高低成本且实施方便的时钟同步系统的实现

0  引言

　　Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等）做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

　　一般的计算机和嵌入式设备在时钟度方面没有明确的指标要求， 时钟只有10-4～10-5，每天可能误差达十几秒或更多，如果不及时校正，其累积时间误差不可忽视。许多工业控制过程需要高准确度时间，如：电力系统内众多的计算机监控系统、保护装置、故障录波器等时间同步要在ms级以内。

　　联网计算机同步时钟简便的方法是网络授时。网络授时分为广域网授时和局域网授时。Windows内置NTP服务，在局域网内其授时也只能达10 ms级。因此，提高局域网NTP授时成为一个迫切需要解决的问题。

1  网络时间协议简介

　　网络时间协议NTP（Network Time Protocol）的主要开发者是美国特拉华大学的MILLS David L.[1]教授设计实现的，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间与另一服务器同步，使用层次式时间分布模型。

　　NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而

　　可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。

　　实际应用中，还有确保秒级的简单的网络时间协议SNTP（Simple Network Time Protocol）。SNTP是NTP的一个子集，主要用于那些不需要NTP的以较高实现复杂性的网络时间同步客户机。SNTP协议已减少了网络延时对校对准确的影响，但没有冗余服务器和校正时钟频率误差功能。

　　除了符字段在SNTP中一般被忽略外，SNTP的报文格式与RFC-1305中所描述的NTP格式是一致的。NTP/SNTP服务端使用固定的UDP端口号是123。表1是NTP/SNTP报文格式的描述。

2  NTP授时原理

　　NTP典型的授时方式是Client/Server方式。如图1所示，客户机首先向服务器发送一个NTP 包，其中包含了该包离开客户机的时间戳T1，当服务器接收到该包时，依次填入包到达的时间戳T2、包离开的时间戳T3，然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时，记录包返回的时间戳T4。

　　T1为客户发送NTP请求时间戳（以客户时间为参照）；T2为服务器收到NTP请求时间戳（以服务器时间为参照）；T3为服务器回复NTP请求时间戳（以服务器时间为参照）；T4为客户收到NTP回复包时间戳（以客户时间为参照）；d1为NTP请求包传送延时，d2为NTP回复包传送延时；t为服务器和客户端之间的时间偏差，d为NTP包的往返时间。

3  NTP授时分析

　　NTP授时与NTP服务器与用户间的网络状况有关，主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度，往返路由的延时不对称值不超过网络延时。

　　假定局域网内NTP延时小于1 ms，理论上授时误差小于0.5 ms，但对于Windows操作系统内置的NTP客户和NTP服务，并不能达到此。Windows NTP时钟分辨率因操作系统和硬件不同而有所不同，时钟分辨率通常为10 ms或15 ms。基于Windows操作系统内置的NTP授时不超过10 ms。

4  基于NTP减少计算机时钟偏差

4.1  计算机时钟偏差分析

　　通用PC机自带两类时钟源：硬件时钟和软件时钟（或称为系统时钟）。不论是硬件时钟还是软件时钟，都是由石英晶体振荡器驱动的，通过累计石英晶体振荡器输出脉冲数，换算出时间。所以计算机时钟的准确度取决于晶振频率准确度。

　　由于工艺和材料的原因，同一生产线上标称频率相同的石英晶体，其实际频率是不同的，实际频率与标称频率偏差率从10-4量级到10-9量级不等。以10-4量级为例，时钟每天至少误差8.64 s。

4.2  基于NTP减少计算机时钟频率偏差

　　时钟频率偏差是时钟长期计时累积误差的主要原因，要提高时钟长期计时，必须补偿时钟频率偏差。联网的计算机可采用NTP方式，可非常方便地校准时钟频率偏差[2],其原理如图2所示。以NTP服务器时钟为标准时间，在某一时刻设置NTP客户机时间为NTP服务器当前时间T0，经过一段时间后，NTP服务器时间为T0+tsn，NTP客户端时间为T0+tcn。

 

　　任何晶振实际工作频率都是不稳定的，只是程度不同而已。即使温度补偿的晶振，在常温范围内（摄氏10℃～35℃）也有大约5×10-7～2×10-6的误差。

5  采用高分辨率时钟提高授时

　　局域网内100 B以太网帧在百兆网络物理层单向延时理论值约8 μs，要测量NTP包网络延时，提高授时，时间分辨率必须达到或高于μs级。Windows系统常用的多个与时间有关的API，其时间分辨率只能达到ms级。其中，time、gmtime、localtime的时间值到s级；函数GetTickCount返回值时间到10 ms或15 ms。

　　Windows计算机系统内部有一个高性能定时器。函数QueryPerformanceFrequency可得到这个定时器的频率。函数QueryPerformanceCounter可得到定时器的当前值。

　　Intel Pentium及以上级别的CPU中，有一个称为“时间戳（Time Stamp）”的部件，它以64 bit无符号整型数的格式，记录了自CPU上电以来所经过的时钟周期数，提供了1条机器指令RDTSC（Read Time Stamp Counter）来读取这个时间戳。但实际执行约需200个时钟周期，对于1 GHz处理器实用分辨率约0.2 μs。

　　有了μs级计时器，并不表示基于Windows系统的NTP授时实际达μs级。因为时间戳一般都在应用层加盖，包含了计算机处理和协议封装（解封）开销等不可具体量化的时延，数值大多在几百μs到几十μs间，具有随机性，无法准确预知，从而造成NTP无法进一步提高。百兆交换式局域网实际授时约±250 μs。

6  高局域网授时实现

　　在Windows计算机网络中，采用高分辨率定时器可有效提高局域网NTP授时，减少时钟与标准时间的偏差。校正时钟频率偏差系数，可减少长期计时累积误差及提高时钟准确度。

6.1  计算机网络组成

　　为使测试结果反映实际应用的环境，测试是在正常运行信息业务的真实网络环境下进行的。参加测试的计算机和网络设备正常处理日常业务。计算机网络由100多台计算机和十几台48/24口、10 M/100 M自适应交换机级联而成。

　　作为NTP服务器的是一台P4/2.8G/512 MB内存，操作系统为Windows XP台式计算机。NTP客户端的计算机是一些PⅢ/866/256 MB内存Windows XP计算机。Windows XP默认已打开UDP 123端口，为了不与Windows内置的NTP服务发生冲突，根据上述提高NTP授时高算法编写的客户端和服务器端测试程序，采用其他空闲的UDP端口，如UDP 1000端口。

6.2  实验评估

　　测试时间持续10天，客户机每分钟向服务器发出1个NTP请求进行测试：

　　（1）根据NTP返回包计算出时钟频率偏差系数k和NTP包延时d。各NTP客户机所得的测试结果类似，图3是其中1台NTP,客户机每分钟向服务器发出1个NTP请求包，计算出客户机时钟频率偏差系数组成的曲线图。时钟频率偏差系数是某一数值附近波动变化的，主要受温度的影响。所以校正时钟频率偏差系数后，时钟长期计时误差可轻易地达到10天少于1 s。

 

　　图4所示为测试过程中每次NTP包在客户机和服务器间往返的延时情况，在10天中99 %的NTP包延时小于500 μs；延时在1 ms～2 ms的NTP包24个，占0.17 %；延时在2 ms～10 ms的NTP包10个，占0.069 %；延时10 ms以上只有2个，占0.013 9 %。大延时NTP包在测试过程中上随机出现的情况将仅占1 %，延时500 μs及以的NTP包滤除后，局域网NTP授时延时小于500 μs，授时偏差不超过±250 μs。

7  进一步提高NTP授时的方法

　　局域网络延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加盖。为减少操作系统内核处理延时的影响提高NTP授时，发/收NTP包时间戳应尽量接近主机真实发/收包时刻。这种方法在局域网中可大幅提高NTP授时至μs级。

　　时钟频率偏差和时钟分辨率低是局域网NTP授时不高的主要原因。本文提出了基于通用Windows PC 软硬件架构消除这两种误差的低成本且实施方便的高方法。随着自动化的通信技术发展日新月异，以太网技术不断渗透到工业控制现场总线应用领域，许多工业控制需要的时间，如变电站顺序事件记录SOE需达ms级，本文方法可为工业以太网的高同步时钟应用作参考。