一種用于網絡同步的授時時統設計與實現

戎強 王錚 韓華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

一種用于網絡同步的授時時統設計與實現

戎強 王錚 韓華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

針對眾多領域的網絡用戶在組網時對高精度時間同步的需求，介紹了授時時統以及B碼、NTP、PTP的基本原理，設計實現了一種用于網絡時間同步的授時時統，并利用專業測試儀器完成了授時精度實驗驗證。實驗結果表明：授時時統具有毫秒級到納秒級的授時精度，可以為網絡用戶提供B碼、NTP、PTP等高精度的授時服務，特別為距離較遠的分布式用戶提供了實現遠程組網時間同步的可行手段。

授時時統B碼NTP PTP

1 引言

隨著現代通信技術的迅速發展，時鐘同步技術已成為影響和制約通信發展水平的關鍵因素。目前，通訊網絡、金融網絡、測控網絡、工業控制與自動化網絡等眾多領域均需要在較大范圍內保持時間同步及時間的準確性[1]，特別是距離較遠的分布式用戶在遠程組網時對時間同步精度提出了較高的要求。隨著北斗衛星導航工程的成功實施，基于BD/GPS星基授時的時間統一系統(簡稱時統)得到了越來越廣泛的應用，利用星基授時實現對本地時鐘的精密校準，可以很好的保持被控對象與測量系統時間和頻率的高度統一[2]。NTP、B碼和PTP是目前工程應用中常用的3種時間碼授時方式，將星基授時技術、精密時鐘校準技術以及時間碼授時技術綜合應用可以為計算機網絡提供毫秒級到納秒級的授時服務。

2 基本原理

2.1 授時時統原理

在工程應用中，計算機網絡需要保持各節點計算機之間一定精度的時間同步，常用的方法是根據系統的區域分布、系統自身特點和網絡授時精度等因素為系統配置一套或若干套授時時統。根據不同的應用需求，授時時統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的溯源，從而保持各授時時統之間的頂層時間同步。

基于北斗/GPS衛星導航系統的授時時統利用所接收導航衛星信號中解算的高精度時間信息實現對本地時鐘的精密校準，從而獲得一個穩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，為網絡客戶端提供高精度的授時服務。

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的正弦信號進行幅度調制來完成，交流碼用于超遠距離的傳輸，可達幾十千米[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碼授時網絡一般采用主從結構，B碼服務器為主機，位于各個用戶端的解碼終端為從機。B碼服務器按照B碼幀結構產生B碼，并分發給各個用戶；用戶端的解碼終端按照B碼幀結構進行解碼，可以恢復出時間，從而實現B碼授時。

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

4月14日青海玉樹地震發生后，水利部部長陳雷迅速作出安排部署，要求認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區，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案，切實防范地震次生災害，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為客戶發送NTP請求時間戳；T2為服務器收到NTP請求時間戳；T3為服務器回復NTP請求時間戳；T4為客戶收到NTP回復包時間戳，d1為NTP請求包傳送延時；d2為NTP回復包傳送延時；t0為服務器和客戶端之間的時間偏差；d為NTP包的往返延遲時間(不含服務器端處理時間)。由圖1所示的關系可得：

NTP網絡通信信道近似為對等信道，即與相等，經推導可得：

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

2.2.3 PTP授時原理

授時時統由BD/GPS接收機模塊、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成，如圖3所示。

精確時間同步協議(Precision Time Protocol，PTP)[6]，是一種主從式的時間同步技術，其原理是主時鐘周期性的向網絡中所有從時鐘發送同步消息報文；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，并進行同步校正，實現系統同步[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定，可以估算封包在網絡上的往返延遲，并獨立地估算計算機的時鐘偏差，從而實現在網絡上的高精度計算機校時。NTP協議數據包使用TCP/IP協議族中的UDP協議，協議端口號為123。

圖2 PTP同步基本原理

因此，產生了由物流服務集成商、物流服務提供商構成的兩級物流服務供應鏈，用于滿足零售商面向客戶的個性化、多樣化的物流服務需求。由此形成了兩級產品供應鏈與兩級物流服務供應鏈的聯動與融合，本文將重點研究兩者聯動的利益協調問題。

其中，主時鐘的時間原點為A，交換機的時間原點為B，從時鐘的時間原點為C。主時鐘到交換機的鏈路時延為d1，報文在交換機中的駐留時延為d2，交換機到從時鐘的鏈路時延為d3。t1為Sync報文從主站發出的時間；t2為Sync報文被從時鐘收到的時間。主時鐘與交換機之間時間偏差為T1，交換機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：

交換機在t1a時刻發出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發送Pdelay_resp報文，該報文在時延t4a時刻被交換機收到，則有：

Sync報文穿過交換機的駐留時延為：

交換機在t1b時刻發出Pdelay_req報文，這個報文在t2b時刻被從時鐘收到；從t3b時鐘在時刻發送Pdelay_resp報文，該報文在時延t4b時刻被交換機收到。

主從時鐘間鐘差可由公式(5)、公式(6)和公式(7)推導得

受到多種外部因素的影響，我國高等院校的創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，但并沒有產出相應的實質性成果，創新轉化能力也相對不足。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，很多項目研發效率十分低下，并且還存在重復研究的現象。同時高等院校內部愿意默默無聞從事基礎性以及原創性研究工作的人員非常少，這些內部因素也在很大程度上影響到高校創新能力的發展。

只要計算出了T1+T2，主時鐘和從時鐘的偏差就知道了。通過調整從時鐘的時間，就可以實現主從時間的統一。

綜上所述，激烈的市場競爭環境下，酒店行業面臨諸多挑戰。企業要結合自身運營發展背景及要求，采用正確的方式，加大內部控制力度，認識到營改增對酒店財務管理工作的影響，并在該背景下依托具體的財務管理工作方法，使酒店企業財務管理工作更具科學性和有效性，提高其市場競爭力。同時，也應結合酒店行業發展特性，根據國際市場情況對內部控制制度予以構建，使酒店行業在激烈的市場競爭中脫穎而出，取得良好發展，提高資金利用率，實現效益最大化。

3 設計與實現

3.1 系統總體設計與實現

當地農民購肥積極性很低，主要因為農民種糧不掙錢，施肥量較往年減少了25%左右，再加上當地假冒偽劣肥料擾亂市場，正規經銷商的日子十分難過。復合肥方面，當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。

教師專業發展的國際研究表明，教師專業發展不是從理論學習到實踐應用的線性過程，而是一個在實踐體驗的基礎上結合經驗進行反思的漸進過程[6]。體育教育專業的學生通過課堂內容整體化的學習，只能得到間接經驗，無法將知識與技能內化。通過到中小學進行教學實踐，接觸到實際的教學對象與特定的教學情景，才能有效地對知識進行“輸出”，進而達成理論知識與教學實踐相結合的目的。階段性的教學實習方式提供職前體育教師充裕的教學反思時間，在返回大學繼續學習時將更有針對性，以彌補和克服上一階段教育實習的不足，形成“理論-實踐-理論”的良性循環，真正實現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。

圖3 PTP同步基本原理

①BD/GPS接收機模塊：采用商用BD/GPS OEM模塊接收BD B3和GPS L1民用信號，并對OEM模塊進行接口擴展以適用系統接口要求；

②B碼模塊：采用FPGA、單片機、DA芯片、驅動芯片和串口模塊等聯合實現時間獲取、DC B碼與AC B碼信號的生成與分發及運行狀態上報等功能；

③NTP模塊：采用高性能ARM處理器在Linux平臺下實現時間的獲取和高精度時間基準的維持，并通過配置指令實時調整該時間基準；采用帶TCP/IP協議棧的W5100芯片解析并處理來自網絡客戶端設備的請求數據包，并回應一個處理之后的應答數據包，網絡客戶端設備可以結合應答數據包和請求數據包的內容，得出鐘差，修正自己的時間，保證時間同步；

為了應對國際石油市場變化，各國際石油公司的經營策略主要有以下幾種類型。1）資產優化型：在高度多元化的基礎上，優化資產結構，聚焦核心優勢資產。2）突出戰略型：根據核心戰略和技術優勢選擇不同發展方向，例如，埃克森美孚強化非常規、回歸北美，殼牌倚重天然氣一體化等。3）強化經營型：通過降低成本、優化方案、提高產量、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的核心模塊，由10 MHz分路模塊、1PPS生成模塊、比相模塊、零值調整模塊、測溫模塊及控制模塊等子模塊構成。主要實現頻率和脈沖信號的分配和放大，整機零值補償，整機狀態監控與上報等功能。

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，進行對DP83640以太網收發器芯片的控制。DP83640芯片實現PTP協議的幀獲取與處理以及硬件時間戳的產生，在物理層(PHY)處理幀保證了同步的準確性；DP83640內部時鐘由25 Mhz同步到系統時鐘源，用以產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 監控與時間傳遞流程

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

圖4系統時間傳遞流程

BD/GPS接收機模塊實現授時時統向UTC的時間溯源，綜合處理模塊實現UTC時間對本地晶振的校準、本地時間的建立以及向本地用戶模塊的時間分發，顯示模塊實現時間顯示，監控模塊實現時間上報，B碼模塊、NTP模塊和PTP模塊分別實現面向網絡用戶的B碼、NTP和PTP授時服務。

4 實驗驗證

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

實驗結果：①B(DC)碼的授時精度優于200 ns，B(AC)碼的授時精度優于10 us；②NTP直連客戶端的授時精度優于1 ms，經過交換機后的授時精度優于10 ms；③PTP直連客戶端的授時精度優于100 ns，經過交換機后的授時精度優于1 us。

[3]卲和明，等. 內蒙古自治區主要成礦區（帶）和成礦系列[R]. 內蒙古自治區地質調查院，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，不具備遠距離傳輸能力，可用于布局較為集中的小型局域網絡的組網授時；PTP授時需要在用戶端配置PTP硬件模塊，傳輸距離遠、授時精度高，適用于遠距離高精度的組網授時；NTP授時不需要在客戶端配置硬件模塊(Windows、Linux等操作系統都自帶NTP同步軟件)，傳輸距離遠，適用范圍廣。

5 結束語

通過綜合應用BD/GPS授時技術、精密時鐘校準技術以及時間碼授時技術，授時時統實現了本地時間向UTC時間的遠程溯源，可以為網絡用戶提供B碼、NTP、PTP等高精度的授時服務，特別為距離較遠的分布式用戶提供了實現遠程組網時間同步的可行手段，具有很好的工程應用價值。

[1]王錚.IEEE1588時鐘同步協議的研究與實現[J].計算機與網絡,2012,38(23)：53-55.

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

[3]譚衛澤,詹建.基于嵌入式微控制器的IRIG-B碼編碼器設計[J].裝備指揮技術學院學報,2009,20(4)：82-85.

[4]GJB2991A-2008 B時間碼接口終端通用規范[S].

[5]丁廣,邵健,張建飛,等.高精度網絡對時技術及其應用[J].數字通信世界,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