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(wù)、多功能相對獨(dú)立的測控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系。由于實(shí)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(jìn)行工作，因此各節(jié)點(diǎn)之間時間的統(tǒng)一具有必要性;另一方面，當(dāng)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(zhǔn)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(shí)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(jì)難點(diǎn)。
本文將要介紹的是一種基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks的NTP網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器，其內(nèi)核響應(yīng)速度快，可以方便地支持實(shí)時處理，克服了以往開發(fā)網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器的弊端。本文介紹了NTP服務(wù)器的原理、系統(tǒng)總體任務(wù)及其通信機(jī)制設(shè)計(jì)，并針對NTP協(xié)議運(yùn)行在VxWorks下的一些問題進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確的當(dāng)前時間，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)延遲造成的影響。實(shí)際上，可通過計(jì)算報文的來回程時間來估計(jì)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(dāng)前的準(zhǔn)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(wù)器提出服務(wù)請求，根據(jù)所交換的信息計(jì)算兩地時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，從中選擇認(rèn)為最準(zhǔn)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(wù)器以固定的時間周期向某個多播地址廣播自己的時標(biāo)，客戶端不計(jì)算時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，直接用接收到的時標(biāo)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(wù)器互為主從進(jìn)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(diǎn)，最終確定選用主從模式。因?yàn)橄到y(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(shí)現(xiàn)一個子節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，就可以以相同的方法實(shí)現(xiàn)所有子節(jié)點(diǎn)的時鐘同步。
1.2 NTP原理與實(shí)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(shí)現(xiàn)。NTP算法首先就要根據(jù)服務(wù)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(wù)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(diǎn)A要向服務(wù)器方B請求時間服務(wù)。A首先要生成一個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。
圖1 分布式系統(tǒng)中NTP實(shí)現(xiàn)原理圖
其中，T1為子節(jié)點(diǎn)A發(fā)送查詢請求時間，T2為服務(wù)器B收到查詢請求時間，T3為服務(wù)器B回復(fù)時間信息包時間，T4為子節(jié)點(diǎn)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(fù)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(wù)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(jī)的發(fā)送時間戳T1;
② 服務(wù)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(wù)器本機(jī)的接收時間戳T2;
③ 服務(wù)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(wù)器本機(jī)的發(fā)送時間戳T3;
④ 客戶端接收到服務(wù)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(dāng)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(wù)器的時鐘是準(zhǔn)確的，服務(wù)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(wù)器端的路徑延遲是δ1，從服務(wù)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(wù)器的路徑延遲和從服務(wù)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(wù)器和客戶端時鐘的時間偏差θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，客戶端與服務(wù)器總的網(wǎng)絡(luò)路徑延遲δ=(T4-T1)-(T3-T2)。
圖2 NTP時間偏差與網(wǎng)絡(luò)延時
服務(wù)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(wù)器，并通過串口和上位機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)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(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中NTP協(xié)議的時間同步。
