嵌入式分布系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間同步

引言

　　隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，將逐步構(gòu)建多群、多任務(wù)、多功能相對獨(dú)立的測控計算機(jī)結(jié)構(gòu)體系。由于實(shí)現(xiàn)功能的不同，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)也千差萬別，對時間精度的要求很不相同。整個系統(tǒng)必須在統(tǒng)一的時間尺度下進(jìn)行工作，因此各節(jié)點(diǎn)之間時間的統(tǒng)一具有必要性；另一方面，當(dāng)今世界寬帶網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，各種支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也越來越多，各個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間互聯(lián)也需要高精度、通用的時間同步。在這種狀況下，如何探索和研制簡便、可靠、準(zhǔn)確和通用的網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)就成為迫切需要解決的問題。

　　要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時間同步，主要完成兩方面的工作內(nèi)容：第一，通過某種授時方式獲取精確時間；第二，將精確時間同步到網(wǎng)絡(luò)中的每一臺設(shè)備，這也是網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的設(shè)計難點(diǎn)。

　　本文將要介紹的是一種基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks的NTP網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器，其內(nèi)核響應(yīng)速度快，可以方便地支持實(shí)時處理，克服了以往開發(fā)網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器的弊端。本文介紹了NTP服務(wù)器的原理、系統(tǒng)總體任務(wù)及其通信機(jī)制設(shè)計，并針對NTP協(xié)議運(yùn)行在VxWorks下的一些問題進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，同時通過性能測試分析表明本系統(tǒng)的有效性。

1　NTP工作原理

1.1　NTP協(xié)議

　　NTP協(xié)議是通過網(wǎng)絡(luò)的通信來實(shí)現(xiàn)計算機(jī)時鐘的同步，而數(shù)據(jù)本身在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸也是需要時間的。因此，要獲得準(zhǔn)確的當(dāng)前時間，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)延遲造成的影響。實(shí)際上，可通過計算報文的來回程時間來估計網(wǎng)絡(luò)延遲。網(wǎng)絡(luò)時間同步的最主要問題是，如何獲得當(dāng)前的準(zhǔn)確時間。NTP通過一系列同步算法選擇精確時間，規(guī)避網(wǎng)絡(luò)延遲，保證網(wǎng)絡(luò)時間同步的安全性。

　　NTP 協(xié)議支持3種對時工作方式。

① 主從模式(Server/Client mode)：用戶向一個或幾個服務(wù)器提出服務(wù)請求，根據(jù)所交換的信息計算兩地時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，從中選擇認(rèn)為最準(zhǔn)確的時間偏差并調(diào)整本地的時鐘。

② 廣播模式(Multicast/Broadcast mode)：此種模式適用于高速的局域網(wǎng)中。局域網(wǎng)中的一個或多個服務(wù)器以固定的時間周期向某個多播地址廣播自己的時標(biāo)，客戶端不計算時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，直接用接收到的時標(biāo)修正自己的時鐘，忽略各種誤差。

③ 對稱模式(Symmetric mode)：兩個以上的時間服務(wù)器互為主從進(jìn)行時間消息的通信，相互校正對方的時間以維持整個同步子網(wǎng)的時間一致性。

　　根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，最終確定選用主從模式。因?yàn)橄到y(tǒng)中各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是完全相同的，所以只需要先實(shí)現(xiàn)一個子節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，就可以以相同的方法實(shí)現(xiàn)所有子節(jié)點(diǎn)的時鐘同步。

1.2　NTP原理與實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的NTP協(xié)議的對時工作是在主從工作方式下實(shí)現(xiàn)。NTP算法首先就要根據(jù)服務(wù)器和客戶端的往返報文來確定兩地時鐘的差值和報文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难舆t。這里定義，客戶端和時間服務(wù)器之間的時間偏差（offset）用希臘字母θ表示，對時過程中的網(wǎng)絡(luò)路徑延遲（delay）用希臘字母δ表示。

　　假設(shè)子節(jié)點(diǎn)A要向服務(wù)器方B請求時間服務(wù)。A首先要生成一個標(biāo)準(zhǔn)的NTP查詢信息包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到B。B收到查詢信息包后，根據(jù)自己的本地時間，生成一個標(biāo)準(zhǔn)的NTP時間信息包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)回給A。分布式系統(tǒng)中的NTP實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。

圖1　分布式系統(tǒng)中NTP實(shí)現(xiàn)原理圖

　　其中，T1為子節(jié)點(diǎn)A發(fā)送查詢請求時間，T2為服務(wù)器B收到查詢請求時間，T3為服務(wù)器B回復(fù)時間信息包時間，T4為子節(jié)點(diǎn)A接收到的時間信息包時間，T1、T2、T3和T4以客戶方的時間系統(tǒng)為參照，δ1為請求信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時間，δ2為回復(fù)信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時間。

　　其過程如下：

① 客戶端首先向時間服務(wù)器發(fā)送一個NTP 數(shù)據(jù)包，同時在數(shù)據(jù)包上打上客戶端本機(jī)的發(fā)送時間戳T1；
② 服務(wù)器接收到客戶NTP 數(shù)據(jù)包后，同時在數(shù)據(jù)包上打上服務(wù)器本機(jī)的接收時間戳T2；
③ 服務(wù)器向客戶返回NTP 數(shù)據(jù)包后，同時在數(shù)據(jù)包上打上服務(wù)器本機(jī)的發(fā)送時間戳T3；
④ 客戶端接收到服務(wù)器返回的NTP 數(shù)據(jù)包，同時在數(shù)據(jù)包上打上客戶端接收時間戳T4。

　　當(dāng)完成了整個過程之后，客戶端就擁有了4個時間T1~T4，并通過他們算出A與B時間上的差值，用以參考并調(diào)整客戶方時鐘。

　　這里設(shè)定服務(wù)器的時鐘是準(zhǔn)確的，服務(wù)器和客戶端時鐘的時間偏差是θ，從客戶端發(fā)送報文到服務(wù)器端的路徑延遲是δ1，從服務(wù)器到客戶端的路徑延遲是δ2，路徑延遲總和是δ. 那么可以列出3個方程式：


　　假設(shè)從客戶端到服務(wù)器的路徑延遲和從服務(wù)器到客戶端的路徑延遲相等，即δ1=δ2=δ/2 ，以上3個方程式變?yōu)椋?br />

　　可以求出，服務(wù)器和客戶端時鐘的時間偏差θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，客戶端與服務(wù)器總的網(wǎng)絡(luò)路徑延遲δ=(T4-T1)-(T3-T2)。

圖2　NTP時間偏差與網(wǎng)絡(luò)延時

　　服務(wù)器和客戶端之間的時間差異可以從圖2中看出。

　　在知道了如何用NTP 算法計算精確的時間偏差值后，需要使用時間偏差值來調(diào)整本地時鐘的時間，才算完成了NTP 時間同步的全部工作。

2　分布式系統(tǒng)整體架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

2.1　分布式系統(tǒng)架構(gòu)

　　目前課題的整個系統(tǒng)是由5塊相同的嵌入式開發(fā)板組成，硬件平臺是PowerPC MPC8548ERM，移植的操作系統(tǒng)為VxWorks 5.5，開發(fā)板之間的連接通信目前實(shí)現(xiàn)了3種方式，即以太網(wǎng)、串口和Rapid IO方式，本方案時間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是基于以太網(wǎng)通信介質(zhì)的。其中一塊開發(fā)板作為時間服務(wù)器，并通過串口和上位機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)來控制整個分布式系統(tǒng)。NTP網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　NTP網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本課題目前基于UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中NTP協(xié)議的時間同步。

2.2　NTP設(shè)計實(shí)現(xiàn)

　　由于整個系統(tǒng)是獨(dú)立的分布式系統(tǒng)，整個系統(tǒng)對絕對時間的要求不高，只需要各子系統(tǒng)之間的相對時間達(dá)到一致即可。所以首先需要確立一個子系統(tǒng)作為服務(wù)器端，此端受上位機(jī)系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)運(yùn)行時，通過上位機(jī)向此服務(wù)器端發(fā)送預(yù)設(shè)的時鐘值，此時鐘源就作為整個分布式系統(tǒng)的參考時鐘源。 而其他子系統(tǒng)作為客戶端，可以在合適的時候向服務(wù)器申請時間校準(zhǔn)服務(wù)。

　　NTP服務(wù)器上的時間戳為從1900年1月1日0時0分至今的秒數(shù)(UTC時間)。而子節(jié)點(diǎn)獲取的時間戳為1970年1月1日0時0分至今的秒數(shù)(程序中的time(NULL)返回的是UTC時間)。所以，要對子節(jié)點(diǎn)的時間戳與服務(wù)器時間戳計算時，需在子節(jié)點(diǎn)的時間戳基礎(chǔ)上加上1900~1970年的秒數(shù)：3 600 s×24×(365×70+17)。

　　在程序?qū)崿F(xiàn)中，每隔固定的一段時間子節(jié)點(diǎn)就需要進(jìn)行時鐘校對。校對時，子節(jié)點(diǎn)首先需要調(diào)用系統(tǒng)底層提供的本地時間查詢函數(shù)，得到當(dāng)前系統(tǒng)準(zhǔn)確時間，然后將此時鐘數(shù)據(jù)打包成專用的NTP數(shù)據(jù)格式，形成時間查詢包，再通過已經(jīng)搭建好的如圖3所示的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將時間查詢包發(fā)送到服務(wù)器端。

　　時鐘服務(wù)器端在接收到客戶端發(fā)送來的時間查詢包的時候，將調(diào)用本地時鐘查詢函數(shù)來記錄此時間請求數(shù)據(jù)包到達(dá)的精確時間，然后根據(jù)NTP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理，再次調(diào)用系統(tǒng)時間來形成用以回饋給客戶端的時間信息包，并同時將時間信息包發(fā)回客戶端。當(dāng)客戶端收到此時間信息包后，即可根據(jù)NTP的時間計算和校準(zhǔn)公式來計算網(wǎng)絡(luò)延時和與服務(wù)器的時間差值，并在規(guī)定的時間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身的時鐘同步。此即一次完整的時間校準(zhǔn)過程。程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4　NTP程序設(shè)計流程

　　在子系統(tǒng)軟件對服務(wù)器返回的時間信息包進(jìn)行分析的過程中，還要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時延的估計。這一部分的設(shè)計對于提高時間同步的精度至關(guān)重要，因此在軟件設(shè)計前需要對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和時延數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的統(tǒng)計分析，以確定較好的時延補(bǔ)償方法。

3　性能評估

　　由系統(tǒng)測試獲得，服務(wù)器和客戶端兩端的運(yùn)行時的時鐘數(shù)據(jù)有：T1=1970010100:00:00:583， 轉(zhuǎn)化后為0 s+583 ms；T2=2011082216:17:21:368， 轉(zhuǎn)化后為1 314 029 841 s+368 ms；T3=2011082216:17:23:568， 轉(zhuǎn)化后為1 314 029 843 s+568 ms；T4=1970010100:00:02:799， 轉(zhuǎn)化后為2 s 799 ms。

　　為了計算和時間校對的方便，程序會將時鐘數(shù)值單位轉(zhuǎn)換成s和ms。
　　根據(jù)公式可以計算出:
① 時鐘的時間偏差θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2=1 314 029 840.776 s。
② 客戶端與服務(wù)器平均網(wǎng)絡(luò)路徑延遲δ=[(T4-T1)-(T3-T2)]/2=8 ms。

　　在請求時間同步的客戶端計算出時間偏差值和網(wǎng)絡(luò)路徑延時后，會根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行參考比對。如果計算所得值在閾值范圍內(nèi)，則進(jìn)行本地時鐘的調(diào)整；如果所得值超出了這個閾值范圍，則認(rèn)為這個時間信息有誤或者沒有必要進(jìn)行本地時鐘值的調(diào)整，即不進(jìn)行時鐘調(diào)整。

　　有關(guān)資料中對10 000次校時請求的往返網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行統(tǒng)計，90％以上的網(wǎng)絡(luò)時延不到1 ms，引起的網(wǎng)絡(luò)延時誤差小于±1 ms。在實(shí)際的測量過程中，系統(tǒng)時間的測量誤差一般為±10 ms。因此，測量誤差為影響結(jié)果的主要因素。另一方面，對于偶然出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)時延較大的情況，應(yīng)該在程序中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時延箝位值δ0，即當(dāng)δ>δ0時丟棄該時間信息包，重新發(fā)送校時請求，從而起到保證校時精度的作用。

　　對10 000次校時請求計算出的時差值進(jìn)行統(tǒng)計后得出，相對于其均值，時差值大約分布在±50 ms區(qū)間范圍內(nèi)，形成一條單一斜率的曲線。通常，為了避免由于校時間隔較小形成校時頻繁，應(yīng)根據(jù)時差走勢圖在程序中設(shè)置時差箝位值θ0，即當(dāng)θ θ0時，不對本地時鐘進(jìn)行更新，直接退出。

　　由實(shí)際的測試數(shù)據(jù)可以看出本設(shè)計方案能符合應(yīng)用需求。

4總結(jié)

　　本文研究和討論了NTP服務(wù)器的任務(wù)設(shè)計方案和服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵算法。系統(tǒng)選用WindRiver公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks以及高性能處理器PowerPc MPC8548ERM，穩(wěn)定性有了明顯的提高，保證了服務(wù)器系統(tǒng)能夠長時間持續(xù)工作。網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建并不復(fù)雜，但要保證達(dá)到較高的授時精度，不僅需要對網(wǎng)絡(luò)時延估計進(jìn)行深入的分析和研究，而且建立時間服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)授時體系也是非常必要的。多個時間服務(wù)器在不同的區(qū)域的合理分布，能有效保證廣域網(wǎng)的授時精度。