嵌入式分布系統中網(wǎng)絡(luò )設備的時(shí)間同步

引言

　　隨著(zhù)我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，將逐步構建多群、多任務(wù)、多功能相對獨立的測控計算機結構體系。由于實(shí)現功能的不同，系統的組織結構與操作系統也千差萬(wàn)別，對時(shí)間精度的要求很不相同。整個(gè)系統必須在統一的時(shí)間尺度下進(jìn)行工作，因此各節點(diǎn)之間時(shí)間的統一具有必要性；另一方面，當今世界寬帶網(wǎng)絡(luò )飛速發(fā)展，各種支持網(wǎng)絡(luò )系統也越來(lái)越多，各個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統之間互聯(lián)也需要高精度、通用的時(shí)間同步。在這種狀況下，如何探索和研制簡(jiǎn)便、可靠、準確和通用的網(wǎng)絡(luò )授時(shí)系統就成為迫切需要解決的問(wèn)題。

　　要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )設備時(shí)間同步，主要完成兩方面的工作內容：第一，通過(guò)某種授時(shí)方式獲取精確時(shí)間；第二，將精確時(shí)間同步到網(wǎng)絡(luò )中的每一臺設備，這也是網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統的設計難點(diǎn)。

　　本文將要介紹的是一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks的NTP網(wǎng)絡(luò )授時(shí)服務(wù)器，其內核響應速度快，可以方便地支持實(shí)時(shí)處理，克服了以往開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )授時(shí)服務(wù)器的弊端。本文介紹了NTP服務(wù)器的原理、系統總體任務(wù)及其通信機制設計，并針對NTP協(xié)議運行在VxWorks下的一些問(wèn)題進(jìn)行了相應的改進(jìn)，同時(shí)通過(guò)性能測試分析表明本系統的有效性。

1　NTP工作原理

1.1　NTP協(xié)議

　　NTP協(xié)議是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的通信來(lái)實(shí)現計算機時(shí)鐘的同步，而數據本身在網(wǎng)絡(luò )上的傳輸也是需要時(shí)間的。因此，要獲得準確的當前時(shí)間，就必須考慮網(wǎng)絡(luò )延遲造成的影響。實(shí)際上，可通過(guò)計算報文的來(lái)回程時(shí)間來(lái)估計網(wǎng)絡(luò )延遲。網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步的最主要問(wèn)題是，如何獲得當前的準確時(shí)間。NTP通過(guò)一系列同步算法選擇精確時(shí)間，規避網(wǎng)絡(luò )延遲，保證網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步的安全性。

　　NTP 協(xié)議支持3種對時(shí)工作方式。

① 主從模式(Server/Client mode)：用戶(hù)向一個(gè)或幾個(gè)服務(wù)器提出服務(wù)請求，根據所交換的信息計算兩地時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò )延遲，從中選擇認為最準確的時(shí)間偏差并調整本地的時(shí)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(gè)或多個(gè)服務(wù)器以固定的時(shí)間周期向某個(gè)多播地址廣播自己的時(shí)標，客戶(hù)端不計算時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò )延遲，直接用接收到的時(shí)標修正自己的時(shí)鐘，忽略各種誤差。

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

　　根據本系統的特點(diǎn)，最終確定選用主從模式。因為系統中各個(gè)子系統的結構和功能是完全相同的，所以只需要先實(shí)現一個(gè)子節點(diǎn)的服務(wù)，就可以以相同的方法實(shí)現所有子節點(diǎn)的時(shí)鐘同步。

1.2　NTP原理與實(shí)現

　　本系統的NTP協(xié)議的對時(shí)工作是在主從工作方式下實(shí)現。NTP算法首先就要根據服務(wù)器和客戶(hù)端的往返報文來(lái)確定兩地時(shí)鐘的差值和報文在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的延遲。這里定義，客戶(hù)端和時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)間偏差（offset）用希臘字母θ表示，對時(shí)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò )路徑延遲（delay）用希臘字母δ表示。

　　假設子節點(diǎn)A要向服務(wù)器方B請求時(shí)間服務(wù)。A首先要生成一個(gè)標準的NTP查詢(xún)信息包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到B。B收到查詢(xún)信息包后，根據自己的本地時(shí)間，生成一個(gè)標準的NTP時(shí)間信息包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)回給A。分布式系統中的NTP實(shí)現原理圖如圖1所示。

圖1　分布式系統中NTP實(shí)現原理圖

　　其中，T1為子節點(diǎn)A發(fā)送查詢(xún)請求時(shí)間，T2為服務(wù)器B收到查詢(xún)請求時(shí)間，T3為服務(wù)器B回復時(shí)間信息包時(shí)間，T4為子節點(diǎn)A接收到的時(shí)間信息包時(shí)間，T1、T2、T3和T4以客戶(hù)方的時(shí)間系統為參照，δ1為請求信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間，δ2為回復信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間。

　　其過(guò)程如下：

① 客戶(hù)端首先向時(shí)間服務(wù)器發(fā)送一個(gè)NTP 數據包，同時(shí)在數據包上打上客戶(hù)端本機的發(fā)送時(shí)間戳T1；
② 服務(wù)器接收到客戶(hù)NTP 數據包后，同時(shí)在數據包上打上服務(wù)器本機的接收時(shí)間戳T2；
③ 服務(wù)器向客戶(hù)返回NTP 數據包后，同時(shí)在數據包上打上服務(wù)器本機的發(fā)送時(shí)間戳T3；
④ 客戶(hù)端接收到服務(wù)器返回的NTP 數據包，同時(shí)在數據包上打上客戶(hù)端接收時(shí)間戳T4。

　　當完成了整個(gè)過(guò)程之后，客戶(hù)端就擁有了4個(gè)時(shí)間T1~T4，并通過(guò)他們算出A與B時(shí)間上的差值，用以參考并調整客戶(hù)方時(shí)鐘。

　　這里設定服務(wù)器的時(shí)鐘是準確的，服務(wù)器和客戶(hù)端時(shí)鐘的時(shí)間偏差是θ，從客戶(hù)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(hù)端的路徑延遲是δ2，路徑延遲總和是δ. 那么可以列出3個(gè)方程式：


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

　　可以求出，服務(wù)器和客戶(hù)端時(shí)鐘的時(shí)間偏差θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，客戶(hù)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(shí)間偏差與網(wǎng)絡(luò )延時(shí)

　　服務(wù)器和客戶(hù)端之間的時(shí)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(shí)間偏差值后，需要使用時(shí)間偏差值來(lái)調整本地時(shí)鐘的時(shí)間，才算完成了NTP 時(shí)間同步的全部工作。

2　分布式系統整體架構及實(shí)現

2.1　分布式系統架構

　　目前課題的整個(gè)系統是由5塊相同的嵌入式開(kāi)發(fā)板組成，硬件平臺是PowerPC MPC8548ERM，移植的操作系統為VxWorks 5.5，開(kāi)發(fā)板之間的連接通信目前實(shí)現了3種方式，即以太網(wǎng)、串口和Rapid IO方式，本方案時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現是基于以太網(wǎng)通信介質(zhì)的。其中一塊開(kāi)發(fā)板作為時(shí)間服務(wù)器，并通過(guò)串口和上位機相連接，以實(shí)現通過(guò)上位機來(lái)控制整個(gè)分布式系統。NTP網(wǎng)絡(luò )分布式系統結構如圖3所示。

圖3　NTP網(wǎng)絡(luò )分布式系統結構

　　本課題目前基于UDP協(xié)議實(shí)現分布式系統中NTP協(xié)議的時(shí)間同步。

2.2　NTP設計實(shí)現

　　由于整個(gè)系統是獨立的分布式系統，整個(gè)系統對絕對時(shí)間的要求不高，只需要各子系統之間的相對時(shí)間達到一致即可。所以首先需要確立一個(gè)子系統作為服務(wù)器端，此端受上位機系統的控制。系統運行時(shí)，通過(guò)上位機向此服務(wù)器端發(fā)送預設的時(shí)鐘值，此時(shí)鐘源就作為整個(gè)分布式系統的參考時(shí)鐘源。 而其他子系統作為客戶(hù)端，可以在合適的時(shí)候向服務(wù)器申請時(shí)間校準服務(wù)。

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

　　在程序實(shí)現中，每隔固定的一段時(shí)間子節點(diǎn)就需要進(jìn)行時(shí)鐘校對。校對時(shí)，子節點(diǎn)首先需要調用系統底層提供的本地時(shí)間查詢(xún)函數，得到當前系統準確時(shí)間，然后將此時(shí)鐘數據打包成專(zhuān)用的NTP數據格式，形成時(shí)間查詢(xún)包，再通過(guò)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(shí)間查詢(xún)包發(fā)送到服務(wù)器端。

　　時(shí)鐘服務(wù)器端在接收到客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的時(shí)間查詢(xún)包的時(shí)候，將調用本地時(shí)鐘查詢(xún)函數來(lái)記錄此時(shí)間請求數據包到達的精確時(shí)間，然后根據NTP 協(xié)議的實(shí)現原理，再次調用系統時(shí)間來(lái)形成用以回饋給客戶(hù)端的時(shí)間信息包，并同時(shí)將時(shí)間信息包發(fā)回客戶(hù)端。當客戶(hù)端收到此時(shí)間信息包后，即可根據NTP的時(shí)間計算和校準公式來(lái)計算網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和與服務(wù)器的時(shí)間差值，并在規定的時(shí)間范圍內實(shí)現自身的時(shí)鐘同步。此即一次完整的時(shí)間校準過(guò)程。程序設計流程如圖4所示。

圖4　NTP程序設計流程

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

3　性能評估

　　由系統測試獲得，服務(wù)器和客戶(hù)端兩端的運行時(shí)的時(shí)鐘數據有：T1=1970010100:00:00:583， 轉化后為0 s+583 ms；T2=2011082216:17:21:368， 轉化后為1 314 029 841 s+368 ms；T3=2011082216:17:23:568， 轉化后為1 314 029 843 s+568 ms；T4=1970010100:00:02:799， 轉化后為2 s 799 ms。

　　為了計算和時(shí)間校對的方便，程序會(huì )將時(shí)鐘數值單位轉換成s和ms。
　　根據公式可以計算出:
① 時(shí)鐘的時(shí)間偏差θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2=1 314 029 840.776 s。
② 客戶(hù)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(shí)間同步的客戶(hù)端計算出時(shí)間偏差值和網(wǎng)絡(luò )路徑延時(shí)后，會(huì )根據設置的閾值進(jìn)行參考比對。如果計算所得值在閾值范圍內，則進(jìn)行本地時(shí)鐘的調整；如果所得值超出了這個(gè)閾值范圍，則認為這個(gè)時(shí)間信息有誤或者沒(méi)有必要進(jìn)行本地時(shí)鐘值的調整，即不進(jìn)行時(shí)鐘調整。

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

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

　　由實(shí)際的測試數據可以看出本設計方案能符合應用需求。

4總結

　　本文研究和討論了NTP服務(wù)器的任務(wù)設計方案和服務(wù)器實(shí)現的關(guān)鍵算法。系統選用WindRiver公司開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks以及高性能處理器PowerPc MPC8548ERM，穩定性有了明顯的提高，保證了服務(wù)器系統能夠長(cháng)時(shí)間持續工作。網(wǎng)絡(luò )時(shí)間服務(wù)系統的構建并不復雜，但要保證達到較高的授時(shí)精度，不僅需要對網(wǎng)絡(luò )時(shí)延估計進(jìn)行深入的分析和研究，而且建立時(shí)間服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )授時(shí)體系也是非常必要的。多個(gè)時(shí)間服務(wù)器在不同的區域的合理分布，能有效保證廣域網(wǎng)的授時(shí)精度。