嵌入式分布系統(tǒng)中網(wǎng)絡設備的時間同步

蘇偉，楊斌

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031）

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、多功能相對獨立的測控計算機結(jié)構(gòu)體系。由于實現(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)一的時間尺度下進行工作，因此各節(jié)點之間時間的統(tǒng)一具有必要性；另一方面，當今世界寬帶網(wǎng)絡飛速發(fā)展，各種支持網(wǎng)絡系統(tǒng)也越來越多，各個網(wǎng)絡系統(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、準確和通用的網(wǎng)絡授時系統(tǒng)就成為迫切需要解決的問題。

要實現(xiàn)網(wǎng)絡設備時間同步，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)絡中的每一臺設備，這也是網(wǎng)絡時間同步系統(tǒng)的設計難點。

本文將要介紹的是一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的NTP網(wǎng)絡授時服務器，其內(nèi)核響應速度快，可以方便地支持實時處理，克服了以往開發(fā)網(wǎng)絡授時服務器的弊端。本文介紹了NTP服務器的原理、系統(tǒng)總體任務及其通信機制設計，并針對NTP協(xié)議運行在VxWorks下的一些問題進行了相應的改進，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)絡的通信來實現(xiàn)計算機時鐘的同步，而數(shù)據(jù)本身在網(wǎng)絡上的傳輸也是需要時間的。因此，要獲得準確的當前時間，就必須考慮網(wǎng)絡延遲造成的影響。實際上，可通過計算報文的來回程時間來估計網(wǎng)絡延遲。網(wǎng)絡時間同步的最主要問題是，如何獲得當前的準確時間。NTP通過一系列同步算法選擇精確時間，規(guī)避網(wǎng)絡延遲，保證網(wǎng)絡時間同步的安全性。

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器提出服務請求，根據(jù)所交換的信息計算兩地時間偏差和網(wǎng)絡延遲，從中選擇認為最準確的時間偏差并調(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器以固定的時間周期向某個多播地址廣播自己的時標，客戶端不計算時間偏差和網(wǎng)絡延遲，直接用接收到的時標修正自己的時鐘，忽略各種誤差。

③對稱模式（Symmetric mode）：兩個以上的時間服務器互為主從進行時間消息的通信，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，最終確定選用主從模式。因為系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是完全相同的，所以只需要先實現(xiàn)一個子節(jié)點的服務，就可以以相同的方法實現(xiàn)所有子節(jié)點的時鐘同步。

1.2 NTP原理與實現(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現(xiàn)。NTP算法首先就要根據(jù)服務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)絡中傳輸?shù)难舆t。這里定義，客戶端和時間服務器之間的時間偏差（offset）用希臘字母θ表示，對時過程中的網(wǎng)絡路徑延遲（delay）用希臘字母δ表示。

假設子節(jié)點A要向服務器方B請求時間服務。A首先要生成一個標準的NTP查詢信息包，通過網(wǎng)絡發(fā)送到B。B收到查詢信息包后，根據(jù)自己的本地時間，生成一個標準的NTP時間信息包，通過網(wǎng)絡發(fā)回給A。分布式系統(tǒng)中的NTP實現(xiàn)原理圖如圖1所示。

其中，T1為子節(jié)點A發(fā)送查詢請求時間，T2為服務器B收到查詢請求時間，T3為服務器B回復時間信息包時間，T4為子節(jié)點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的發(fā)送時間戳T1；

②服務器接收到客戶NTP數(shù)據(jù)包后，同時在數(shù)據(jù)包上打上服務器本機的接收時間戳T2；

③服務器向客戶返回NTP數(shù)據(jù)包后，同時在數(shù)據(jù)包上打上服務器本機的發(fā)送時間戳T3；

④客戶端接收到服務器返回的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。

圖1 分布式系統(tǒng)中NTP實現(xiàn)原理圖

當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。

這里設定服務器的時鐘是準確的，服務器和客戶端時鐘的時間偏差是θ，從客戶端發(fā)送報文到服務器端的路徑延遲是δ1，從服務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：

假設從客戶端到服務器的路徑延遲和從服務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?/p>

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

服務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。

圖2 NTP時間偏差與網(wǎng)絡延時

2 分布式系統(tǒng)整體架構(gòu)及實現(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)板作為時間服務器，并通過串口和上位機相連接，以實現(xiàn)通過上位機來控制整個分布式系統(tǒng)。NTP網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 NTP網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2.2 NTP設計實現(xiàn)

由于整個系統(tǒng)是獨立的分布式系統(tǒng)，整個系統(tǒng)對絕對時間的要求不高，只需要各子系統(tǒng)之間的相對時間達到一致即可。所以首先需要確立一個子系統(tǒng)作為服務器端，此端受上位機系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)運行時，通過上位機向此服務器端發(fā)送預設的時鐘值，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器申請時間校準服務。

NTP服務器上的時間戳為從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)點的時間戳與服務器時間戳計算時，需在子節(jié)點的時間戳基礎上加上1900～1970年的秒數(shù)：3 600s×24×（365×70＋17）。

在程序?qū)崿F(xiàn)中，每隔固定的一段時間子節(jié)點就需要進行時鐘校對。校對時，子節(jié)點首先需要調(diào)用系統(tǒng)底層提供的本地時間查詢函數(shù)，得到當前系統(tǒng)準確時間，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)絡環(huán)境，將時間查詢包發(fā)送到服務器端。

時鐘服務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)包到達的精確時間，然后根據(jù)NTP協(xié)議的實現(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的時間計算和校準公式來計算網(wǎng)絡延時和與服務器的時間差值，并在規(guī)定的時間范圍內(nèi)實現(xiàn)自身的時鐘同步。此即一次完整的時間校準過程。程序設計流程如圖4所示。

圖4 NTP程序設計流程

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

3 性能評估

由系統(tǒng)測試獲得，服務器和客戶端兩端的運行時的時鐘數(shù)據(jù)有：T1＝1970－01－01 00：00：00：583，轉(zhuǎn)化后為0s＋583ms；T2＝2011－08－22 16：17：21：368，轉(zhuǎn)化后為1 314 029 841s＋368ms；T3＝2011－08－22 16：17：23：568，轉(zhuǎn)化后為1 314 029 843s＋568ms；T4＝1970－01－01 00：00：02：799，轉(zhuǎn)化后為2s799ms。

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＝1 314 029 840.776s。

②客戶端與服務器平均網(wǎng)絡路徑延遲δ＝［（T4－T1）－（T3－T2）］／2＝8ms。

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

有關資料中對10 000次校時請求的往返網(wǎng)絡時延進行統(tǒng)計，90%以上的網(wǎng)絡時延不到1ms，引起的網(wǎng)絡延時誤差小于±1ms。在實際的測量過程中，系統(tǒng)時間的測量誤差一般為±10ms。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)絡時延較大的情況，應該在程序中設置網(wǎng)絡時延箝位值δ0，即當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行統(tǒng)計后得出，相對于其均值，時差值大約分布在±50ms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，應根據(jù)時差走勢圖在程序中設置時差箝位值θ0，即當θ＜θ0時，不對本地時鐘進行更新，直接退出。

由實際的測試數(shù)據(jù)可以看出本設計方案能符合應用需求。

4 總 結(jié)

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

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