嵌入式北斗網絡時間服務器設計

王錚 齊昕 陳旭東 王敬

摘要：介紹了一種使用北斗衛星導航系統（BDS）作為時間源的NTP網絡時間服務器，給出了軟、硬件設計方案和測試結果。設備采用AM3352處理器作為CPU，運行嵌入式Linux操作系統，使用ntpd軟件實現了NTP授時服務。為驗證NTP服務器的性能，進行了測試驗證。測試結果表明，基于嵌入式系統設計的北斗網絡時間服務器授時精度優于50μs，可滿足工程應用需求。

關鍵詞：衛星導航系統；網絡時間服務；授時精度

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）09-60-4

0引言

北斗衛星導航系統是中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，是我國國家重大戰略基礎設施，在北斗衛星導航系統日漸完善和市場逐步建立的情況下，推廣北斗授時以提高網絡安全性迫在眉睫[1]。網絡時間協議（NTP）是用于網絡時間同步的標準協議，廣泛應用于通信、遙控、遙測等大型地面系統中，由于各系統配備時間和服務器時間源不統一，導致系統協同操作時產生較大時間誤差，難以滿足應用需求。為實現各應用系統時間統一及推廣北斗時應用，研發基于北斗衛星導航系統的北斗網絡時間服務器的需求愈發強烈。

1 NTP授時原理

NTP是一種廣泛應用的網絡時間同步協議，目前最新版本為NTPv4，替代并向下兼容NTPv3協議和SNTPv4協議。NTPv4協議引入了全新的時鐘馴服算法，可在新型工作站和快速以太網環境中實現幾十微秒的同步精度[2]。NTP協議具有3種工作模式，分別是對等模式、客戶端/服務器模式和廣播模式。本文以客戶端/服務器模式為例，說明NTP授時服務的工作原理。

NTP客戶端向NTP服務器發送NTP對時請求，并依據客戶端時鐘記錄發出時間戳t1c，服務器依據服務器時鐘記錄接收到對時報文的時間戳t2s，并回復一條應答報文，記錄報文發出時間戳t3s，并將t2s，t3s填入應答報文；客戶端依據自身時間記錄收到回復的時間戳t4c。對時通信過程如圖1所示。

通過一次對時報文交互，NTP客戶端獲得了4個時間戳信息，t1c，t4c依據客戶端時鐘記錄，t2s，t3s依據服務器時鐘記錄。offset是客戶端與服務器間的時間偏差（offset為正代表客戶端時間落后于服務器，c=s-offset），cs是客戶端請求報文發送至服務器的路徑時延，sc是服務器發送的響應報文的路徑延遲。因此可組成如下方程組：

客戶端可依據計算得出的offset，依據時鐘調整算法調整自身時間。

2硬件架構設計

2.1硬件架構設計

嵌入式北斗網絡授時服務器組主要由北斗接收天線、北斗OEM板卡、主板、電源、液晶屏、按鍵板及電源模塊組成。選擇德州儀器公司的Cortex-A8系列AM3352處理器，配備256 MB DDR3 SDRAM芯片和512 MB NAND-Flash，以太網物理層芯片使用AR8035，支持10/100/1 000 Mbit/s自適應以太網接口，組成框圖如圖2所示。

時間接口方面，北斗OEM板卡輸出1 pps信號至AM3352芯片通用GPIO，北斗OEM板卡串口輸出至AM3352芯片UART1，通過獲取1 pps和串口報文作為主板時間源。液晶屏通過SPI接口連接至AM3352芯片，按鍵板通過USB接口連接至AM3352以實現時間顯示和設備設置。

2.2操作系統選擇

操作系統是Linux-3.2，為了提高Linux系統時間精度，在Linux內核中增加PPS驅動，具體操作是在內核板級文件中增加GPIO-PPS的初始化，指定連接1 pps信號的GPIO為PPS來源，并使能PPS上升沿觸發，在內核編譯配置過程中使能PPS驅動。

正確加載PPS驅動后，可在Linux系統/dev文件夾下發現pps0設備，正確連接北斗OEM板后，使用watch-n1/ sys/class/pps/pps0/assert指令后，可每秒刷新打印PPS時間戳信息，即代表PPS驅動正常工作，運行結果如圖3所示。

2.3 ntpd修改與編譯

NTP服務軟件使用開源ntpd軟件包，支持NMEA格式的GPS接收機作為時間參考源，并可使用Linux系統PPS驅動，高精度同步時間至外部參考源。需要注意的是，由于北斗接收機輸出接口協議與NMEA協議有所不同，直接使用ntpd無法正確解析北斗接收機時間信息。對比NMEA和BD2.1協議中的ZDA語句如下：

BDZDA：$BDZDA，2，071657.00，13，02，2020，-08，00， 000000.00，，0，Y*09

GPZDA：$GDZDA， 104011.00，10，01，2019，00，00*68

BDZDA相對于GPZDA語句增加了定位模式、時區及時間有效位等信息，秒信息、年、月和日信息位置格式與NMEA相同，但向右移動了一個字段，導致無法正確解析$BDZDA語句，因此，需要針對ntpd源碼包內refclock_nmea.c中的ZDA解析部分代碼進行更改，將秒信息和日期信息的解析字段加1，即秒信息為第2字段，更改情況如下：

case NMEA_GPZDA：

pp->leap = LEAP_NOWARNING；

rc_time = parse_time（&date， &tofs.tv_nsec， &rdata， 2）；

rc_date = parse_date（&date， &rdata， 3， DATE_3_DDMMYYYY）；

更改完成后，為了編譯ntpd可在嵌入式Linux環境下運行，需對ntpd源碼包進行交叉編譯，產生ntpd的執行文件，將其拷貝至主板根目錄下，完成ntpd的編譯。

2.4 ntpd配置

ntpd運行配置文件為/etc/ntp.conf，修改文件內容如下：

server 127.127.20.1 mode 88 minpoll 4 iburst prefer true maxpoll 4

fudge 127.127.20.1 stratum 1 flag1 1 flag2 0 flag3 0 flag4 0 time1 0.001 refid GPS

server 127.127.22.0 minpoll 5 maxpoll 4 iburst true

fudge 127.127.22.0 flag2 0 flag3 0 flag4 1 time1 0.001 refid PPS

其含義為使用NMEA設備/dev/gps1作為時間參考源，并使用$XXZDA信息解析時間，同時使用/dev/pps0，作為PPS源，使用上升沿作為秒沿，并通過time1指令設置1 ms的零值。接收機連接至主板CPU的串口1上對應設備/dev/ttyS1，然后在/dev文件夾下建立軟連接，將/dev/ttyS1連接至/dev/gps1，供ntpd讀取時間信息。并將ntpd增加至主板Linux系統init.d文件夾內自動運行腳本增加即可實現ntpd的自動啟動，其中-g選型是使能超過1 000 s的初次調整。啟動腳本增加內容如下：

ln -s /dev/ttyS1 /dev/gps1//建立軟連接

/root/ARMNTP/bin/ntpd -g//啟動ntpd服務

ntpd啟動后，可使用ntpq -p指令查詢ntpd參考源工作狀態，正常顯示結果如下：

其中GPS_NMEA（1）代表時間參考，PPS（0）代表pps0為當前時間參考，offset為參考偏差，單位為ms。若PPS（0） offset值可正常調整到1 ms以下，則ntpd已正常跟蹤接收機，并具備NTP服務能力。

3實驗測試

3.1測試設備

設備是嵌入式北斗網絡時間服務器，測試使用儀器是網絡時間綜合分析儀。該測試儀內置銣原子鐘及北斗接收機，可跟蹤北斗衛星導航系統作為參考源，進行NTP授時精度測量。

3.2試驗方法

嵌入式北斗網絡時間服務器采用直接測量法進行測試，試驗原理基于NTP網絡時間服務原理。嵌入式北斗網絡時間服務器正常開機，連接北斗衛星導航天線、綜合時間分析儀開機，并正常跟蹤北斗，待測試儀鎖定參考源后開始測試、測試時長≥24 h，并分析測試數據波動范圍、平均值及標準方差，測試設備連接如圖4所示。

3.3測試結果

測試試驗時間為2020年3月3日—4日，使用網絡時間分析儀連續測試嵌入式北斗網絡時間服務器24 h以上，測試頻率為1 Hz，測試結果如圖5所示。

試驗統計結果如表1所示。

4結束語

本文介紹了一種嵌入式北斗網絡時間服務器的設計方法，說明了其硬件架構，描述了ntpd軟件適應北斗接收機的修改、交叉編譯和配置，并通過實驗測試驗證了嵌入式北斗網絡時間服務器的NTP時間服務精度，由試驗數據可得，網絡時間服務器時間服務精度較高，可滿足工程應用的需求。

參考文獻

[1]胡昌軍，李信，劉佳，等.北斗授時在通信領域應用現狀及推廣建議[J].電信網技術，2015（3）：36-39.

[2]王明，候雷，王昕.便攜式NTP測試儀的設計與實現[J].時間頻率學報，2017，40（1）：27-35.

[3]李貞妮，張軍，羅喜伶，等.基于VxWorks的NTP服務器的設計與實現[J].計算機工程與設計，2006（23）：4404-4407.

[4]陳希，滕玲，高強，等.NTP和PTP協議的時間同步誤差分析[J].宇航計測技術，2016，36（3）：35-40.

[5] NAKASHIMA T， OSHIMA S，NAKASHIMA A.Implementation of the Performance Evaluation System for the NTP Server[C]// Communications， Computers and Signal Processing， 2003， PACRIM， 2003 IEEE Pacific Rim Conference on 2003，28-30 Aug，2003：828.

[6] RIECK，C.An Approach to Primary NTP by Using the LINUX Kernel[C]//Frequency Control Symposium， 2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum，IEEE International， May 29 2007，2007：873-876.