               |                            +---------------+---------------+                                            A                                                      decimal point           
  81.  
  82.            Counter Register                                  
  83.  
  84.                            0              16                                            +---------------+                                            |               |                                            +---------------+                                                            A                                                      decimal point           
  85.  
  86.                        Figure 1. Clock Registers 
  87.  
  88.    The Clock Register and Clock-Adjust Register are implemented in    memory.  In typical clock interface designs such as the DEC KMV11-A 
  89.  
  90.  Mills                                                           [Page 4] 
  91.  
  92.  
  93.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  94.  
  95.     the Counter Register is implemented in the interface as a buffered    counter driven by a crystal oscillator.  A counter overflow is    signalled by an interrupt, which results in an increment of the Clock    Register at bit 15 and the propagation of carries as required.  The    time of day is determined by reading the Counter Register, which does    not disturb its counting process, and adding its value to that of the    Clock Register with decimal points aligned. 
  96.  
  97.    In other interface designs such as the simple LSI-11 event-line    mechanism, each tick of the clock is signalled by an interrupt at    intervals of 10, 16-2/3 or 20 ms, depending on interface and clock    source.  When this occurs the appropriate number of milliseconds,    expressed to 32 bits in precision, is added to the Clock Register    with decimal points aligned. 
  98.  
  99.    It should be noted at this point that great care in operating system    design is necessary in order to preserve the full accuracy of    timestamps with respect to the application program, which must be    protected from pre-emption, excessive device latencies and so forth.    In addition, the execution times of all sequences operating with the    interrupt system disabled must be strictly limited.  Since the PDP11    operating system most often used in the DCnet (the "Fuzzball"    operating system) has been constructed with these considerations    foremost in mind, it has been especially useful for detailed network    performance testing and evaluation.  Other systems, in particular the    various Unix systems, have not been found sufficiently accurate for    this purpose. 
  100.  
  101.    Left uncorrected, the host logical clock runs at the rate of its    intrinsic oscillator, whether derived from a crystal or the power    frequency.  The correction mechanism uses the Clock-Adjust Register,    which is updated from time to time as raw corrections are received.    The corrections are computed using roundtrip delays and offsets    derived from the routing algorithm, described later in this document,    which are relatively noisy compared to the precision of the logical    clock.  A carefully designed smoothing mechansim insures stability,    as well as isolation from large transients that occur due to link    retransmissions, host reboots and similar disruptions. 
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.  
  107.  
  108.  
  109.  
  110.  
  111.  
  112.  
  113. Mills                                                           [Page 5] 
  114.  
  115.  
  116.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  117.  
  118.  2.2.  Linear Phase Adjustments 
  119.  
  120.    The correction is introduced as a signed 32-bit integer in    milliseconds.  If the magnitude of the correction is less than 128    ms, the low-order 16 bits replaces bits 0-15 in the Clock-Adjust    register. At suitable intervals, depending on the jitter of the    intrinsic oscillator, the value of this register is divided by a    fixed value, forming a quotient which is first added to the Clock    Register, then subtracted from the Clock-Adjust Register.  This    technique has several advantages: 
  121.  
  122.       1.  The clock never runs backwards;  that is, successive           timestamps always increase monotonically. 
  123.  
  124.       2.  In the event of loss of correction information, the clock           slews to the last correction received. 
  125.  
  126.       3.  The rate of slew is proportional to the magnitude of the last           correction.  This allows rapid settling in case of large           corrections, but provides high stability in case of small           corrections. 
  127.  
  128.       4.  The sequence of computations preserves the highest precision           and minimizes the propagation of round-off errors. 
  129.  
  130.    Experience has indicated the choice of 256 as appropriate for the    dividend above, which yields a maximum slew-rate magnitude less than    0.5 ms per adjustment interval and a granularity of about 2.0    microseconds, which is of the same order as the intrinsic tolerance    of the crystal oscillators used in typical clock interfaces.  In the    case of crystal-derived clocks, an adjustment interval of four    seconds has worked well, which yields a maximum slew-rate magnitude    of 125 microseconds per second.  In the case of power-frequency    clocks or especially noisy links, the greatly increased jitter    requires shorter adjustment intervals in the range of 0.5 second,    which yields a maximum slew-rate magnitude of 1.0 ms per second. 
  131.  
  132.    In most cases, independent corrections are generated over each link    at intervals of 30 seconds or less.  Using the above choices a single    sample error of 128 ms causes an error at the next sample interval no    greater than about 7.5 ms with the longer adjustment interval and 30    ms with the shorter.  The number of adjustment intervals to reduce    the residual error by half is about 177, or about 12 minutes with the    longer interval and about 1.5 minutes with the shorter.  This    completely characterizes the linear dynamics of the mechanism. 
  133.  
  134.  
  135.  
  136.  Mills                                                           [Page 6] 
  137.  
  138.  
  139.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  140.  
  141.  2.3.  Nonlinear Phase Adjustments 
  142.  
  143.    When the magnitude of the correction exceeds 128 ms, the possiblity    exists that the clock is so far out of synchronization with the    reference host that the best action is an immediate and wholesale    replacement of Clock Register contents, rather than a graduated    slewing as described above.  In practice the necessity to do this is    rare and occurs when the local host or reference host is rebooted,    for example. This is fortunate, since step changes in the clock can    result in the clock apparently running backward, as well as incorrect    delay and offset measurements of the synchronization mechanism    itself. 
  144.  
  145.    However, it sometimes happens that, due to link retransmissions or    occasional host glitches, a single correction sample will be computed    with magnitude exceeding 128 ms.  In practice this happens often    enough that a special procedure has been incorporated into the    design.  If a sample exceeding the limit is received, its value is    saved temporarily and does not affect the Clock-Adjust Register.  In    addition, a timer is initialized, if not already running, to count    down to zero in a specified time, currently 30 seconds. 
  146.  
  147.    If the timer is already running when a new correction sample with    magnitude exceeeding 128 ms arrives, its value and the saved sample    value are averaged with equal weights to form a new saved sample    value. If a new correction sample arrives with magnitude less than    128 ms, the timer is stopped and the saved sample value discarded.    If the timer counts down to zero, the saved sample value replaces the    contents of the Clock Register and the Clock-Adjust Register is set    to zero.  This procedure has the effect that occasional spikes in    correction values are discarded, but legitimate step changes are    prefiltered and then used to reset the clock after no more than a    30-second delay. 
  148.  
  149. 3.  Synchronizing Network Clocks 
  150.  
  151.    The algorithms described in the previous section are designed to    achieve a high degree of accuracy and stability of the logical clocks    in each participating host.  In this section algorithms will be    described which synchronize these logical clocks to each other and to    standard time derived from NBS broadcasts.  These algorithms are    designed to minimize the cumulative errors using linear synchronizing    techniques. See [10] for a discussion of algorithms using nonlinear    techniques. 
  152.  
  153.  
  154.  
  155.  
  156.  
  157. Mills                                                           [Page 7] 
  158.  
  159.  
  160.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  161.  
  162.  3.1.  Reference Clocks and Reference Hosts 
  163.  
  164.    The accuracy of the entire network of logical clocks depends on the    accuracy of the device used as the reference clock.  In the DCnet    clones the reference clock takes the form of a precision crystal    oscillator which is synchronized via radio or satellite with the NBS    standard clocks in Boulder, CO.  The date and time derived from the    oscillator can be sent continuously or read upon command via a serial    asynchronous line.  Stand-alone units containing the oscillator,    synchronizing receiver and controlling microprocessor are available    from a number of manufacturers. 
  165.  
  166.    The device driver responsible for the reference clock uses its    serial-line protocol to derive both an "on-time" timestamp relative    to the logical clock of the reference host and an absolute time    encoded in messages sent by the clock.  About once every 30 seconds    the difference between these two quantities is calculated and used to    correct the logical clock according to the mechanisms described    previously.  The corrected logical clock is then used to correct all    other logical clocks in the network.  Note the different    nomenclature:  The term "reference clock" applies to the physical    clock itself, while the term "reference host" applies to the logical    clock of the host to which it is connected. Each has an individual    address, delay and offset in synchronizing messages. 
  167.  
  168.    There are three different commercial units used as reference clocks    in DCnet clones.  One of these uses the LF radio broadcasts on 60 KHz    from NBS radio WWVB, another the HF radio broadcasts on 5, 10 and 15    MHz from NBS radio WWV or WWVH and the third the UHF broadcasts from    a GOES satellite.  The WWVB and GOES clocks claim accuracies in the    one-millisecond range.  The WWV clock claims accuracies in the 100-ms    range, although actual accuracies have been measured somewhat better    than that. 
  169.  
  170.    All three clocks include some kind of quality indication in their    messages, although of widely varying detail.  At present this    indication is used only to establish whether the clock is    synchronized to the NBS clocks and convey this information to the    network routing algorithm as described later.  All clocks include    some provision to set the local-time offset and propagation delay,    although for DCnet use all clocks are set at zero offset relative to    Universal Time (UT).  Due to various uncertaincies in propagation    delay, serial-line speed and interrupt latencies, the absolute    accuracy of timestamps derived from a reference host equipped with a    WWVB or GOES reference clock is probably no better than a couple of    milliseconds. 
  171.  
  172.  
  173.  
  174. Mills                                                           [Page 8] 
  175.  
  176.  
  177.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  178.  
  179.  3.2.  Distribution of Timing Information 
  180.  
  181.    The timekeeping accuracy at the various hosts in the network depends    critically on the precision whith which corrections can be    distributed throughout the network.  In the DCnet design a    distributed routing algorithm is used to determine minimum-delay    routes between any two hosts in the net.  The algorithms used, which    are described in detail in [5] and only in outline form here, provide    reachability and delay information, as well as clock offsets, between    neighboring hosts by means of periodic exchanges of routing packets    called Hello messages. This information is then incorporated into a    set of routing tables maintained by each host and spread throughout    the network by means of the Hello messages. 
  182.  
  183.    The detailed mechanisms to accomplish these functions have been    carefully designed to minimize timing uncertaincies.  For instance,    all timestamping is done in the drivers themselves, which are given    the highest priority for resource access.  The mechanism to measure    roundtrip delays on the individual links is insensitive to the delays    inherent in the processing of the Hello message itself, as well as    the intervals between transmissions.  Finally, care is taken to    isolate and discard transient timing errors that occur when a host is    rebooted or a link is restarted. 
  184.  
  185.    The routing algorithm uses a table called the Host Table, which    contains for each host in the network the computed roundtrip delay    and clock offset, in milliseconds.  In order to separately identify    each reference clock, if there is more than one in the network, a    separate entry is used for each clock, as well as each host.  The    delay and offset fields of the host itself are set to zero, as is the    delay field of each attached reference clock.  The offset field of    each attached reference clock is recomputed periodically as described    above. 
  186.  
  187.    Hello messages containing a copy of the Host Table are sent    periodically to each neighbor host via the individual links    connecting them.  In the case of broadcast networks the Hello message    is broadcast to all hosts sharing the same cable.  The Hello message    also contains a timestamp inserted at the time of transmission, as    well as information used to accurately compute the roundtrip delay on    point-to-point links. 
  188.  
  189.    A host receiving a Hello message processes the message for each host    in turn, including those corresponding to the reference clocks.  It    adds the delay field in the message to the previously determined    roundtrip link delay and compares this with the entry already in its    Host Table.  If the sum is greater than the delay field in the Host 
  190.  
  191.  Mills                                                           [Page 9] 
  192.  
  193.  
  194.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  195.  
  196.     Table, nothing further is done.  If the sum is less, an update    procedure is executed.  The update procedure, described in detail in    [5], causes the new delay to replace the old and the routing to be    amended accordingly. 
  197.  
  198.    The update procedure also causes a new correction sample to be    computed as the difference between the timestamp in the Hello message    and the local clock, which is used to correct the local clock as    described above.  In addition, the sum of this correction sample plus    the offset field in the Hello message replaces the offset field in    the Hello Table.  The effect of these procedures is that the local    clock is corrected relative to the neighbor clock only if the    neighbor is on the path of least delay relative to the selected    reference clock.  If there is no route to the reference clock, as    determined by the routing algorithm, no corrections are computable    and the local clock free-runs relative to the last received    correction. 
  199.  
  200.    As the result of the operation of the routing algorithm, all local    clocks in the network will eventually stabilize at a constant offset    relative to the reference clock, depending upon the drift rates of    the individual oscillators.  For most applications the offset is    small and can be neglected.  For the most precise measurements the    computed offset in the Host Table entry associated with any host,    including the reference clock, can be used to adjust the apparent    time relative to the local clock of that host.  However, since the    computed offsets are relatively noisy, it is necessary to smooth them    using some algorithm depending upon application.  For this reason,    the computed offsets are provided separately from the local time. 
  201.  
  202. 4.  Experimental Validation of the Design 
  203.  
  204.    The original DCnet was established as a "port expander" net connected    to an ARPAnet IMP in 1978.  It was and is intended as an experimental    testbed for the development of protocols and measurement of network    performance.  Since then the DCnet network-layer protocols have    evolved to include multi-level routing, logical addressing,    multicasting and time synchronization.  Several DCnet clones have    been established in the US and Europe and connected to the DARPA    Internet system.  The experiments described below were performed    using the DCnet clone at Linkabit East, near Washington, DC, and    another at Ford Motor Division, near Detroit, MI.  Other clones at    Ford Aerospace and the Universities of Maryland and Michigan were    used for calibration and test, while clones at various sites in    Norway and Germany were used for occasional tests.  Additional 
  205.  
  206.  
  207.  
  208.  Mills                                                          [Page 10] 
  209.  
  210.  
  211.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  212.  
  213.     ARPANET gateways of the WIDEBAND/EISN satellite system were also    included in the experiments in order to determine the feasability of    synchronizing clocks across the ARPANET. 
  214.  
  215.    There were four principal issues of interest in the experiments: 
  216.  
  217.       1.  What are the factors affecting accuracy of a network of clocks           using the power grid as the basic timing source, together with           corrections broadcast from a central point? 
  218.  
  219.       2.  What are the factors affecting accuracy of a network of clocks           synchronized via links used also to carry ordinary data. 
  220.  
  221.       3.  How does the accuracy of the various radio clocks - WWVB, GOES           and WWV compare? 
  222.  
  223.       4.  What is the best way to handle disruptions, such as a leap           second? 
  224.  
  225.    These issues will be discussed in turn after presentation of the    experiment design and execution. 
  226.  
  227. 4.1.  Experiment Design 
  228.  
  229.    Figure 2 shows the configuration used in a series of tests conducted    during late June and early July of 1985.  The tests involved six    hosts, three reference clocks and several types of communication    links.  The tests were designed to coincide with the insertion of a    leap second in the standard time broadcast by NBS, providing an    interesting test of system stability in the face of such disruptions.    The test was also designed to test the feasability of using the power    grid as a reference clock, with corrections broadcast as described    above, but not used to adjust the local clock. 
  230.  
  231.  
  232.  
  233.  
  234.  
  235.  
  236.  
  237.  
  238.  
  239.  
  240.  
  241.  
  242.  
  243.  
  244.  
  245.  Mills                                                          [Page 11] 
  246.  
  247.  
  248.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  249.  
  250.        ARPAnet                              |                             - - - - - - - - - - - - - - - - - -  |  - - - - - - - - - -                                         56K |                             +---------+     +---------+     +----+----+ 1.2 +---------+        |   WWV   | 1.2 |         | 4.8 |         +-----+  WWVB   |        |  radio  +-----+  DCN6   +-----+  DCN1   |async|  radio  |        |  clock  |async|         |DDCMP|         +--+  |  clock  |        +---------+     +---------+     +----+----+  |  +---------+                         Ethernet            |       |                     DCnet     ===o===============o=======o===    | 1822/DH                          |               |               |                             +----+----+     +----+----+     +----+----+                power   |         |     |         |     |         |    power       freq <--+  DCN3   |     |  DCN5   |     |  DCN7   +--> freq        60 Hz   |         |     |         |     |         |    60 Hz               +---------+     +----+----+     +---------+                                         9.6 |                                     - - - - - - - - - - - - - -  |  - - - - - - - - - - - - - -                                     | DDCMP                                                       +----+----+     +---------+                                        |         | 1.2 |  GOES   |                FORDnet                 |  FORD1  +-----+satellite|                                        |         |async|  clock  |                                        +---------+     +---------+          
  251.  
  252.                     Figure 2. Network Configuration 
  253.  
  254.    Only those hosts and links directly participating in the tests are    shown in Figure 2.  All hosts shown operate using the DCnet protocols    and timekeeping algorithms summarized in this document and detailed    in [5].  The DCnet hosts operate as one self-contained net of the    Internet systems, while the FORDnet hosts operate as another with    distinct net numbers.  The gateway functions connecting the two nets    are distributed in the DCN5 and FORD1 hosts and the link connecting    them.  This means that, although the clock offsets of individual    DCnet hosts are visible to other DCnet hosts and the clock offsets of    individual FORDnet hosts are visible to other FORDnet hosts, only the    clock offset of the gateway host on one net is visible to hosts on    the other net. 
  255.  
  256.    In Figure 2 the links are labelled with both the intrinsic speed, in    kilobits per second, as well as the link protocol type.  The DDCMP    links use microprocessor-based DMA interfaces that retransmit in case    of message failure.  The 1822/DH link connecting DCN1 and DCN7    operates at DMA speeds over a short cable.  The Ethernet link uses 
  257.  
  258.  
  259.  
  260.  Mills                                                          [Page 12] 
  261.  
  262.  
  263.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  264.  
  265.     DMA interfaces that retransmit only in case of collisions.  The    asynchronous links are used only to connect the reference clocks to    the hosts over a short cable. 
  266.  
  267.    While all hosts and links were carrying normal traffic throughout the    test period, the incidence of retransmissions was very low, perhaps    no more than a few times per day on any link.  However, the DDCMP    link protocol includes the use of short control messages exhanged    between the microprocessors about once per second in the absence of    link traffic. These messages, together with retransmissions when they    occur, cause small uncertaincies in Hello message delays that    contribute to the total measurement error.  An additional uncertaincy    (less than 0.5 per-cent on average) in Hello message length can be    introduced when the link protocol makes use of character-stuffing or    bit-stuffing techniques to achieve code transparency, such as with    the LAPB link-level protocol of X.25.  However, the particular links    used in the tests use a count field in the header, so that no    stuffing is required. 
  268.  
  269.    Although the timekeeping algorithms have been carefully designed to    be insensitive to traffic levels, it sometimes happens that an    intense burst of traffic results in a shortage of memory buffers in    the various hosts.  In the case of the Ethernet interfaces, which    have internal buffers, this can result in additional delays while the    message is held in the interface pending delivery to the host.    Conditions where these delays become significant occur perhaps once    or twice a day in the present system and were observed occasionally    during the tests.  As described above, the correction-sample    processing incorporates a filtering procedure that discards the vast    majority of glitches due to this and other causes. 
  270.  
  271. 4.2.  Experiment Execution 
  272.  
  273.    The series of experiments conducted in late June and early July of    1985 involved collecting data on the delays and offsets of the six    hosts and three reference clocks shown in Figure 2.  In order to    accomplish this, a special program was installed in a Unix 4.2bsd    system connected to the Ethernet link but not shown in Figure 2.  The    program collected each 128-octet Hello message broadcast from DCN1    every 16 seconds and appended it bit-for-bit to the data base.  The    total volume of raw data collected amounted to almost 0.7 megabyte    per day. 
  274.  
  275.    The raw Hello-message data were processed to extract only the    timestamp and measured clock offsets for the hosts shown in Table 1    and then reformatted as an ASCII file, one line per Hello message. 
  276.  
  277.  
  278.  
  279. Mills                                                          [Page 13] 
  280.  
  281.  
  282.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  283.  
  284.          Host    Clock   Drift   Experiment Use                          Name    ID      (ppm)                                           ------------------------------------------------------          DCN1    WWVB    -2.5    WWVB reference host                     DCN3    -       60-Hz   power-grid (unlocked)                   DCN5    DCN1    6.8     Ethernet host                           DCN6    DCN1    -1.7    DDCMP host, WWV reference host          DCN7    DCN1    60-Hz   power-grid (locked)                     FORD1   GOES    17.9    GOES reference host                     WWV     -       -       WWV reference clock                     WWVB    -       -       WWVB reference clock            
  285.  
  286.                        Table 1. Experiment Hosts 
  287.  
  288.    In Table 1 the Clock ID column shows the reference host selected as    the master clock for each host shown.  In this particular    configuration host DCN1 was locked to host WWVB, while hosts DCN5,    DCN6 and DCN7 were locked to DCN1.  Although the offset of GOES can    not be directly determined from the Hello messages exchanged between    DCnet and FORDnet hosts, the offset of FORD1 relative to GOES was    determined by observation to be in the order of a millisecond, so for    all practical purposes the offset of FORD1 represents the offset of    GOES.  In addition, since the WWVB clock was considered by experience    the most accurate and reliable and the offset of DCN1 relative to    WWVB was negligible, DCN1 was considered the reference clock with    offset zero relative to the NBS clocks. 
  289.  
  290.    During the setup phase of the experiments the intrinsic drift rates    of the crystal oscillators in the four hosts DCN1, DCN5, DCN6 and    FORD1 equipped with them was measured as shown in the "Drift" column    in Table 1.  The two hosts DCN3 and DCN7 are equipped with    line-frequency clocks. For experimental purposes DCN3 was unlocked    and allowed to free-run at the line-frequency rate, while DCN7    remained locked. 
  291.  
  292.    An ASCII file consisting of about 0.2 megabyte of reformatted data,    was collected for each Universal-Time (UT) day of observation    beginning on 28 June and continuing through 8 July.  Each file was    processed by a program that produces an eight-color display of    measured offsets as a function of time of observation.  Since the    display technique uses a bit-map display and each observation    overwrites the bit-map in an inclusive-OR fashion, the sample    dispersion is immediately apparent. Over eight samples per pixel on    the time axis are available in a 24-hour collection period.  On the    other hand, the fine granularity of almost four samples per minute    allows zooming the display to focus on interesting short-term    fluctuations, such as in the case of the WWV clock. 
  293.  
  294.  Mills                                                          [Page 14] 
  295.  
  296.  
  297.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  298.  
  299.  4.3.  Discussion of Results 
  300.  
  301.    Each of the four previously mentioned issues of interest will be    discussed in following subsections. 
  302.  
  303. 4.3.1.  On Power-Grid Clocks 
  304.  
  305.    Telephone interviews with operators and supervisors of the Potomac    Electric Power Company (PEPCO), the electric utility serving the    Washington, DC, area, indicate that there are three major operating    regions or grids, one east of the Rockies, a second west of the    Rockies and a third in parts of Texas.  The member electric utilities    in each grid operate on a synchronous basis, so that clocks anywhere    within the grid should keep identical time.  However, in the rare    case when a utility drops off the grid, no attempt is made to    re-establish correct time upon rejoining the grrd.  In the much more    common case when areas within the grid are isolated due to local    thunderstorms, for example, clock synchronization is also disrupted. 
  306.  
  307.    The experiments provided an opportunity to measure with exquisite    precision the offset between a clock connected to the eastern grid    (DCN3) and the NBS clocks.  The results, confirmed by the telephone    interviews, show a gradual gain in time of between four and six    seconds during the interval from about 1700 local time to 0800 the    next morning, followed by a more rapid loss in time between 0800 and    1700.  If the time was slewed uniformly throughout these extremes,    the rate would be about 100 ppm. 
  308.  
  309.    The actual slewing rates depend on the demand, which itself is a    function of weather, day of the week and season of the year.  Similar    effects occur in the western and Texas grids, with more extreme    variations in the Texas grid due to the smaller inertia of the    system, and less extreme variations in the western grid, due to    smaller extremes in temperature, less total industrial demand and a    larger fraction of hydro-electric generation. 
  310.  
  311.    The uilities consider timekeeping a non-tariffed service provided as    a convenience to the customer.  In the eastern grid a control station    in Ohio manually establishes the baseline system output, which    indirectly affects the clock offset and slewing rate.  The local time    is determined at the control station with respect to a WWVB radio    clock. The maximum slewing rate is specified as .025 Hz (about 400    ppm), which is consistent with the maximum rates observed.  In the    western grid the baseline system output is adjusted automatically    using a servomechanism driven by measured offsets from the NBS    clocks. 
  312.  
  313.  
  314.  
  315. Mills                                                          [Page 15] 
  316.  
  317.  
  318.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  319.  
  320.     Given the considerations above, it would seem feasable for hosts to    synchronize logical clocks to a particular power grid, but only if    corrections were transmitted often enough to maintain the required    accuracy and these corrections were delivered to the hosts    essentially at the same time.  Assuming a worst-case 400-ppm slewing    rate and one minute between correction broadcasts, for example, it    would in principle be possible to achieve accuracies in the 20-ms    range.  There are a number of prediction and smoothing techniques    that could be used to inhance accuracy and reduce the overhead of the    broadcasts. 
  321.  
  322.    Host DCN3, which uses a line-frequency clock interface, was unlocked    during the experiment period so that the offset between the PEPCO    clock, which is locked to the eastern power grid, could be measured    with respect to the reference host DCN1.  Host DCN7, which uses the    same interface, remained locked to DCN1.  In spite of the previously    noted instability of the power grid, DCN7 remained typically within    30 ms of DCN1 and only infrequently exceeded 100 ms in the vicinity    of large changes in system load that occured near 0800 and 1700 local    time. Over the seven-day period from 2 July through 8 July the mean    offset was less than a millisecond with standard deviation about 24    ms, while the maximum was 79 ms and minimum -116 ms. 
  323.  
  324.    Experiments were also carried out using ICMP Timestamp messages with    hosts known to use line-frequency clock interfaces in California,    Norway and Germany.  The results indicated that the western power    grid is rather more stable than the eastern grid and that the    overseas grids are rather less stable.  In the Oslo, Munich and    Stuttgart areas, for example, the diurnal variation was observed to    exceed ten seconds. 
  325.  
  326. 4.3.2.  On Clocks Synchronized via Network Links 
  327.  
  328.    As mentioned previously, all network links used to synchronize the    clocks were carrying normal data traffic throughout the experiment    period.  It would therefore be of interest to investigate how this    affects the accuracy of the individual clocks. 
  329.  
  330.    Table 2 summarizes the mean and standard deviation of the measured    offsets between the WWVB radio clock and various hosts as shown in    Figure 2.  Measurements were made over the 24-hour period for each of    several days during the experimental period.  Each entry shown in    Table 2 includes the mean of the statistic over these days, together    with the maximum variation. 
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336. Mills                                                          [Page 16] 
  337.  
  338.  
  339.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  340.  
  341.        Host  Mean          Deviation    Link Type and Speed               -----------------------------------------------------------        DCN1  .08/.02       0.53/.02     WWVB radio clock (1200 bps)       DCN5  -13.61/.04    1.1/0.4      Ethernet (10 Mbps)                DCN6  0.27/.18      5.8/1.0      DDCMP (4800 bps)                  FORD1 38.5/1.6      2.5/0.5      DDCMP (9600 bps)            
  342.  
  343.                        Table 2. Link Measurements 
  344.  
  345.    The departure of the mean shown in Table 2 from zero is related to    the drift of the crystal oscillator used in the hardware interface    (see Table 1).  As described previously, FORD1 was synchonized to the    GOES radio clock with neglible offset, so that the mean and standard    deviation shown can be accurately interpreted to apply to the GOES    radio clock as well. 
  346.  
  347.    The results show that the uncertaincies inherent in the    synchronization algorithm and protocols is in the same order as that    of the reference clocks and is related to the speed of the links    connected the reference hosts to the other hosts in the network.    Further discussion on the FORD1/GOES statistics can be found in the    next section. 
  348.  
  349.    Further insight into the error process can be seen in Table 3, which    shows the first derivative of delay. 
  350.  
  351.                  Host    Dev     Max     Min     Error                   -------------------------------------                   DCN3    2.3     12      -17     10                      DCN5    1.5     45      -45     5                       DCN6    9       94      -54     40                      DCN7    1.4     6       -7      5                       FORD1   3.4     68      -51     15     
  352.  
  353.                    Table 3. First Derivative of Delay 
  354.  
  355.    The mean and standard deviation of delay were computed for all hosts    on a typical day during the experimental period.  In all cases the    magnitude of the mean was less than one.  The standard deviation,    maximum and minimum for each link is summarized by host in Table 3.    A common characteristic of the distribution in most cases was that    only a handful of samples approached the maximum or minimum extrema,    while the vast majority of samples were much less than this.  The    "Error" colum in Table 3 indicates the magnitude of the estimated    error when these extrema are discarded. 
  356.  
  357.  
  358.  
  359.  Mills                                                          [Page 17] 
  360.  
  361.  
  362.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  363.  
  364.     A very interesting feature of the observations was the unexpectedly    low standard deviation of DCN3, which was locked to the power grid    and thus would be expected to show wide variations.  Upon analysis,    this turned out to be a natural consequence of the fact that the    Hello messages are generated as the result of interrupts based on the    line frequency when the local clock had just been incremented by    1/60th of a second. 
  365.  
  366.    The synchronizing protocol and implementation were carefully    constructed to minimize the loss of accuracy due to sharing of the    network links between data and control traffic, as long as sufficient    resources (in particular, packet buffers) are available.  Since the    various network links shown in Figure 2 operate over a wide range of    rates, it is possible that undisciplined bursts of traffic can swamp    a host or gateway and precipitate a condition of buffer starvation. 
  367.  
  368.    While most hosts using paths through the experimental configuration    were relatively well-disciplined in their packetization and    retransmission policies, some Unix 4.2bsd systems were notorious    exceptions.  On occasion these hosts were observed sending floods of    packets, with only a small amount of data per packet, together with    excessive retransmissions.  As expected, this caused massive    congestion, unpredictable link delays and occasional clock    synchronizing errors. 
  369.  
  370.    The synchronizing algorithms described above successfully cope with    almost all instances of congestion as described, since delay-induced    errors tend to be isolated, while inherent anti-spike and smoothing    properties of the synchronizing algorithm help to preserve accuracies    in any case.  Only one case was found during the ten-day experiment    period where a host was mistakenly synchronized outside the    linear-tracking window due to congestion.  Even in this case the host    was quickly resynchronized to the correct time when the congestion    was cleared. 
  371.  
  372. 4.3.3.  On the Accuracy of Radio Clocks 
  373.  
  374.    One of the more potent motivations for the experiments was to assess    the accuracy of the various radio clocks and to determine whether the    WWV radio clock was an appropriate replacement for the expensive WWVB    or GOES clocks.  A secondary consideration, discussed further in the    next section, was how the various clocks handled disruptions due to    power interruptions, leap seconds and so forth. 
  375.  
  376.  
  377.  
  378.  
  379.  
  380.  Mills                                                          [Page 18] 
  381.  
  382.  
  383.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  384.  
  385.  4.3.3.1.  The Spectracom 8170 WWVB Radio Clock 
  386.  
  387.    As the result of several years of experience with the WWVB radio    clock, which is manufactured by Spectracom Corporation as Model 8170,    it was chosen as the reference for comparison for the GOES and WWV    radio clocks.  Washington, DC, is near the 100-microvolt/meter    countour of the WWVB transmitter at Boulder, CO, well in excess of    the 25-microvolt/meter sensitivity of the receiver.  The antenna is    located in a favorable location on the roof of a four-storey building    in an urban area. 
  388.  
  389.    Using the data from the instruction manual, the propagation delay for    the path from Boulder to Washington is about 8 ms, while the    intrinsic receiver delay is about 17 ms.  The clock is read via a    1200-bps asynchronous line, which introduces an additional delay of    about 7 ms between the on-time transition of the first character and    the interrupt at the middle of the first stop bit.  Thus, the WWVB    radio clock indications should be late by 8 + 17 + 7 = 32 ms relative    to NBS standard time.  While it is possible to include this delay    directly in the clock indication, this was not done in the    experiments.  In order to account for this, 32 ms should be    subtracted from all indications derived from this clock.  The    uncertaincy in the indication due to all causes is estimated to be a    couple of milliseconds. 
  390.  
  391. 4.3.3.2.  The True Time 468-DC GOES Radio Clock 
  392.  
  393.    The GOES radio clock is manufactured by True Time Division of    Kinemetrics, Incorporated, as Model 468-DC.  It uses the    Geosynchronous Orbiting Environmental Satellite (GOES), which    includes an NBS-derived clock channel.  Early in the experiment    period there was some ambiguity as to the exact longitude of the    satellite and also whether the antenna was correctly positioned.    This was reflected in the rather low quality-of-signal indications    and occasional signal loss reported by the clock and also its    apparent offset compared with the other radio clocks. 
  394.  
  395.    Table 4 shows a summary of offset statistics for the GOES radio clock    by day (all day numbers refer to July, 1985). 
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402.  
  403.  
  404.  
  405.  Mills                                                          [Page 19] 
  406.  
  407.  
  408.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  409.  
  410.                   Day     Mean    Dev     Max     Min                     ------------------------------------                   2       31.6    9.4     53      -76                    3       19.8    22.1    53      -64                    4       42.8    17.1    >150    19                     5       39.3    2.2     54      -45                    6       37.8    2.7     53      19                     7       62.2    13.0    89      22                     8       38.2    2.8     90      -7    
  411.  
  412.                    Table 4. GOES Radio Clock Offsets 
  413.  
  414.     On all days except days 5, 6 and 8 long periods of poor-quality    signal reception were evident.  Since the antenna and satellite    configuration are known to be marginal, these conditions are not    considered representative of the capabilities of the clock.  When the    data from these days are discarded, the mean offset is 38.4 ms with    standard deviation in the range 2.2 to 2.8.  The maximum offset is 90    ms and the minimum is -45 ms;  however, only a very small number of    samples are this large - most excursions are limited to 10 ms of the    mean. 
  415.  
  416.    In order to compute the discrepancy between the GOES and WWVB clocks,    it is necessary to subtract the WWVB clock delay from the mean    offsets computed above.  Thus, the GOES clock indications are 38.4 -    32 = 6.4 ms late with respect to the WWVB clock indications.  which    is probably within the bounds of experiment error. 
  417.  
  418. 4.3.3.3.  The Heath GC-1000 WWV Radio Clock 
  419.  
  420.    The WWV radio clock is manufactured by Heath Company as Model    GC-1000.  It uses a three-channel scanning WWV/WWVH receiver on 5, 10    and 15 MHz together with a microprocessor-based controller.  The    receiver is connected to an 80-meter dipole up about 15 meters and    located in a quiet suburban location.  Signal reception from the Fort    Collins transmitters was average to poor during the experiment period    due to low sunspot activity together with a moderate level of    geomagnetic disturbances, but was best during periods of darkness    over the path.  The clock locked at one of the frequencies for    varying periods up to an hour from two to several times a day. 
  421.  
  422.    The propagation delay on the path between Fort Collins and Washington    is estimated at about 10 ms and can vary up to a couple of    milliseconds over the day and night.  While it is possible to include    this delay in the clock indications, which are already corrected for 
  423.  
  424.  
  425.  
  426.  Mills                                                          [Page 20] 
  427.  
  428.  
  429.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  430.  
  431.     the intrinsic receiver delay, this was not done in the experiments.    During periods of lock, the clock indications are claimed to be    accurate to within 100 ms. 
  432.  
  433.    Table 5 shows a summary of offset statistics for the WWV radio clock    by day (all day numbers refer to July, 1985). 
  434.  
  435.                  Day     Mean    Dev     Max     Min                     ------------------------------------                    2       -31     36      110     -119                    3       -42     38      184     -141                    4       -21     38      61      -133                    5       -31     37      114     -136                    6       -48     42      53      -160                    7       -100    80      86      -315                    8       -71     70      115     -339   
  436.  
  437.                     Table 5. WWV Radio Clock Offsets 
  438.  
  439.    On inspection of the detailed plots of offsets versus time the data    reveal an interesting sawtooth variation with period about 25 cycles    per hour and amplitude about 90 ms.  Once the clock has locked for    some time the variation decreases in frequency and sometimes    disappears.  This behavior is precisely what would be expected of a    phase-locked oscillator and accounts for the rather large standard    deviations in Table 5. 
  440.  
  441.    On inspection of the plots of offsets versus time, it is apparent    that by far the best accuracies are obtained at or in the periods of    lock, which is most frequent during periods of darkness over the    propagation path, which occured roughly between 0800 UT and 1100 UT    during the experiment period.  Excluding all data except that    collected during this period, the mean offset is -21.3 ms with    standard deviation in the range 29-31.  The maximum offset is 59 ms    and the minimum is -118 ms. 
  442.  
  443.    In order to compute the discrepancy between the WWV and WWVB clocks,    it is necessary to subtract the total of the propagation delay plus    WWVB clock delay from the mean offsets computed above.  Thus, the WWV    clock indications are -21.3 - 10 - 32 = -72.3 ms late (72.3 ms early)    with respect to the WWVB clock indications.  Considering the large    standard deviations noted above, it is probably not worthwhile to    include this correction in the WWV clock indications. 
  444.  
  445.    On exceptional occasions excursions in offset over 300 ms relative to    the WWVB clock were observed.  Close inspection of the data showed    that this was due to an extended period (a day or more) in which lock 
  446.  
  447.  Mills                                                          [Page 21] 
  448.  
  449.  
  450.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  451.  
  452.     was not achieved on any frequency.  The master oscillator uses a    3.6-MHz crystal oscillator trimmed by a digital/analog converter and    register which is loaded by the microprocessor.  The occasional    excursions in offset were apparently due to incorrect register values    as the result of noisy reception conditions and excessive intervals    between lock.  On occasion the oscillator frequency was observed in    error over 4 ppm due to this cause, which could result in a    cumulative error of almost 400 ms per day if uncorrected. 
  453.  
  454. 4.3.4.  On Handling Disruptions 
  455.  
  456.    The experiment period was intentionally selected to coincide with the    insertion of a leap second in the worldwide time broadcasts.  The    intent was to examine the resulting behavior of the various radio    clocks and the synchronization algorithm when an additional second    was introduced at 2400 UT on 30 June. 
  457.  
  458.    As it turned out, radio reception conditions at the time of insertion    were quite poor on all WWV frequencies, the WWVB frequency and the    GOES frequency.  Thus, all three clocks took varying periods up to    several hours to resynchonize and correct the indicated time.  In    fact, the only time signals heard around the time of interest were    those from Canadian radio CHU, but the time code of the Canadian    broadcasts is incompatible with the of the US broadcasts. 
  459.  
  460.    As mentioned above, the WWVB clock was used as the master during the    experiment period.  About two hours after insertion of the leap    second the clock resynchronized and all hosts in the experimental    network were corrected shortly afterwards.  Since the magnitude of    the correction exceeded 128 ms, the correction was of a step nature,    but was not performed simultaneously in all hosts due to the    individual timing of the Hello messages.  Thus, if timing-critical    network operations happened to take place during the correction    process, inconsistent timestamps could result. 
  461.  
  462.    The lesson drawn from this experience is quite clear.  Accurate time    synchronization requires by its very nature long integration times,    so that epochal events which disrupt the process must be predicted in    advance and applied in all hosts independently.  In principle, this    would not be hard to do and could even be integrated into the    operation of the step-correction procedure described earlier, perhaps    in the form of bits included in Hello messages which trigger a    one-second correction at the next rollover from 2400 to 0000 hours. 
  463.  
  464.    In order for such an out-of-band correction to be effective, advance    notice of the leap second must be available.  At present, this    information is not available in the broadcast format and must be 
  465.  
  466.  Mills                                                          [Page 22] 
  467.  
  468.  
  469.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  470.  
  471.     obtained via the news media.  In fact, there are spare bits in the    broadcast format that could be adapted for this purpose, but this    would require reprogramming both the transmitting and receiving    equipment. Nevertheless, this feature should be considered for future    systems. 
  472.  
  473. 4.4.  Additional Experiments 
  474.  
  475.    A set of experiments was performed using two WIDEBAND/EISN gateways    equipped with WWVB radio clocks and connected to the ARPANET.  These    experiments were designed to determine the limits of accuracy when    comparing these clocks via ARPANET paths.  One of the gateways    (ISI-MCON-GW) is located at the Information Sciences Institute near    Los Angeles, while the other (LL-GW) is located at Lincoln    Laboratories near Boston.  Both gateways consist of PDP11/44    computers running the EPOS operating system and clock-interface    boards with oscillators phase-locked to the WWVB clock. 
  476.  
  477.    The clock indications of the WIDEBAND/EISN gateways were compared    with the DCNet WWVB reference clock using ICMP Timestamp messages    [6], which record the individual timestamps with a precision of a    millisecond.  This technique is not as accurate as the one described    in Section 3, since the protocol implementation involves the    user-process level, which can be subject to minor delays due to    process scheduling and interprocess-message queueing.  However,    calibration measurements made over several of the links shown in    Figure 2 indicate that the measurement errors are dominated by the    individual link variations and not by the characteristics of the    measurement technique itself. 
  478.  
  479.    Measurements were made separately with each gateway by sending an    ICMP Timestamp Request message from the ARPANET address of DCN1 to    the ARPANET address of the gateway and computing the round-trip delay    and clock offset from the ICMP Timestamp Reply message.  This process    was continued for 1000 message exchanges, which took about seven    minutes. Table 6 shows the statistics obtained with ISI-MCON-GW and    Table 7 those with LL-GW (all numbers are milliseconds). 
  480.  
  481.  
  482.  
  483.  
  484.  
  485.  
  486.  
  487.  
  488.  
  489.  
  490.  
  491.  Mills                                                          [Page 23] 
  492.  
  493.  
  494.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  495.  
  496.              ISI-MCON-GW     Mean    Dev     Max     Min                  --------------------------------------------                Offset          -16     40      126     -908                Delay           347     59      902     264    
  497.  
  498.                  Table 6. ISI-MCON-GW Clock Statistics 
  499.  
  500.              LL-GW (a)       Mean    Dev     Max     Min                 --------------------------------------------                Offset          -23     15      32      -143                Delay           310     25      536     252    
  501.  
  502.                     Table 7. LL-GW Clock Statistics 
  503.  
  504.    The smaller values of standard deviation and extreme for LL-GW are    probably due to the shorter ARPANET path involved.  The confidence in    the mean offset can be estimated by dividing the standard deviation    by the square root of the number of samples (1000), which suggests    that the mean offsets are accurate to within a couple of miliseconds.    The mean offsets of the WIDEBAND/EISN clocks as a group relative to    the DCN1 clock may thus indicate a minor discrepancy in the setting    of the delay-compensation switches. 
  505.  
  506.    It is well known that ARPANET paths exhibit wide variations in    delays, with occasional delays reaching surprising values up to many    seconds.  In order to improve the estimates a few samples were    removed from both the offset and delay data, including all those with    magnitude greater than one second. 
  507.  
  508.    The above experiments involve a burst of activity over a relatively    short time during which the ratio of the measurement traffic to other    network traffic may be nontrivial.  Another experiment with LL-GW was    designed with intervals of ten seconds between ICMP messages and    operated over a period of about three hours.  The results are shown    in Table 8. 
  509.  
  510.              LL-GW (b)       Mean    Dev     Max     Min                --------------------------------------------               Offset          -16     93      990     -874               Delay           371     108     977     240   
  511.  
  512.                     Table 8. LL-GW Clock Statistics 
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520. Mills                                                          [Page 24] 
  521.  
  522.  
  523.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  524.  
  525.     Note that the standard deviations and extrema are higher than in the    previous experiments, but the mean offset is about the same. 
  526.  
  527.    The results of these experiments suggest that time synchronization    via ARPANET paths can yield accuracies to the order of a few    milliseconds, but only if relatively large numbers of samples are    available.  The number of samples can be reduced and the accuracy    improved by using the techniques of Section 3 modified for ICMP    Timestamp messages and the longer, more noisy paths involved. 
  528.  
  529. 5.  Summary and Conclusions 
  530.  
  531.    The experiments described above were designed to verify the correct    operation of the DCnet time-synchronization algorithms and protocols    under a variety of scenarios, including the use of line-frequency    clocks, three types of radio clocks and various types of    interprocessor links.  They involved the collection and processing of    many megabytes of data collected over a ten-day period that included    the insertion of a leap second in the standard NBS time scale.  Among    the lessons learned were the following: 
  532.  
  533.       1.  The algorithms and protocols operate as designed, yielding           accuracies throughout the experimental net in the order of a           few milliseconds to a few tens of milliseconds, depending on           the topology and link type. 
  534.  
  535.       2.  Glitches due to congestion, rebooted hosts and link failures           are acceptably low, even in the face of massive congestion           resulting from inappropriate host implementations elsewhere in           the Internet. 
  536.  
  537.       3.  A synchronization scenario where the clocks in all hosts are           locked to the line frequency and corrections are broadcast           from a central time standard will work only if all hosts are           on the same power grid, which is unlikely in the present           Internet configuration, but may be appropriate for some           applications. 
  538.  
  539.       4.  In spite of the eastern power grid wandering over as much as           six seconds in a day, it is possible to achieve accuracies in           the 30-ms range using line-frequency interface clocks and           corrections broadcast on the local net. 
  540.  
  541.       5.  Radio clocks can vary widely in accuracy depending on signal           reception conditions.  Absolute time can be determined to           within a couple of milliseconds using WWVB and GOES radio           clocks, but only if they are calibrated using an independent 
  542.  
  543.  Mills                                                          [Page 25] 
  544.  
  545.  
  546.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  547.  
  548.            standard such as a portable clock.  The inexpensive WWV clocks           perform surprisingly well most of the time, but can be in           error up to a significant fraction of a second under some           conditions. 
  549.  
  550.       6.  Adjustments in the time scale due to leap seconds must be           anticipated before they occur.  The synchronization protocol           must include a mechanism to broadcast an adjustment in advance           of its occurance, so that it can be incorporated in each host           simultaneously.  There is a need to incorporate advance notice           of leap seconds in the broadcast time code. 
  551.  
  552.       7.  Time synchronization via ARPANET paths can yield accuracies in           the order of a few milliseconds, but only if relatively large           numbers of samples are available.  Further work is needed to           develop efficient protocols capable of similar accuracies but           using smaller numbers of samples. 
  553.  
  554. 6.  References 
  555.  
  556.    1.  Lindsay, W.C., and A.V.  Kantak.  Network Synchronization of        Random Signals.  IEEE Trans.  Comm.  COM-28, 8 (August 1980),        1260-1266. 
  557.  
  558.    2.  Mills, D.L.  Time Synchronization in DCNET Hosts.  DARPA Internet        Project Report IEN-173, COMSAT Laboratories, February 1981. 
  559.  
  560.    3.  Mills, D.L.  DCNET Internet Clock Service.  DARPA Network Working        Group Report RFC-778, COMSAT Laboratories, April 1981. 
  561.  
  562.    4.  Mills, D.L.  Internet Delay Experiments.  DARPA Network Working        Group Report RFC-889, M/A-COM Linkabit, December 1983. 
  563.  
  564.    5.  Mills, D.L.  DCN Local-Network Protocols.  DARPA Network Working        Group Report RFC-891, M/A-COM Linkabit, December 1983. 
  565.  
  566.    6.  Postel, J.  Internet Control Message Protocol.  DARPA Network        Working Group Report RFC-792, USC Information Sciences Institute,        September 1981. 
  567.  
  568.    7.  Postel, J.  Time Protocol.  DARPA Network Working Group Report        RFC-868, USC Information Sciences Institute, May 1983. 
  569.  
  570.    8.  Postel, J.  Daytime Protocol.  DARPA Network Working Group Report        RFC-867, USC Information Sciences Institute, May 1983. 
  571.  
  572.  
  573.  
  574.  Mills                                                          [Page 26] 
  575.  
  576.  
  577.  RFC 957                                                   September 1985 Experiments in Network Clock Synchronization 
  578.  
  579.     9.  Su, Z.  A Specification of the Internet Protocol (IP) Timestamp        Option.  DARPA Network Working Group Report RFC-781.  SRI        International, May 1981. 
  580.  
  581.    10. Marzullo, K., and S.  Owicki.  Maintaining the Time in a        Distributed System.  ACM Operating Systems Review 19, 3 (July        1985), 44-54. 
  582.  
  583.    11. Mills, D.L.  Algorithms for Synchronizing Network Clocks.  DARPA        Network Working Group Report RFC-956, M/A-COM Linkabit, September        1985. 
  584.  
  585.    12. Mills, D.L.  Network Time Protocol (NTP).  DARPA Network Working        Group Report RFC-958, M/A-COM Linkabit, September 1985. 
  586.  
  587.  
  588.  
  589.  
  590.  
  591.  
  592.  
  593.  
  594.  
  595.  
  596.  
  597.  
  598.  
  599.  
  600.  
  601.  
  602.  
  603.  
  604.  
  605.  
  606.  
  607.  
  608.  
  609.  
  610.  
  611.  
  612.  
  613.  
  614.  
  615.  
  616.  
  617.  
  618.  
  619.  
  620.  
  621. Mills                                                          [Page 27] 
  622.  
  623.