《电子技术应用》

NTP时间服务器的研究与设计

2011/5/1 0:00:00

随着信息技术和网络技术的飞速发展,网络互连已经渗透到国民经济的各行各业。而网络时间同步也越来越受到重视,特别是局域网时间同步在国家安全和国民经济的诸多领域(如国防军工、电信网、金融业、交通运输、电子商务和电力系统等部门)越发不可或缺。随着嵌入式技术的发展,嵌入式与网络时间同步技术的结合,无疑具有良好的发展前景。
1 方案设计
目前网络授时的实现方法有很多种,本文采用自行设计的嵌入式系统并在上面实现SNTP协议。从而完成网络时间的同步。其系统框图如图l所示。

本系统采用C/S模型,分为网络授时同步服务器和客户端两大部分,本文主要对网络授时服务器部分进行研究。
在网络授时同步服务器中,处理器STM32f103由内部RTC模块结合日历算法来给出时间信息(年月日时分秒),再从GPS获取时间信息,并修正自己的时间,最后结合W5100芯片搭建出一个时间服务器。当客户端向服务器发出请求时,便可同步地统一客户端的时间信息,并达到ms级精度。网络传输时需实现SNTP应用层协议,设计中通过构造SNTP协议包,并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
本系统采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器.Cortex-M3内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用系统的处理器核,它在提升性能的同时,又提高了代码密度的Thumb-2指令集,同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能。所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。
TCP/IP协议栈的实现采用的固件芯片W5100是韩国WIZnet公司推出的固件网络芯片,它集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体,可支持TCP,UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP,PPPoE、Ethemet等网络协议;同时支持4个独立的Socket通信,内部16 K字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换,最大通信速率可达到25Mbps。此外,W5100还内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层,可支持自动应答(全双工/半双工模式),并提供多种总线(两种并行总线和SPI总线)接口方式,可以方便地与各种MCU连接。W5100器件的推出大大简化了硬件电路设计,可使微控制器在没有操作系统支持的情况下,真正的实现单芯片接入Internet。
2 SNTP协议分析
SNTP即简单网络时间协议,它是一个用于局域网子网末端的时间同步协议,其要求在操作过程中只允许存在一个可靠的同步时钟源,是NTP协议的一个简化版本。
2.1 SNTP的同步原理
SNTP协议主要通过同步算法来交换时间服务器和客户端的时间戳,从而估算出数据包在网络上的往返延迟,进而独立地估算系统的时钟偏差。它的时间同步原理的传输模型如图2所示。

图2中,T1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照),T2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照),T3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照),T4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照),D1为请求信息在网上传播所消耗的时间,D2为回复信息在网上传播所消耗的时间。假设请求和回复在网上的传播时间相同,即:δ1=δ2,则可得出如下公式:

式中,θ为客户端时间与标准时间之差,δ为信息在网上传播的时间。可以看到,θ、δ只与T2、T1的差值和T4、T3的差值相关,而与T2、T3的差值无关,即最终的结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此,客户端(CLIENT)即可通过T1、T2、T3、T4十算出的时差0去调整本地时钟。
2.2 SNTP协议格式
SNTP消息一般封装在UDP报文中,UDP的端口号是123,UDP头中的源端口和目的端口是一样的。SNTP消息紧跟在IP和UDP报头之后,其协议格式如图3所示。

图3中,U为跳跃指示器,可警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒(闺秒)。VN表示版本号。Mode为模式,该字段包括以下值:
O(预留);1(对称行为);3(客户机);4(服务器);5(广播);6(NTP控制信息)。Stratum用于对本地时钟级别的整体识别。Poll表示有符号整数表示连续信息间的最大间隔。Precision表示有符号整数,表示本地时钟精确度。Root Delay为有符号固定点序号,表示主要参考源的总延迟,如很短时间内的15到16间的分段点。Root Dispersion为无符号固定点序号表示相对于主要参考源的正常差错,如很短时间内的位15到16间的分段点。
Reference Identifier为识别特殊参考源。Originate Timestamp是向服务器请求分离客户机的时间,采用64位时标(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服务器请求到达客户机的时间。也采用64位时标(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客户机答复分离服务器的时间。采用64位时标(Timestamp)格式。
3 硬件设计
图4所示为W5100部分的电路图,图中给出了W5100与STM32的连接方式及其外围电路。

W5100和STM32可通过SPI方式通信。通过对SEN管脚用10 kΩ电阻上拉到高电平可允许SPI模式;由于W5100处于SPI从模式,因此,其SPI工作时钟由处于主模式的STM32提供,MISO和MOSI为用于SPI通信的两条数据线,SCLK为SPI时钟引脚;*****为片选引脚,低电平有效,主要用于在并行总线连接时由MCU访问W5100内部寄存器或存储器;INT为中断输出引脚,低电平有效,在W5100在SOCKET端口产生连接、断开、接收数据、数据发送完成以及通信超时等情况下,该引脚将输出信号以指示MCU。中断将在写入中断寄存器IR或端口的中断寄存器时被清除,所有中断都可以被屏蔽。W5100的第5、6、8和9脚是以太网物理层信号引脚,用于与RJ45接口相连接,其中第5和第6引脚是RXIP/RXlN信号对,用于接收从介质传来的差分数据,第8和第9引脚是TXOP/TXON信号对,用于将差分数据发送给介质;第66引脚是连接LED指示引脚,低电平表示10/100Mbps连接状态正常,连接正常时输出低电平,而在TX/RX状态时闪烁;第72引脚是接收状态LED指示引脚,低电平表示当前接收数据,第73引脚是发送状态LED指示引脚,低电平表示当前发送数据,这些LED指示引脚应与RJ45的相应LED指示灯引脚连接,以用于指示连接状态。除电源引脚、时钟引脚外,W5100的其它引脚DO~D7,AO~A14及WR~RD可选择悬空。
图5所示是GPS模块与STM32的连接示意图。GPS接收模块采用HOLUX生产的GPS模块M87GPS,模块的串行口输出和输入分别接到STM32的输入与输出,秒脉冲PPS信号连接到处理器的IO口,在秒脉冲(1PPS)同步的情况下,系统将实时精准地通过串口把标准的UTC时间传送给处理器STM32。

4 SNTP服务器的软件设计
SNTP服务器的软件设计主要可分为两个部分:W5100的驱动设计和SNTP协议的软件实现。其软件流程图如图6所示。

首先,利用ST公司提供的固件库可初始化STM32的系统配置,把SPI接口配置为两线单向全双工传输、主模式,以8位数据帧的格式进行传输;同时配置RTC模块产生秒脉冲,再与日历算法结合得到自身的系统时间,然后通过GPS的秒脉冲PPS修正系统时间。再通过配置W5100公共寄存器和端口寄存器来完成它的基本设置、网络信息以及端口存储器信息的没置,使之为UDP服务器模式。此后,W5100处于*状态,一旦W5100的SOCKET端口有中断事件,W5100将触发STM32的外部中断,STM32若检测到SoekRecvflag发生改变,则立即开始SNTP协议的解析。
接收SNTP协议包后,便可记录收到报文的时间T2,然后从报文中解析出时间戳T1,再将T1、T2封装成新的报文进行发送,同时发送时再记录一个发送时间T3。
5 结束语
本文基于STM32和W5100搭建了一个网络服务器硬件平台,并在其上实现了SNTP同步时间报文。经测试,本系统运行稳定,并可实现对客户端PC机的时钟同步。通过该系统可有效解决工业控制等领域的时间不同步问题。

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