一种用于网络同步的授时时统设计与实现

戎强 王铮 韩华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081)

一种用于网络同步的授时时统设计与实现

戎强 王铮 韩华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081)

针对众多领域的网络用户在组网时对高精度时间同步的需求，介绍了授时时统以及B码、NTP、PTP的基本原理，设计实现了一种用于网络时间同步的授时时统，并利用专业测试仪器完成了授时精度实验验证。实验结果表明：授时时统具有毫秒级到纳秒级的授时精度，可以为网络用户提供B码、NTP、PTP等高精度的授时服务，特别为距离较远的分布式用户提供了实现远程组网时间同步的可行手段。

授时时统B码NTP PTP

1 引言

随着现代通信技术的迅速发展，时钟同步技术已成为影响和制约通信发展水平的关键因素。目前，通讯网络、金融网络、测控网络、工业控制与自动化网络等众多领域均需要在较大范围内保持时间同步及时间的准确性[1]，特别是距离较远的分布式用户在远程组网时对时间同步精度提出了较高的要求。随着北斗卫星导航工程的成功实施，基于BD/GPS星基授时的时间统一系统(简称时统)得到了越来越广泛的应用，利用星基授时实现对本地时钟的精密校准，可以很好的保持被控对象与测量系统时间和频率的高度统一[2]。NTP、B码和PTP是目前工程应用中常用的3种时间码授时方式，将星基授时技术、精密时钟校准技术以及时间码授时技术综合应用可以为计算机网络提供毫秒级到纳秒级的授时服务。

2 基本原理

2.1 授时时统原理

在工程应用中，计算机网络需要保持各节点计算机之间一定精度的时间同步，常用的方法是根据系统的区域分布、系统自身特点和网络授时精度等因素为系统配置一套或若干套授时时统。根据不同的应用需求，授时时统可以自主维持一个独立的本地时间，也可以通过同步链路建立向更高级时间基准的溯源，从而保持各授时时统之间的顶层时间同步。

基于北斗/GPS卫星导航系统的授时时统利用所接收导航卫星信号中解算的高精度时间信息实现对本地时钟的精密校准，从而获得一个稳定的本地时钟源和精密时间，然后通过NTP、B码和PTP等时码授时方式将该精密时间传递出去，为网络客户端提供高精度的授时服务。

2.2 时间码基本原理

2.2.1 B码授时原理

B码，全称为IRIG-B时间码，分交流(AC)码和直流(DC)码2种，B(DC)码采用的是脉宽编码体制，适用于较近距离的传输；B(AC)码是用B(DC)码对1 kHz的正弦信号进行幅度调制来完成，交流码用于超远距离的传输，可达几十千米[3]。B码编码采用BCD编码表示秒、分、时、天和年[4]，B码编码中进行时间解算所需要的时间信息，如表1所示。

表1 B码时间编码位置

B码授时网络一般采用主从结构，B码服务器为主机，位于各个用户端的解码终端为从机。B码服务器按照B码帧结构产生B码，并分发给各个用户；用户端的解码终端按照B码帧结构进行解码，可以恢复出时间，从而实现B码授时。

NTP以客户机和服务器(Client/Server)方式进行通信，如图1所示，客户机使用时钟偏差来调整本地时钟，以使其时间与服务器时间一致[5]。

4月14日青海玉树地震发生后，水利部部长陈雷迅速作出安排部署，要求认真贯彻落实胡锦涛总书记、温家宝总理、回良玉副总理重要指示精神，立即组成工作组赶赴灾区，会同青海省水利部门迅速查清震损水利工程情况，及时采取措施，排除险情，抓紧做好排险避险预案，切实防范地震次生灾害，确保震损水利工程安全度汛。

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2.2.2 NTP授时原理

图1 NTP同步基本原理

T1为客户发送NTP请求时间戳；T2为服务器收到NTP请求时间戳；T3为服务器回复NTP请求时间戳；T4为客户收到NTP回复包时间戳，d1为NTP请求包传送延时；d2为NTP回复包传送延时；t0为服务器和客户端之间的时间偏差；d为NTP包的往返延迟时间(不含服务器端处理时间)。由图1所示的关系可得：

NTP网络通信信道近似为对等信道，即与相等，经推导可得：

由式(3)和式(4)可以看出，t0和d只与(T2-T1)及(T4-T3)有关，即最终的时差结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此，客户端即可通过T1、T2、T3、T4计算出时差用于调整本地时钟。

2.2.3 PTP授时原理

授时时统由BD/GPS接收机模块、B码模块、PTP模块、NTP模块、综合处理模块和本地晶振等功能模块构成，如图3所示。

精确时间同步协议(Precision Time Protocol，PTP)[6]，是一种主从式的时间同步技术，其原理是主时钟周期性的向网络中所有从时钟发送同步消息报文；从时钟以主时钟为参照，通过解析接收到的同步消息报文计算与主时钟之间的时间差异，并进行同步校正，实现系统同步[6]。PTP对时采用Sync、Follow_up、Delay_req、Delay_resp四种报文，Peer-to-Peer模式下PTP的基本原理如图2所示。

NTP是一种维持相同时间的通讯协定，可以估算封包在网络上的往返延迟，并独立地估算计算机的时钟偏差，从而实现在网络上的高精度计算机校时。NTP协议数据包使用TCP/IP协议族中的UDP协议，协议端口号为123。

图2 PTP同步基本原理

因此，产生了由物流服务集成商、物流服务提供商构成的两级物流服务供应链，用于满足零售商面向客户的个性化、多样化的物流服务需求。由此形成了两级产品供应链与两级物流服务供应链的联动与融合，本文将重点研究两者联动的利益协调问题。

其中，主时钟的时间原点为A，交换机的时间原点为B，从时钟的时间原点为C。主时钟到交换机的链路时延为d1，报文在交换机中的驻留时延为d2，交换机到从时钟的链路时延为d3。t1为Sync报文从主站发出的时间；t2为Sync报文被从时钟收到的时间。主时钟与交换机之间时间偏差为T1，交换机与从时钟的时间偏差为T2，这样，主时钟与从时钟的时间偏差为T1+T2。时延计算如下：

交换机在t1a时刻发出Pdelay_req报文，这个报文在t2a时刻被主时钟收到；主时钟在时刻t3a发送Pdelay_resp报文，该报文在时延t4a时刻被交换机收到，则有：

Sync报文穿过交换机的驻留时延为：

交换机在t1b时刻发出Pdelay_req报文，这个报文在t2b时刻被从时钟收到；从t3b时钟在时刻发送Pdelay_resp报文，该报文在时延t4b时刻被交换机收到。

主从时钟间钟差可由公式(5)、公式(6)和公式(7)推导得

受到多种外部因素的影响，我国高等院校的创新能力一直难以得到有效提升。尽管政府部门利用多种方式为各大高校提供了足够的资金支持，但并没有产出相应的实质性成果，创新转化能力也相对不足。从目前实际情况来看，我国高校的整体科研水平依然处在中等位置，很多项目研发效率十分低下，并且还存在重复研究的现象。同时高等院校内部愿意默默无闻从事基础性以及原创性研究工作的人员非常少，这些内部因素也在很大程度上影响到高校创新能力的发展。

只要计算出了T1+T2，主时钟和从时钟的偏差就知道了。通过调整从时钟的时间，就可以实现主从时间的统一。

综上所述，激烈的市场竞争环境下，酒店行业面临诸多挑战。企业要结合自身运营发展背景及要求，采用正确的方式，加大内部控制力度，认识到营改增对酒店财务管理工作的影响，并在该背景下依托具体的财务管理工作方法，使酒店企业财务管理工作更具科学性和有效性，提高其市场竞争力。同时，也应结合酒店行业发展特性，根据国际市场情况对内部控制制度予以构建，使酒店行业在激烈的市场竞争中脱颖而出，取得良好发展，提高资金利用率，实现效益最大化。

3 设计与实现

3.1 系统总体设计与实现

当地农民购肥积极性很低，主要因为农民种粮不挣钱，施肥量较往年减少了25%左右，再加上当地假冒伪劣肥料扰乱市场，正规经销商的日子十分难过。复合肥方面，当前出厂报价较秋季备肥期上涨了100元/吨左右。对于冬储，李晓阳表示，今年冬储的意义不大，一是因为后期价格涨跌不好预测，二是因为明年开春小麦追肥用量不大，所以今年不计划冬储。

教师专业发展的国际研究表明，教师专业发展不是从理论学习到实践应用的线性过程，而是一个在实践体验的基础上结合经验进行反思的渐进过程[6]。体育教育专业的学生通过课堂内容整体化的学习，只能得到间接经验，无法将知识与技能内化。通过到中小学进行教学实践，接触到实际的教学对象与特定的教学情景，才能有效地对知识进行“输出”，进而达成理论知识与教学实践相结合的目的。阶段性的教学实习方式提供职前体育教师充裕的教学反思时间，在返回大学继续学习时将更有针对性，以弥补和克服上一阶段教育实习的不足，形成“理论-实践-理论”的良性循环，真正实现了从教育理论走向教育实践、由教育实践检验教育理论的研究目标。

图3 PTP同步基本原理

①BD/GPS接收机模块：采用商用BD/GPS OEM模块接收BD B3和GPS L1民用信号，并对OEM模块进行接口扩展以适用系统接口要求；

②B码模块：采用FPGA、单片机、DA芯片、驱动芯片和串口模块等联合实现时间获取、DC B码与AC B码信号的生成与分发及运行状态上报等功能；

③NTP模块：采用高性能ARM处理器在Linux平台下实现时间的获取和高精度时间基准的维持，并通过配置指令实时调整该时间基准；采用带TCP/IP协议栈的W5100芯片解析并处理来自网络客户端设备的请求数据包，并回应一个处理之后的应答数据包，网络客户端设备可以结合应答数据包和请求数据包的内容，得出钟差，修正自己的时间，保证时间同步；

为了应对国际石油市场变化，各国际石油公司的经营策略主要有以下几种类型。1）资产优化型：在高度多元化的基础上，优化资产结构，聚焦核心优势资产。2）突出战略型：根据核心战略和技术优势选择不同发展方向，例如，埃克森美孚强化非常规、回归北美，壳牌倚重天然气一体化等。3）强化经营型：通过降低成本、优化方案、提高产量、增加效益等策略，努力提高股东回报率。

⑤综合处理模块：综合处理模块是授时时统的核心模块，由10 MHz分路模块、1PPS生成模块、比相模块、零值调整模块、测温模块及控制模块等子模块构成。主要实现频率和脉冲信号的分配和放大，整机零值补偿，整机状态监控与上报等功能。

④PTP模块：PTP模块采用MCU与DP83640芯片，由MCU处理媒体访问控制(MAC)层信息，进行对DP83640以太网收发器芯片的控制。DP83640芯片实现PTP协议的帧获取与处理以及硬件时间戳的产生，在物理层(PHY)处理帧保证了同步的准确性；DP83640内部时钟由25 Mhz同步到系统时钟源，用以产生时间戳与同步报文；

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 监控与时间传递流程

授时时统的监控中心为综合处理模块，综合处理模块通过6个RS232串口分别实现与BD/GPS接收机模块、B码模块、PTP模块、NTP模块、显示模块和监控模块的通信，信息内容包括模块间的时间传递、各个模块的状态上报以及外部监控计算机下达的控制指令。授时时统各模块间的时间传递流程如图4所示。

图4系统时间传递流程

BD/GPS接收机模块实现授时时统向UTC的时间溯源，综合处理模块实现UTC时间对本地晶振的校准、本地时间的建立以及向本地用户模块的时间分发，显示模块实现时间显示，监控模块实现时间上报，B码模块、NTP模块和PTP模块分别实现面向网络用户的B码、NTP和PTP授时服务。

4 实验验证

授时时统应用于网络时间同步的实验验证方案如图5所示。

图5授时精度验证方案

PolaRx3eTR接收机是比利时Sptentrio公司研发的一款高精度时间比对标准接收机(目前，该设备已应用于国际UTC时间比对，与UTC同步精度在20 ns以内)，输出的1PPS信号作为验证系统的时间参考；TC208是上海泰坦通信工程有限公司研发的一款商用PTP交换机，作为验证系统的PTP交换机；D-Link DGS-1024T是北京康海时代科技有限公司的通用网络交换机，作为验证系统的NTP交换机；TimeAcc是由上海泰坦通信工程有限公司与英国TFS公司联合研发的精密时间精度测量仪，它作为验证系统B码、NTP、PTP授时精度的评估仪器。

实验结果：①B(DC)码的授时精度优于200 ns，B(AC)码的授时精度优于10 us；②NTP直连客户端的授时精度优于1 ms，经过交换机后的授时精度优于10 ms；③PTP直连客户端的授时精度优于100 ns，经过交换机后的授时精度优于1 us。

[3]卲和明，等. 内蒙古自治区主要成矿区（带）和成矿系列[R]. 内蒙古自治区地质调查院，2001.

需要指出的是，B码授时需要在每个用户端配置解码硬件模块，不具备远距离传输能力，可用于布局较为集中的小型局域网络的组网授时；PTP授时需要在用户端配置PTP硬件模块，传输距离远、授时精度高，适用于远距离高精度的组网授时；NTP授时不需要在客户端配置硬件模块(Windows、Linux等操作系统都自带NTP同步软件)，传输距离远，适用范围广。

5 结束语

通过综合应用BD/GPS授时技术、精密时钟校准技术以及时间码授时技术，授时时统实现了本地时间向UTC时间的远程溯源，可以为网络用户提供B码、NTP、PTP等高精度的授时服务，特别为距离较远的分布式用户提供了实现远程组网时间同步的可行手段，具有很好的工程应用价值。

[1]王铮.IEEE1588时钟同步协议的研究与实现[J].计算机与网络,2012,38(23)：53-55.

[2]唐彬,徐庆芳,姚善化.北斗/GPS双模授时的B码时统终端设计[J].电测与仪表,2013,50(8)：116-120.

[3]谭卫泽,詹建.基于嵌入式微控制器的IRIG-B码编码器设计[J].装备指挥技术学院学报,2009,20(4)：82-85.

[4]GJB2991A-2008 B时间码接口终端通用规范[S].

[5]丁广,邵健,张建飞,等.高精度网络对时技术及其应用[J].数字通信世界,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