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(luò)飛速發(fā)展，各種支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也越來越多，各個網(wǎng)絡(luò)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(luò)授時系統(tǒng)就成為迫切需要解決的問題。
要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)中的每一臺設(shè)備，這也是網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的設(shè)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(luò)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(luò)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(shè)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)延遲。網(wǎng)絡(luò)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(luò)延遲，保證網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)路徑延遲(delay)用希臘字母δ表示。
假設(shè)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(luò)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(luò)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。
圖1 分布式系統(tǒng)中NTP實現(xiàn)原理圖
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。
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(shè)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(shè)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?
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(luò)路徑延遲δ=(T4-T1)-(T3-T2)。
圖2 NTP時間偏差與網(wǎng)絡(luò)延時
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。
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(luò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 NTP網(wǎng)絡(luò)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。
