丁永紅

(淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽　淮南　232001)

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基于ORBUS時間系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時間同步

丁永紅

(淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽淮南232001)

摘要：時間同步在分布式計(jì)算機(jī)中起了很大的作用，分布式中計(jì)算機(jī)對計(jì)算機(jī)的可靠性與精確性要求很高。關(guān)于NTP/SNTP協(xié)議是基于ORBUS時間系統(tǒng)的，它是一種在網(wǎng)絡(luò)時間上同步的組織方式。這種協(xié)議可以使得跨網(wǎng)段時間同步節(jié)點(diǎn)數(shù)降低，而且也可以減少網(wǎng)絡(luò)方面的開支等等，本論文對NTP網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，研究的NTP協(xié)議可以應(yīng)用于繁瑣分布式網(wǎng)絡(luò)，相比于其他的協(xié)議，NTP協(xié)議的這種同步方式要在網(wǎng)絡(luò)時間同步中的應(yīng)用需要在精度、穩(wěn)定性方面加以提高。NTP/SNTP協(xié)議本身具備的網(wǎng)絡(luò)時間同步組織方式在分布式網(wǎng)絡(luò)中有著很好的適用性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)時間同步；ORBUS時間系統(tǒng)；NTP/SNTP協(xié)議

當(dāng)今社會，Internet的發(fā)展與日俱增，Internet的應(yīng)用范圍已經(jīng)波及到了許多的領(lǐng)域，Internet在廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)方面的應(yīng)用滿足了這一領(lǐng)域的市場需求。在這個環(huán)境背景下，分布式的發(fā)展就不得不加以重視了，計(jì)算機(jī)工作的完成，需要加強(qiáng)準(zhǔn)備工作與任務(wù)安排，同時在可靠性方面加以提高，在效率方面加以完善。對計(jì)算機(jī)高可靠性和高效率方面的要求需要一些關(guān)鍵的技術(shù)，其中最基本的技術(shù)就是時間上同步的技術(shù)，應(yīng)用時間同步技術(shù)的領(lǐng)域包括航空管理系統(tǒng)、核能發(fā)電系統(tǒng)等，它們對精確度與可靠度的要求很高，因?yàn)橐粋€很小的錯誤會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，必須認(rèn)真對待，而且精確度與可靠性還體現(xiàn)在軟件開發(fā)以及電子商務(wù)等方面。但是現(xiàn)實(shí)與理想總是有差別的，計(jì)算機(jī)的時鐘工作是會因外部環(huán)境改變而變化的，比如溫度、電源這些客觀因素會導(dǎo)致時鐘運(yùn)行不穩(wěn)定，所以要想實(shí)現(xiàn)時鐘同步不是很容易。

許多時間同步軟、硬件都依賴于系統(tǒng)平臺，擴(kuò)展性差導(dǎo)致很難在異構(gòu)的環(huán)境下融合進(jìn)去，所以時間同步利用中間件技術(shù)可以很好的滿足這種情況。中間件技術(shù)CORBA會給出一些必要的關(guān)于時間服務(wù)的接口，ORBUS時間系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以把時間精確到毫秒級，可以滿足小型局域網(wǎng)對時間方面精確度的要求。想要對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，可以在精度與穩(wěn)定性方面著手，從而擴(kuò)大適用范圍，比如可以應(yīng)用到廣域網(wǎng)上去。

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議是基于UDP的一種協(xié)議，端口號是123，而且也是經(jīng)過了網(wǎng)絡(luò)上同步的計(jì)算機(jī)時間協(xié)議，該協(xié)議采用的思想也是分層思想，時間上同步的精確度主要是基于時鐘源硬件上的精確度與網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的延遲。NTP協(xié)議一共有五個版本的，分別是V0/V1/V2/V3/V4?，F(xiàn)今V3/V4是用的比較多的版本。在不同情況下，使用哪個版本都是有規(guī)定的。在原理上，NTP時鐘同步包括頻率上的同步與時間上的同步。頻率上的同步是使得各自的頻率相同，而相位上沒要求相同；對應(yīng)的，時間同步是指絕對的時間是相同的，時鐘的同步技術(shù)做到了從脈模式、PTP模式等。NTP是1985年由美國的David l.Mills教授發(fā)明的，是一種用來保證計(jì)算機(jī)在時間上實(shí)現(xiàn)同步的協(xié)議，用在分布式的服務(wù)器與客戶機(jī)上。

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步的技術(shù)是來自1981年的Internet時鐘服務(wù)，這個Internet時鐘服務(wù)用ICMP協(xié)議中的時間戳與時間戳的響應(yīng)消息來實(shí)現(xiàn)主機(jī)間的時間查詢與時鐘同步，而且這個服務(wù)另外還使用到了GGP協(xié)議，就是所謂的網(wǎng)關(guān)至網(wǎng)關(guān)協(xié)議。NTP是應(yīng)用層上的Internet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是位于IP協(xié)議與UDP協(xié)議上面的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的優(yōu)勢在于時間精確度高，并且廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域中。

一、相關(guān)技術(shù)

時間同步服務(wù)器是針對自動化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)、控制裝置等進(jìn)行校時的高科技產(chǎn)品，時間同步服務(wù)器從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時間信號，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時間信息的設(shè)備(計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠(yuǎn)動RTU)，這樣就可以達(dá)到整個系統(tǒng)的時間同步。時間同步服務(wù)器采用SMT表面貼裝技術(shù)生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，以高速芯片進(jìn)行控制，具有精度高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)、無積累誤差、不受地域氣候等環(huán)境條件限制、性價比高、操作簡單等特點(diǎn)，全自動智能化運(yùn)行、免操作維護(hù)、適合無人值守的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于電力、金融、通信、交通、廣電、石化、冶金、國防、教育、IT、公共服務(wù)設(shè)施等各個領(lǐng)域。時間同步技術(shù)由兩部分組成，就是邏輯上的時鐘同步和物理上的時鐘同步。物理上的時鐘同步又可以細(xì)分成分布式系統(tǒng)中的分布式算法與集中式算法。集中式算法普遍應(yīng)用Cristian算法與Berkeley算法，而分布式算法普遍應(yīng)用平均值算法、SNTP、NTP等等。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)和簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)隨著當(dāng)今信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，已逐漸成為了Internet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中重要的一個，不斷適用多個領(lǐng)域。

關(guān)于NTP時間同步方面的問題，至今為止，有很多時間同步技術(shù)來解決。這些技術(shù)彼此間都有著他們本身的特性，而且時間同步技術(shù)之間在時間精確度方面也有區(qū)別，常見的技術(shù)主要有：

1.長短波授時時間同步技術(shù)

通過使用無線電信號授時歷經(jīng)了80多年，縱觀國內(nèi)外，國外有長波授時的羅蘭-C系統(tǒng)，國內(nèi)在這方面的技術(shù)也有發(fā)展，大多數(shù)用于軍事和導(dǎo)航方面。

2.電話撥號時間同步技術(shù)

電話撥號授時簡稱為ACTS，其所需要的設(shè)備很少，主要是模擬調(diào)制解調(diào)器、客戶端軟件、電話線、PC等等。通常這種情況是比較適合用家庭個人計(jì)算機(jī)的，但是實(shí)時性不滿足。

3.GPS時間同步技術(shù)

時間同步技術(shù)已經(jīng)有了一定的發(fā)展歷史，而且這方面的研究比較多，國際上用的比較多的是來自美國的GPS與來自前蘇聯(lián)的GLANASS系統(tǒng)以及來自我國的“北斗”系統(tǒng)。GLANASS系統(tǒng)的適用性不高，主要是因?yàn)閿?shù)量上的限制，以及在穩(wěn)定性與可靠性方面達(dá)不到要求，而“北斗”系統(tǒng)適時覆蓋這方面也很難達(dá)到要求，所以相比較下GPS的適用性比較強(qiáng)。

4.互聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)時間同步是一件很方便的事情，而且這種方式普遍應(yīng)用于局域網(wǎng)中，同時微軟公司把NTP應(yīng)用到了Windows XP系統(tǒng)中去，一旦計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可以計(jì)算了，那么局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)上的時間校準(zhǔn)也可以計(jì)算出來。NTP協(xié)議用到的是RFC1350標(biāo)準(zhǔn)，而簡化的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)則是用到了RFC1769標(biāo)準(zhǔn)。在 NTP協(xié)議中會有一個64位的時間戳，時間分辨率可以達(dá)到200ps，時間精確度上可以達(dá)到1-50ms。然而事實(shí)證明互聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)在國際上的時間精確度是幾百甚至秒級的標(biāo)準(zhǔn)。同時對于Time協(xié)議(RFC868)和Daytime協(xié)議(RFC867)時間校準(zhǔn)度是1s。

二、NTP/SNTP協(xié)議的工作原理

在計(jì)算機(jī)的世界里，時間非常重要，例如火箭發(fā)射這種科研活動，對時間的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性要求就非常高，是按照A這臺計(jì)算機(jī)的時間，還是按照B這臺計(jì) 算機(jī)的時間？NTP就是用來解決這個問題的，NTP(Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)是用來使網(wǎng)絡(luò)中的各個計(jì)算機(jī)時間同步的一種協(xié)議。它的用途是把計(jì)算機(jī)的時鐘同步到世界協(xié)調(diào)時UTC，其精度在局域網(wǎng)內(nèi)可達(dá)0.1ms，在互聯(lián)網(wǎng)上絕大多數(shù)的地方其精度可以達(dá)到1-50ms。

NTP/SNTP是通過客戶機(jī)服務(wù)器的形式來完成通信的，先是客戶機(jī)把一個來自請求的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，服務(wù)器收到這個請求后就進(jìn)行回應(yīng)，發(fā)回一個數(shù)據(jù)包，這來回的兩個數(shù)據(jù)包自身帶著時間戳，客戶機(jī)與服務(wù)器間的時間偏移量和網(wǎng)絡(luò)延遲可以通過這4個時間戳計(jì)算。

通過圖1中顯示可以看出:把t1設(shè)為來自客戶機(jī)發(fā)送給查詢請求時的時間戳，t2設(shè)為服務(wù)器收到查詢請求時的時問戳，t3為服務(wù)器回復(fù)時間信息時的時間戳，t4為客戶機(jī)收到時間信息時的時間戳，可以得到信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時間是(t4-t1)-(t3-t2)，如果請求信息和回復(fù)信息這兩者的網(wǎng)上傳輸時間是一樣的，那么單程網(wǎng)絡(luò)延遲就是等于：[(t4-t1)-(t3-t2)]/2,時間的偏移量是[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。

NTP/SNTP的同步模型如圖1：

圖1　NIP/SNTP的同步模型

由上可知道，時間偏移量的計(jì)算是客戶機(jī)利用t1,t2,t3,t4這四個變量求出的。NTP需要設(shè)計(jì)成適合任何客戶端與服務(wù)器的，即使客戶端與服務(wù)器之間性能的差異也很大，而且NTP也可以用在范圍比較大的網(wǎng)絡(luò)延遲與抖動方面上。NTP計(jì)算出最初的時間偏移量后，利用相關(guān)的算法與機(jī)制得到時間偏移量的最佳值來改變本地的時鐘。

三、基于ORBUS時間系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時間同步的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

分布式網(wǎng)絡(luò)由多個較小的局域網(wǎng)絡(luò)組成，好比屬于Internet系列的有許多的子域，對于企業(yè)而言，通常其內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)是多個不同的部門組成的，而與此同時，部門內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)就組成了一個高速的局域網(wǎng)。鑒于網(wǎng)絡(luò)處于不一樣的環(huán)境下，基于ORBUS的時間系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)時間要求同步。NTP協(xié)議的分層思想主要是應(yīng)用于規(guī)模較大的分布式網(wǎng)絡(luò)中，把網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層管理，其中的第一層主要是無線電時鐘與UTC的同步，或者是收到的GPS秒脈沖與UTC的時間同步，其中第二層中有很多的時間上同步的服務(wù)器和第一層是同步的，第二層的存在給第三層提供了時間同步的服務(wù)冗余。第三層的時間服務(wù)器與很多的局域網(wǎng)都有聯(lián)系。

四、網(wǎng)絡(luò)中時間同步的NTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

基于ORBUS時間系統(tǒng)NTP/SNTP的這種同步模型，實(shí)現(xiàn)同步的過程需要設(shè)置服務(wù)器端的時間戳，其中t2是用函數(shù)_ftime()來得到的，t3-t2是用函數(shù)QueryPerformance-Counter()得到的，得到了t3-t2的值，又知道了t2的值,那么很容易可以得到t3的值了，要想從繼承信息中得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息與層次信息，可以在UTO對象中添加一個OR-BUS_set_str_tp_dp_ep()的方法，目的是為了用到t2與t3的時間。對于時間同步系統(tǒng)的這個設(shè)計(jì)，我們不需要了解底層的一些具體通信，只需要考慮到CORBA的可擴(kuò)展性，本論文主要講到的是ORBUS的時間同步系統(tǒng)是建立在原來的ORBUS的時間系統(tǒng)上的。

基于ORBUS的時間系統(tǒng)的NTP同步設(shè)計(jì)用到了NTP分層的思想，通過網(wǎng)絡(luò)分成多個層，每一層之間都彼此有著聯(lián)系，上一層為下一層服務(wù)，下一層向上一層提出請求服務(wù)，并且這兩個進(jìn)程之間是彼此分開的、獨(dú)立的，繼承的信息客戶進(jìn)程從上層那里得到信息與本層的信息，從而進(jìn)行層與層之間的信息傳遞。在運(yùn)行的時候，客戶的進(jìn)程就會發(fā)送請求，服務(wù)器的進(jìn)程就會得到服務(wù)器的時間戳與另外一些繼承之類的信息，然后客戶進(jìn)程就把需要更新的數(shù)據(jù)寫到繼承的信息里，從而實(shí)現(xiàn)本機(jī)在時間上的同步?；贜TP的同步實(shí)現(xiàn)模型如圖2：

圖2　基于NTP的同步實(shí)現(xiàn)模型

分布式的網(wǎng)絡(luò)，基于ORBUS的NTP同步協(xié)議，其算法思想應(yīng)用到了Cristian,通過時鐘濾波的算法思想進(jìn)行了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)延遲，可以降低網(wǎng)絡(luò)上的誤差，另外，通過時鐘選擇的算法與部分的時間服務(wù)器選擇性的同步，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方面的時間同步。

五、結(jié)語

本論文研究了移動智能設(shè)備上對時間的精確性需求，也分析了時間同步方法與協(xié)議的需求，把NTP協(xié)議作為底層上的時間同步協(xié)議，在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上提出了多層模塊化設(shè)計(jì)，借此把業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層進(jìn)行了分離。在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，開發(fā)模式采用了跨編譯環(huán)境，系統(tǒng)構(gòu)建的過程中業(yè)務(wù)方面的代碼復(fù)用性很高，這樣可以利用起來進(jìn)行表現(xiàn)層的定制，搭建出適應(yīng)于各種智能終端的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)時間同步，最后通過測試實(shí)驗(yàn)，可以得出了系統(tǒng)兼容性高、資源的運(yùn)行占有率低的特性，另外還可以實(shí)現(xiàn)一些移動設(shè)備時間同步達(dá)到毫秒級精度的效果。

文章編號：2095-4654(2016)04-0017-03

收稿日期：2016-01-04

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A