局域网统一授时系统的设想

摘　要：本文借鉴国内目前广泛使用的网络授时技术和网络授时系统，利用GPS时间统一系统所配备的现有资源，在局域网上实现所有计算机时钟的同步，从而提高了计算机处理数据的实时性。

关键词：时统；授时；时码协议；服务器

1. 局域网授时的必要性
　　通过网络进行标准时间信号的传递——网络授时，是计算机通信技术发展的产物。将通信网络上各种通信设备和计算机设备的时间信息（年、月、日、时、分、秒）基于UTC（协调世界时）时间偏差限定在足够小的范围内（如100ms），这种同步过程叫网络时间同步。
　　在各个领域，计算机的使用越来越普及到每一个系统，计算机的时钟用于记录事件的时间信息，如文件创建和访问时间，数据库处理时间，一些实时的数据采集时间等等。如果计算机时钟不精确，那么这些应用中很多都无法正常工作。而计算机时钟一般以廉价的振荡电路或石英钟为基础，准确度大约在1E-6甚至在1E-5量级，每天的时间累计误差可达数秒，经过长时间的累积会产生更大的误差。随着不断增加的分布式计算和对网络依赖性的加强，不准确的电脑时钟对于应用程序的实时性、安全性会产生较大的影响。而部分系统对计算机的时间更为敏感，这些计算机有很多数据都是需要实时处理的，更需要高精度的时钟信息以完成特定功能。因此，通过网络服务器将局域网计算机的时钟同步起来，将会在一定程度上增加其处理数据的实时性。
2.局域网授时可能性分析
　　如果只是需要在局域网内进行系统间的计算机时钟同步，那么就可以选择局域网中的一台主机作为时间服务器，使该计算机通过串口同步到高精度时钟信息；然后其它的节点就只需要与这个主机进行时间同步就可以了。由于现在的局域网络多采用10M/100M LAN网络，网络传输延迟小，因此采用这种方案能够获得很高的时间同步精度。整个系统由时钟信息、网络时间服务器软件、时间同步客户端软件组成，采用相应网络时码协议实现整个网络的时间同步，同步精度理论上能够达到ms级，但受计算机内部时钟的限制，实际上同步精度能够优于50ms。
　　网络时码协议是由一系列称为注释请求（RFCs）的文件定义的。当前使用的时码协议主要有三种：它们是Daytime(RFC-867) 、Time(RFC-868)和Network Time  Protocol(RFC-1305)。网络时间协议(NTP)Network Time Protocol是当前最复杂、最高级、同步精度最高的时码协议。其中SNMP（简单网络协议）和TNMP（通信网管协议）是广泛使用的两种网络时码协议。在时间服务器上安装网络时间服务器软件，在局域网内的其他计算机上安装NTP客户端软件，定期向内部时间服务器主机发送时间同步请求，借助局域网从时间服务器那里获得时间信息，计算并校正本地时间。在同步周期之间，利用计算机内部时钟守时，从而实现整个局域网络的时间同步。客户端软件可作为背景任务连续、周期性地运行，不断得到服务器的更新信息。
　　GPS系统本身配备有高精度的授时设备，能够输出高精度的时间和频率信息，为靶场计算机时间同步提供了方便实用的时钟源，可以最大限度地利用这些资源，提高完成试验任务的质量。使用时统设备输出的高精度的时间信息，通过网络时间服务器将全靶场计算机的时钟同步起来。
3.技术方案
　　时间统一系统网络授时系统设计如图1所示。
　　
    

图1：网络授时框图
   该方案只需在综合试验作战网内选用一台计算机（一般可选web服务器或时统设备所配备的工控机）作为服务器，通过串口连接到时间统一系统的定时校频设备的输出端，并安装一个NTP服务器软件，响应其他客户端的时间同步器请求，就能建立起靶场内部自己的时间服务器。通过软件使系统时钟同步到UTC基准时间。
3.1 时间标准源
 时间统一系统设备所配备的定时校频设备可以输出串行时间码和1pps时间信息，其授时同步精度约为1μs。
3.2 时间同步软件
　　服务器端同步软件通过微机RS232串口读取时统设备输出的时间和1pps信息，采用高精度的1pps脉冲信号（与UTC同步精度<1μs）同步服务器的内部时钟，因此能够得到较高的准确度。该同步软件可设置同步周期，显示时间信息等。另外服务器端安装NTP服务器程序，其以Windows NT Service的形式在后台运行，没有复杂的界面等，因此不会占用太多网络和系统资源。
　　客户端软件有Win32time，Nettime、NTPClock 等，支持RFC-868 (TIME)和RFC-2030 (SNTP)协议。只需要设置好网络时间服务器的IP地址，即可实现定期时间同步。时间同步周期可任意设定，若需要较高的同步精度应设置小的数值，一般情况下可设置为1∽6小时同步一次。
　　本方案中的所有软件都支持Win9x,Win NT，Win2000，WinXP，Windows 2003 Server等各种windows平台，占用系统和网络资源小，对原有数据网负荷不会有多少影响（一般不超过总负荷的2％）。只需一次设定，便可自主永久运行，方便实用高效！
4．实现方法
4.1主要技术指标
⑴采用NTP网络定时协议，在网络中传送时间；
⑵支持TCP/IP、UDP协议；
⑶网络接口:10/100M自适应以太网接口。
⑷接收RS232C串口时间信息。
4.2运行软件 
　　首先确保时统定时校频设备运行正常，且网络时间服务器与各计算机联网互通。在服务器上运行服务器软件，然后在客户端计算机上运行网络服务器客户端软件，在“服务器IP地址”栏输入当前网络中的时间服务器的IP地址，点击“测时”按钮，“服务器时间”栏显示当前时刻网络时间服务器的时间，“本机时间”栏显示当前时刻计算机的时间，“与服务器时差”显示当前时刻网络时间服务器的时间和计算机时间的差值。若差值为负，表示计算机的时间滞后网络时间服务器的时间；若差值为正，表示计算机的时间超前网络时间服务器的时间。
    接着点击“校时”按钮，对计算机时间进行校正。紧接着再点击“测时”按钮。这时可以看到时差值发生了变化，校正精度在50ms内，说明时间校正成功。如要退出该软件，则点击“退出”按钮。点击“确定”按钮。
4.3 高同步精度的实现方法
　　客户端通过NTP客户端授时软件获得网络时间服务器的标准时间。在传递时间这种特殊信息时，最重要的是实时性。也可能由于网络带宽的限制，阻塞现象较严重，因此要使网络授时达到较好的精度并具有实用性，则在路径时延测量、补偿和软件设计技巧等方面要考虑得很周到，特别是在服务器端软件的设计和网络时延的精确测量和补偿方面。
　 　时延测量：为进行路径时延的精确测量，一次成功的授时操作都是由一组独立的子测量程序组成，每次子测量程序完成一次授时服务器与客户机时刻差的测量，其流程如图2所示 ：
    
图2 时延测量流程图
　　每次子测量可得到服务器与客户机的时刻差DI=Ts-(Tc1+Tc2)/2，一组测量的时刻差可被认为是主钟（服务器）与钟组（一组子测量中客户机的时刻）的时差，利用设计的算法及可得到服务器与客户机间误差最小的时刻差值，同时对申请时间的客户机进行校时操作。校时误差估计：校时误差主要来源于（1）网络中数据传输时间的不确定性；（2）服务器时钟本身的误差。
　　随着现代科学技术的发展，无论在网络授时服务的质量和广度上都对授时工作不断提出新的要求。因此，网络化时间服务系统需要不断得到改进和完善，以提高时间传递精度，使用网络授时具有更广泛的应用。

参考文献：
[1]程文斌、王行， C库函数和MFC库类详解，北京航空航天大学出版社，1995.05
[2]徐金平，网络时钟同步的研究，北京化工大学，2004.05
[3]李学墙，朱逸武等，基于GPS授时的数据同步技术应用研究，信息技术，2004年10月