一種用于網(wǎng)絡(luò)同步的授時時統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

戎強(qiáng) 王錚 韓華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

一種用于網(wǎng)絡(luò)同步的授時時統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

戎強(qiáng) 王錚 韓華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

針對眾多領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)用戶在組網(wǎng)時對高精度時間同步的需求，介紹了授時時統(tǒng)以及B碼、NTP、PTP的基本原理，設(shè)計實現(xiàn)了一種用于網(wǎng)絡(luò)時間同步的授時時統(tǒng)，并利用專業(yè)測試儀器完成了授時精度實驗驗證。實驗結(jié)果表明：授時時統(tǒng)具有毫秒級到納秒級的授時精度，可以為網(wǎng)絡(luò)用戶提供B碼、NTP、PTP等高精度的授時服務(wù)，特別為距離較遠(yuǎn)的分布式用戶提供了實現(xiàn)遠(yuǎn)程組網(wǎng)時間同步的可行手段。

授時時統(tǒng)B碼NTP PTP

1 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，時鐘同步技術(shù)已成為影響和制約通信發(fā)展水平的關(guān)鍵因素。目前，通訊網(wǎng)絡(luò)、金融網(wǎng)絡(luò)、測控網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制與自動化網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域均需要在較大范圍內(nèi)保持時間同步及時間的準(zhǔn)確性[1]，特別是距離較遠(yuǎn)的分布式用戶在遠(yuǎn)程組網(wǎng)時對時間同步精度提出了較高的要求。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航工程的成功實施，基于BD/GPS星基授時的時間統(tǒng)一系統(tǒng)(簡稱時統(tǒng))得到了越來越廣泛的應(yīng)用，利用星基授時實現(xiàn)對本地時鐘的精密校準(zhǔn)，可以很好的保持被控對象與測量系統(tǒng)時間和頻率的高度統(tǒng)一[2]。NTP、B碼和PTP是目前工程應(yīng)用中常用的3種時間碼授時方式，將星基授時技術(shù)、精密時鐘校準(zhǔn)技術(shù)以及時間碼授時技術(shù)綜合應(yīng)用可以為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供毫秒級到納秒級的授時服務(wù)。

2 基本原理

2.1 授時時統(tǒng)原理

在工程應(yīng)用中，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要保持各節(jié)點計算機(jī)之間一定精度的時間同步，常用的方法是根據(jù)系統(tǒng)的區(qū)域分布、系統(tǒng)自身特點和網(wǎng)絡(luò)授時精度等因素為系統(tǒng)配置一套或若干套授時時統(tǒng)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，授時時統(tǒng)可以自主維持一個獨立的本地時間，也可以通過同步鏈路建立向更高級時間基準(zhǔn)的溯源，從而保持各授時時統(tǒng)之間的頂層時間同步。

基于北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時時統(tǒng)利用所接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號中解算的高精度時間信息實現(xiàn)對本地時鐘的精密校準(zhǔn)，從而獲得一個穩(wěn)定的本地時鐘源和精密時間，然后通過NTP、B碼和PTP等時碼授時方式將該精密時間傳遞出去，為網(wǎng)絡(luò)客戶端提供高精度的授時服務(wù)。

2.2 時間碼基本原理

2.2.1 B碼授時原理

B碼，全稱為IRIG-B時間碼，分交流(AC)碼和直流(DC)碼2種，B(DC)碼采用的是脈寬編碼體制，適用于較近距離的傳輸；B(AC)碼是用B(DC)碼對1 kHz的正弦信號進(jìn)行幅度調(diào)制來完成，交流碼用于超遠(yuǎn)距離的傳輸，可達(dá)幾十千米[3]。B碼編碼采用BCD編碼表示秒、分、時、天和年[4]，B碼編碼中進(jìn)行時間解算所需要的時間信息，如表1所示。

表1 B碼時間編碼位置

B碼授時網(wǎng)絡(luò)一般采用主從結(jié)構(gòu)，B碼服務(wù)器為主機(jī)，位于各個用戶端的解碼終端為從機(jī)。B碼服務(wù)器按照B碼幀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生B碼，并分發(fā)給各個用戶；用戶端的解碼終端按照B碼幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，可以恢復(fù)出時間，從而實現(xiàn)B碼授時。

NTP以客戶機(jī)和服務(wù)器(Client/Server)方式進(jìn)行通信，如圖1所示，客戶機(jī)使用時鐘偏差來調(diào)整本地時鐘，以使其時間與服務(wù)器時間一致[5]。

4月14日青海玉樹地震發(fā)生后，水利部部長陳雷迅速作出安排部署，要求認(rèn)真貫徹落實胡錦濤總書記、溫家寶總理、回良玉副總理重要指示精神，立即組成工作組趕赴災(zāi)區(qū)，會同青海省水利部門迅速查清震損水利工程情況，及時采取措施，排除險情，抓緊做好排險避險預(yù)案，切實防范地震次生災(zāi)害，確保震損水利工程安全度汛。

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2.2.2 NTP授時原理

圖1 NTP同步基本原理

T1為客戶發(fā)送NTP請求時間戳；T2為服務(wù)器收到NTP請求時間戳；T3為服務(wù)器回復(fù)NTP請求時間戳；T4為客戶收到NTP回復(fù)包時間戳，d1為NTP請求包傳送延時；d2為NTP回復(fù)包傳送延時；t0為服務(wù)器和客戶端之間的時間偏差；d為NTP包的往返延遲時間(不含服務(wù)器端處理時間)。由圖1所示的關(guān)系可得：

NTP網(wǎng)絡(luò)通信信道近似為對等信道，即與相等，經(jīng)推導(dǎo)可得：

由式(3)和式(4)可以看出，t0和d只與(T2-T1)及(T4-T3)有關(guān)，即最終的時差結(jié)果與服務(wù)器處理請求所需的時間無關(guān)。據(jù)此，客戶端即可通過T1、T2、T3、T4計算出時差用于調(diào)整本地時鐘。

2.2.3 PTP授時原理

授時時統(tǒng)由BD/GPS接收機(jī)模塊、B碼模塊、PTP模塊、NTP模塊、綜合處理模塊和本地晶振等功能模塊構(gòu)成，如圖3所示。

精確時間同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)[6]，是一種主從式的時間同步技術(shù)，其原理是主時鐘周期性的向網(wǎng)絡(luò)中所有從時鐘發(fā)送同步消息報文；從時鐘以主時鐘為參照，通過解析接收到的同步消息報文計算與主時鐘之間的時間差異，并進(jìn)行同步校正，實現(xiàn)系統(tǒng)同步[6]。PTP對時采用Sync、Follow_up、Delay_req、Delay_resp四種報文，Peer-to-Peer模式下PTP的基本原理如圖2所示。

NTP是一種維持相同時間的通訊協(xié)定，可以估算封包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲，并獨立地估算計算機(jī)的時鐘偏差，從而實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的高精度計算機(jī)校時。NTP協(xié)議數(shù)據(jù)包使用TCP/IP協(xié)議族中的UDP協(xié)議，協(xié)議端口號為123。

圖2 PTP同步基本原理

因此，產(chǎn)生了由物流服務(wù)集成商、物流服務(wù)提供商構(gòu)成的兩級物流服務(wù)供應(yīng)鏈，用于滿足零售商面向客戶的個性化、多樣化的物流服務(wù)需求。由此形成了兩級產(chǎn)品供應(yīng)鏈與兩級物流服務(wù)供應(yīng)鏈的聯(lián)動與融合，本文將重點研究兩者聯(lián)動的利益協(xié)調(diào)問題。

其中，主時鐘的時間原點為A，交換機(jī)的時間原點為B，從時鐘的時間原點為C。主時鐘到交換機(jī)的鏈路時延為d1，報文在交換機(jī)中的駐留時延為d2，交換機(jī)到從時鐘的鏈路時延為d3。t1為Sync報文從主站發(fā)出的時間；t2為Sync報文被從時鐘收到的時間。主時鐘與交換機(jī)之間時間偏差為T1，交換機(jī)與從時鐘的時間偏差為T2，這樣，主時鐘與從時鐘的時間偏差為T1+T2。時延計算如下：

交換機(jī)在t1a時刻發(fā)出Pdelay_req報文，這個報文在t2a時刻被主時鐘收到；主時鐘在時刻t3a發(fā)送Pdelay_resp報文，該報文在時延t4a時刻被交換機(jī)收到，則有：

Sync報文穿過交換機(jī)的駐留時延為：

交換機(jī)在t1b時刻發(fā)出Pdelay_req報文，這個報文在t2b時刻被從時鐘收到；從t3b時鐘在時刻發(fā)送Pdelay_resp報文，該報文在時延t4b時刻被交換機(jī)收到。

主從時鐘間鐘差可由公式(5)、公式(6)和公式(7)推導(dǎo)得

受到多種外部因素的影響，我國高等院校的創(chuàng)新能力一直難以得到有效提升。盡管政府部門利用多種方式為各大高校提供了足夠的資金支持，但并沒有產(chǎn)出相應(yīng)的實質(zhì)性成果，創(chuàng)新轉(zhuǎn)化能力也相對不足。從目前實際情況來看，我國高校的整體科研水平依然處在中等位置，很多項目研發(fā)效率十分低下，并且還存在重復(fù)研究的現(xiàn)象。同時高等院校內(nèi)部愿意默默無聞從事基礎(chǔ)性以及原創(chuàng)性研究工作的人員非常少，這些內(nèi)部因素也在很大程度上影響到高校創(chuàng)新能力的發(fā)展。

只要計算出了T1+T2，主時鐘和從時鐘的偏差就知道了。通過調(diào)整從時鐘的時間，就可以實現(xiàn)主從時間的統(tǒng)一。

綜上所述，激烈的市場競爭環(huán)境下，酒店行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)。企業(yè)要結(jié)合自身運營發(fā)展背景及要求，采用正確的方式，加大內(nèi)部控制力度，認(rèn)識到營改增對酒店財務(wù)管理工作的影響，并在該背景下依托具體的財務(wù)管理工作方法，使酒店企業(yè)財務(wù)管理工作更具科學(xué)性和有效性，提高其市場競爭力。同時，也應(yīng)結(jié)合酒店行業(yè)發(fā)展特性，根據(jù)國際市場情況對內(nèi)部控制制度予以構(gòu)建，使酒店行業(yè)在激烈的市場競爭中脫穎而出，取得良好發(fā)展，提高資金利用率，實現(xiàn)效益最大化。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)

當(dāng)?shù)剞r(nóng)民購肥積極性很低，主要因為農(nóng)民種糧不掙錢，施肥量較往年減少了25%左右，再加上當(dāng)?shù)丶倜皞瘟臃柿蠑_亂市場，正規(guī)經(jīng)銷商的日子十分難過。復(fù)合肥方面，當(dāng)前出廠報價較秋季備肥期上漲了100元/噸左右。對于冬儲，李曉陽表示，今年冬儲的意義不大，一是因為后期價格漲跌不好預(yù)測，二是因為明年開春小麥追肥用量不大，所以今年不計劃冬儲。

教師專業(yè)發(fā)展的國際研究表明，教師專業(yè)發(fā)展不是從理論學(xué)習(xí)到實踐應(yīng)用的線性過程，而是一個在實踐體驗的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗進(jìn)行反思的漸進(jìn)過程[6]。體育教育專業(yè)的學(xué)生通過課堂內(nèi)容整體化的學(xué)習(xí)，只能得到間接經(jīng)驗，無法將知識與技能內(nèi)化。通過到中小學(xué)進(jìn)行教學(xué)實踐，接觸到實際的教學(xué)對象與特定的教學(xué)情景，才能有效地對知識進(jìn)行“輸出”，進(jìn)而達(dá)成理論知識與教學(xué)實踐相結(jié)合的目的。階段性的教學(xué)實習(xí)方式提供職前體育教師充裕的教學(xué)反思時間，在返回大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)時將更有針對性，以彌補和克服上一階段教育實習(xí)的不足，形成“理論-實踐-理論”的良性循環(huán)，真正實現(xiàn)了從教育理論走向教育實踐、由教育實踐檢驗教育理論的研究目標(biāo)。

圖3 PTP同步基本原理

①BD/GPS接收機(jī)模塊：采用商用BD/GPS OEM模塊接收BD B3和GPS L1民用信號，并對OEM模塊進(jìn)行接口擴(kuò)展以適用系統(tǒng)接口要求；

②B碼模塊：采用FPGA、單片機(jī)、DA芯片、驅(qū)動芯片和串口模塊等聯(lián)合實現(xiàn)時間獲取、DC B碼與AC B碼信號的生成與分發(fā)及運行狀態(tài)上報等功能；

③NTP模塊：采用高性能ARM處理器在Linux平臺下實現(xiàn)時間的獲取和高精度時間基準(zhǔn)的維持，并通過配置指令實時調(diào)整該時間基準(zhǔn)；采用帶TCP/IP協(xié)議棧的W5100芯片解析并處理來自網(wǎng)絡(luò)客戶端設(shè)備的請求數(shù)據(jù)包，并回應(yīng)一個處理之后的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)客戶端設(shè)備可以結(jié)合應(yīng)答數(shù)據(jù)包和請求數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，得出鐘差，修正自己的時間，保證時間同步；

為了應(yīng)對國際石油市場變化，各國際石油公司的經(jīng)營策略主要有以下幾種類型。1）資產(chǎn)優(yōu)化型：在高度多元化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化資產(chǎn)結(jié)構(gòu)，聚焦核心優(yōu)勢資產(chǎn)。2）突出戰(zhàn)略型：根據(jù)核心戰(zhàn)略和技術(shù)優(yōu)勢選擇不同發(fā)展方向，例如，埃克森美孚強(qiáng)化非常規(guī)、回歸北美，殼牌倚重天然氣一體化等。3）強(qiáng)化經(jīng)營型：通過降低成本、優(yōu)化方案、提高產(chǎn)量、增加效益等策略，努力提高股東回報率。

⑤綜合處理模塊：綜合處理模塊是授時時統(tǒng)的核心模塊，由10 MHz分路模塊、1PPS生成模塊、比相模塊、零值調(diào)整模塊、測溫模塊及控制模塊等子模塊構(gòu)成。主要實現(xiàn)頻率和脈沖信號的分配和放大，整機(jī)零值補償，整機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與上報等功能。

④PTP模塊：PTP模塊采用MCU與DP83640芯片，由MCU處理媒體訪問控制(MAC)層信息，進(jìn)行對DP83640以太網(wǎng)收發(fā)器芯片的控制。DP83640芯片實現(xiàn)PTP協(xié)議的幀獲取與處理以及硬件時間戳的產(chǎn)生，在物理層(PHY)處理幀保證了同步的準(zhǔn)確性；DP83640內(nèi)部時鐘由25 Mhz同步到系統(tǒng)時鐘源，用以產(chǎn)生時間戳與同步報文；

Lock the fault joint when it is adjusted to the desired locked angle,unlock joints J3-J7,and then regard links L1and L2 as a new link bound together.

3.2 監(jiān)控與時間傳遞流程

授時時統(tǒng)的監(jiān)控中心為綜合處理模塊，綜合處理模塊通過6個RS232串口分別實現(xiàn)與BD/GPS接收機(jī)模塊、B碼模塊、PTP模塊、NTP模塊、顯示模塊和監(jiān)控模塊的通信，信息內(nèi)容包括模塊間的時間傳遞、各個模塊的狀態(tài)上報以及外部監(jiān)控計算機(jī)下達(dá)的控制指令。授時時統(tǒng)各模塊間的時間傳遞流程如圖4所示。

圖4系統(tǒng)時間傳遞流程

BD/GPS接收機(jī)模塊實現(xiàn)授時時統(tǒng)向UTC的時間溯源，綜合處理模塊實現(xiàn)UTC時間對本地晶振的校準(zhǔn)、本地時間的建立以及向本地用戶模塊的時間分發(fā)，顯示模塊實現(xiàn)時間顯示，監(jiān)控模塊實現(xiàn)時間上報，B碼模塊、NTP模塊和PTP模塊分別實現(xiàn)面向網(wǎng)絡(luò)用戶的B碼、NTP和PTP授時服務(wù)。

4 實驗驗證

授時時統(tǒng)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)時間同步的實驗驗證方案如圖5所示。

圖5授時精度驗證方案

PolaRx3eTR接收機(jī)是比利時Sptentrio公司研發(fā)的一款高精度時間比對標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)(目前，該設(shè)備已應(yīng)用于國際UTC時間比對，與UTC同步精度在20 ns以內(nèi))，輸出的1PPS信號作為驗證系統(tǒng)的時間參考；TC208是上海泰坦通信工程有限公司研發(fā)的一款商用PTP交換機(jī)，作為驗證系統(tǒng)的PTP交換機(jī)；D-Link DGS-1024T是北京康海時代科技有限公司的通用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，作為驗證系統(tǒng)的NTP交換機(jī)；TimeAcc是由上海泰坦通信工程有限公司與英國TFS公司聯(lián)合研發(fā)的精密時間精度測量儀，它作為驗證系統(tǒng)B碼、NTP、PTP授時精度的評估儀器。

實驗結(jié)果：①B(DC)碼的授時精度優(yōu)于200 ns，B(AC)碼的授時精度優(yōu)于10 us；②NTP直連客戶端的授時精度優(yōu)于1 ms，經(jīng)過交換機(jī)后的授時精度優(yōu)于10 ms；③PTP直連客戶端的授時精度優(yōu)于100 ns，經(jīng)過交換機(jī)后的授時精度優(yōu)于1 us。

[3]卲和明，等. 內(nèi)蒙古自治區(qū)主要成礦區(qū)（帶）和成礦系列[R]. 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，2001.

需要指出的是，B碼授時需要在每個用戶端配置解碼硬件模塊，不具備遠(yuǎn)距離傳輸能力，可用于布局較為集中的小型局域網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)授時；PTP授時需要在用戶端配置PTP硬件模塊，傳輸距離遠(yuǎn)、授時精度高，適用于遠(yuǎn)距離高精度的組網(wǎng)授時；NTP授時不需要在客戶端配置硬件模塊(Windows、Linux等操作系統(tǒng)都自帶NTP同步軟件)，傳輸距離遠(yuǎn)，適用范圍廣。

5 結(jié)束語

通過綜合應(yīng)用BD/GPS授時技術(shù)、精密時鐘校準(zhǔn)技術(shù)以及時間碼授時技術(shù)，授時時統(tǒng)實現(xiàn)了本地時間向UTC時間的遠(yuǎn)程溯源，可以為網(wǎng)絡(luò)用戶提供B碼、NTP、PTP等高精度的授時服務(wù)，特別為距離較遠(yuǎn)的分布式用戶提供了實現(xiàn)遠(yuǎn)程組網(wǎng)時間同步的可行手段，具有很好的工程應(yīng)用價值。

[1]王錚.IEEE1588時鐘同步協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2012,38(23)：53-55.

[2]唐彬,徐慶芳,姚善化.北斗/GPS雙模授時的B碼時統(tǒng)終端設(shè)計[J].電測與儀表,2013,50(8)：116-120.

[3]譚衛(wèi)澤,詹建.基于嵌入式微控制器的IRIG-B碼編碼器設(shè)計[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,20(4)：82-85.

[4]GJB2991A-2008 B時間碼接口終端通用規(guī)范[S].

[5]丁廣,邵健,張建飛,等.高精度網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)及其應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界,2013(1)：67-70.

[6]IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

Design and Implementation on a Timing and Time Uniform System Applied in Network Synchronization

RONG Qiang,WANG Zheng,HAN Hua
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Aiming at the requirements of network user in many fields for high precision time synchronization in networking,the principles of timing and time uniform,B code,NTP and PTP are introduced.A timing and time uniform system is designed and implemented,and the timing precision experiments are implemented with the professional test apparatuses.The experiment results show that the timing and time uniform system has the timing accuracy from milliseconds to nanoseconds,can provide high-precision timing services to network users such as B code,NTP and PTP,and especially provides a feasible means for realizing remote networking time synchronization for the long-distance distributed users.

timing and time uniform system;B code;NTP;PTP

TP393

A

1008-1739（2014）14-55-3

定稿日期：2014-06-26