1、基于 NTP 的综合监控网络对时系统设计与实现【摘要】综合监控网络对网络中各个设备和系统的时间准确性、统一性要求都很精确，所以时钟同步系统是综合监控网络的一个重要组成部分。本文分析了 NTP 工作原理以及模式，根据具体应用编程实现了 NTP网络对时系统，最后分析了该系统时钟同步精度的测量方法，具有一定的应用价值。 【关键词】NTP 协议 综合监控网 时钟同步 一、引言 随着对公共安全等级的不断提升，综合监控网络也就越来越重要。这类网络对系统内部的时钟的一致性和精确性要求很高，需要对用户设备进行必要的时间校准，以保持监控设备各个节点的时钟频率的统一。为了解决这一问题，利用 NTP 协议实现网络对
2、时系统，保证系统内时间的准确一致。采用 NTP 协议实现对时系统，是因为该协议采用主动对时机制，消除了网络竞争机制对系统对时精度的影响，可方便地为综合监控网络内各设备提供精确的时间，实现系统时钟的统一和精确。本文对NTP 工作原理、工作模式等进行了研究，建立了在综合监控网络上的 NTP应用模型，设计实现了 NTP 网络对时系统。 二、NTP 的基本概念 （一）NTP 协议 NTP 协议全称为网络时间协议（Network Time Protocol） ，是由美国Delaware 大学的 Mills 教授在 1985 年设计实现的，该协议可以使计算机和时钟服务器或精确的时钟源（如石英钟、GPS 等
3、）同步时钟。NTP 协议适用于在无序的网络环境下提供精确和健壮的时间服务，把计算机的时钟同步到时间标准上，可提供在 LAN 上小于 1 毫秒，WAN 上几十毫秒的高精准度时间校正，且可由加密认证的方式来防止恶毒的协议攻击，具有广泛的应用前景。 （二）NTP 工作原理 NTP 协议以客户/服务器方式进行通信，而且在性能差异很大的客户端及服务器均能应用，每次通信共计两个包。设客户端发送时钟同步请求时的本地时间为 T1，服务器端收到同步请求时的服务器时间为 T2，服务器端回送时钟同步信息时的服务器时间为 T3，客户端接收到同步信息时的本地时间为 T4， 为服务器端和客户端的时间偏差，T1 到 T2
4、的路径延迟为 1，T3 到 T4 的路径延迟为 2，路径延迟总和是 。网络延时和时钟偏差的测量过程如图 1 所示。 图 1 NTP 协议传输模型 根据上述过程时间关系可得： （1） 一般情况下，认为网络内上行延迟 1 和下行延迟 2 是相等的，即 1=2=，以上方程式解为： （2） 可以看到， 和 的值只与（T2-T1）差值、 （T4-T3）差值相关，而与 T2，T3 之间差值无关，即最终结果与时间服务器处理请求所需的时间无关。 （三）NTP 的工作模式 NTP 协议支持 3 种对时工作方式。 （1）广播模式：此模式适用于高速的局域网中。局域网中的一个或多个服务器以固定的时间周期向某个多播地址
5、作广播，客户端不计算时间偏差和网络延迟，直接用接收到的时标修正自己的时钟，忽略各种误差。但是此方式的精确度不高，对时间精确度要求不是很高的情况下可以采用。 （2）主从模式：指一台服务器可以从远端时间服务器获取时钟，如果需要可提供时间信息给远端的时间服务器。此方式适用于配置冗余的时间服务器，可以提供更高的精确度给主机。 （3）客户/服务器模式：用户向一个或几个服务器提出服务请求，根据所交换的信息计算两地时间偏差和网络延迟，从中选择认为最准确的时间偏差并调整本地的时钟。此方式适用于 1 台时间服务器接收上层时间服务器的时间信息，并提供时间信息给下层的用户。 根据本系统的特点，最终选定客户/服务器模
6、式。因为系统中各个子系统结构相同，只需实现一个子节点的服务，就可以相同方式实现所有子节点的时钟同步。 三、综合监控网络中的 NTP 系统架构 目前，综合监控网络内的主要设备采用直接连接时间传输方式来保持时钟同步，结构呈星型分布。网络中包含着多个系统，例如：通信系统、计算机系统、监控设备以及继电保护系统等等。这些系统和设备相对独立但是又相互联系，都需要时钟的准确一致。这样，每台设备都需要配置一个时钟统一插件来解 B（DC）码，这就增加了整个网络的复杂性并且大大增加了成本。如果不配置插件，这些设备时钟就得靠人工手动调整，鉴于人工手动调整引起的人为误差以及各个设备本身内部时钟的质量差异等，会造成整个
7、网络设备时间的不一致。所以需要建立一个时钟同步系统，时间服务器功能独立且连接在监控网上，可确保时间服务器单方向的同步到高精确度时钟，并把各个用户设备连接起来，在统一的系统时间中协调工作。 在工程实践中，从综合监控网络的实际情况出发，搭建 2 级时间服务器。采用了 GPS 卫星授时模块和铷原子钟作为一级时间服务器，用于给 NTP 时间服务器的二级时间服务器提供授时。为了获得精确的时间信息，GPS 卫星授时模块和铷钟相结合设计，克服了因为 GPS 失锁、跳秒等现象而存在短期稳定性较差而长期稳定性较好的特点，而铷钟具有短期稳定性较好而长期稳定性较差的特点，因此利用卫星接收机的秒脉冲信号来校正铷钟的频
8、率信号，再用校正后的频率信号作为时钟同步系统的时钟信号。另外，各个不同的用户设备有着不同的时钟同步精度要求，有些设备是采用客户/服务器的模式进行校对时间，而有些用备则是使用的广播模式来校对时间。 四、网络对时系统的设计实现 软件采用 Visual C+6.0 作为开发平台，运用了 Winsock 网络编程技术，实现了基于 UDP 协议的 NTP 报文的收发功能。 （一）服务器软件设计 服务器软件设计流程如图 2 所示。通过对串口接收数据的分析，自动判断时钟源的类型，获取 UTC 时间；根据工作模式设置可以定期向客户端广播发送时间信息，或者接收客户端的时钟同步请求，调用本地时钟查询函数来添加请求
9、数据帧的到达时间 T2，将上述数据帧保存在表中，接收下一个时钟同步请求；如果此时没有新的请求，则再次调用系统时间并添加回馈给客户端的时间 T3，并同时将时间信息包发回客户端。 图 2 NTP 服务器软件流程图 （二）客户端软件实现 客户端软件设计流程如图 3 所示。客户端主要功能是：向网络中的NTP 时间服务器定时发送对时请求并接收服务器返回的带有时间戳的 NTP报文，计算时间的偏差、网络的延迟和修正本地主机的系统时间；能够通过广播方式接收报文并修改本地主机系统时间；能提供函数接口供其他应用程序调用。 程序启动后，首先调用 WSAStartup 函数加载版本正确 Winsock 库，对 Win
10、sock DLL 初始化。然后进程调用 socket 函数创建一个数据报套接字，表明采用 UDP 通信方式。首次和服务器通信，使用 bind 函数绑定本地套接字与远程服务器的接收端，使用 sendto 函数和 recvfrom 函数收发报文；当成功接收 NTP 报文时，取当前时间戳 T4 并转换成系统时间格式，结合接收报文提供的三个时间戳（T1、T2、T3） ，计算该报文的时间偏差 和网络延迟 ；最后调用 NTP 算法模块，完成误差分析，以最精确时间偏差校正本地时间。 图 3 NTP 客户端软件流程图 在自动同步方式下，由于网络传输的不确定性，每一个同步过程需要对服务器进行 8 次 NTP 报
11、文交换，再计算每次采得的四个时间戳（T1、T2、T3、T4）求出 8 组网络延迟和时钟偏差，客户端利用数据过滤算法，比较这 8 组，然后找出最小的网络延迟 对应的本地时钟偏差 ，作为本次时钟同步的偏差值。如果时间偏差较大则采用非线性调整，即用计算出的时间偏移量直接调整系统时间；否则，采用线性调整把时间偏移量分成多个微小的偏移量来调整系统时钟，效果要优于一次性调整。因此在软件设计前需要对网络状态和时延数据进行大量的统计分析，以此设置时钟偏差阀值。 五、网络对时系统精度测量方法 为了验证 NTP 时间服务器和客户端的时钟同步精度，利用 NTP 时间服务器既有 NTP 报文输出，也有标准时间源 B（
12、DC）码输出，这就为测试创造了有利的条件。在某台客户端上插入 PCI 时统插件，接收时间服务器的 B 码输出作为标准时间，利用 NTP 协议和时间服务器进行网络时钟同步，将对时后的时间与标准时间相比，误差的大小即为网络时钟同步精度。因为软件的执行会占用一定的时间，所以测试软件的设计应尽量简短、高效，并且能估算出软件执行造成的误差。 由于本系统的测试是在网络流量较小的局域网中进行的，网络拥塞现象较少、丢包率不高，所以，时间偏差量相对非常稳定，如果在网络拥塞现象频繁、丢包率高的网络中使用，可以考虑在交换机中为时钟同步程序设置较高的优先级，以便保证较高的时钟同步精度。 六、结束语 综合监控网络是一个
13、对时钟同步精度要求很高的系统，随着网络通信技术的不断进步，NTP 在综合监控网中的应用有着广泛的应用前景。本文研究了 NTP 协议的基本原理、工作模式，构建了 NTP 在综合监控网中的结构模型，设计实现了 NTP 网络对时软件。实践证明，该系统能使网络中的时钟同步设备之间的时间误差控制在 1ms 以内，实现可靠的对时以保证了综合监控网络系统内时间的准确一致性。 参考文献： 1Mills D L. Network Time Protocol （version 3） specification， implementation and analysisM. DARPA Network Working Group Report RFC 1305， University ofDelaware， 1992. 2陈敏.基于 NTP 协议的网络时钟同步系统研究与实现D.湖北：华中科技大学，2005. 3费振豪.基于 NTP 的地铁综合监控系统时钟同步技术的研究D.成都：西南交通大学，2004. 4宋妍，朱爽.基于 NTP 的网络时间服务系统的研究J.计算机工程与应用，2003. 5薛芳侠，闫了了，谢虹等.分布式实时仿真系统高精度时钟同步技术研究J.计算机应用，2006.
