对于网络同步时钟系统的研究

前言

早期的计算机软件和硬件在时间的精准度上没有一个统一的指标要求，但随着互联网的发展和普及，以及相关产品和服务的开发和应用，对计算机时钟一致性的要求也越来越高。网络同步时钟系统在时间的精准度上起到一个相当重要的作用，比如股票买卖、银行结算、网络拍卖等都需要时钟同步；企业日志文件管理、国防工业、化工生产、分布式网络计算处理等也需要时钟的高度一致。但是由于每个设备的制造工艺和使用时间的不同，比如传感器的老化和使用者的个人习惯，还有外部环境因素的影响，比如时钟信号在传递线路上，有传输损伤，光纤的温度漂移和电磁场的干扰等都会影响对时钟的精准度，进而产生一些相位漂移积累。

网络同步时钟系统存在的问题

网络同步时钟系统问题是分布式系统中的一个经典问题，如果没有一个统一的、精准的时钟，系统很难测量连接延迟、衡量系统性能以及协调分布式应用，尤其是在分布式系统中的并行任务调度上，时钟同步显得尤为重要。一般地，在网络上使用的时钟同步协议有四种，精准时钟同步协议（Precisin Time Protocol,PTP协议）、网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准（IEEE1588）、检点网络时间协议（Simple Network TimeProtocol.SNTP协议）以及网络时间协议(Network Time Protocol,NTP协议)。目前，我们用的*多的协议也就是NTP协议和SNTP协议，下面就给大家详细介绍一下NTP协议和SNTP协议。

（1）NTP协议

TCP/IP协议中已经提供了几个用于记录和发送时间的机制，其中包括Daytime协议，Time协议，ICMP时间戳报文和IP时间戳选项。从这些机制又演化而来更加专业的NTP协议（网络时间协议，Network Time Protocol）。

NTP基于无连接的IP协议和UDP协议，目前是在分散的，包括很多网关和不可靠子网的Interne环境中提供精确和健壮的时间服务。NTP使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备以及进程延迟的严格控制。目前精度在局域网内可达10毫秒，在广域网可达几十毫秒。NTP支持三种时间传送模式：多播模式、客户/服务器模式及对称模式，采用时可根据需要进行选择。在典型配置中，NTP利用多个冗余服务器及多条网络路径来获得高准确度和可靠性。在有些配置中，包括加密与验证机制，有些还提供了基于IP多播的时间服务器自动发现机制。

（2）SNTP协议（Simple NTP）

NTP适用于整个无序的Internet,而对于简单的末端子网络，SNTP基于NTP，两者之间的主要差别在于，NTP提供了错误管理和复杂的过滤系统，而SNTP没有，所以SNTP可达的精度不及NTP高，适用于对时间要求不是十分严格的网络。

SNTP的客户端处于子网的叶子层，并且客户端的同步不依赖于其他客户端；SNTP的服务器处于子网的根层，除了可靠的无限时间源和调制时间源以外，没有其他时间源可用。这样为了获得可靠性必须通过冗余服务器、多条网络路径和相应算法来实现。

NTP协议和现在的DTS（DigilalTime Serviee）有许多同样的服务目标。DTS适用于一个可以管理的局域网(LAN)和局域网互连的环境，因为它把设计重点放在配置管理和纠错机制上。而NTP的设计重点是在没有管理的、全球互连的网络环境中提供精确而稳定的时间同步服务。事实上，NTP协议的*新版本为了支持纠错机制而采纳了许多DTS的特征。这主要包括限制时间传输过程中的**错误，和使用可证明的校正机制来排斥时钟选择过程中的不合适的对等方。所以从长远看来，采用NTP协议或它的简化版本SNTP来作为网络时间同步方案是比较恰当地选择。

网络同步时钟系统的概念

所谓的时钟同步时钟系统是指，将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息（年月日时分秒毫秒）与UTC(Universal Time Coordinated,协调世界时)时间偏差限定在足够小的范围内（如50毫秒），协调世界时的秒长和原子时一致，而时刻则是利用闰秒协调来与世界时保持一致的（时间差控制在正负0.9秒以内），从1972年起，世界各国的标准频率和时间发播台都正式播发世界世界协调时，1974年国际上确定把协调世界时作为国际法定时间，1979年在日内瓦举行的世界无线电大会上上把协调世界时取代格林威治时间作为无线电通讯中的标准时间。时钟同步问题是分布式操作系统中的一个经典问题，其目的是维护一个全局一直的物理或逻辑时钟，以使得系统中的信息、事件及各节点应该对时间有一个全局、统一的认识，以保证发送和接收消息的时间在逻辑上是完全正确的。

从计算机网络的角度划分，时钟的同步主要基于以下三个方面。

**方面，基于分布式系统的时钟同步的应用。

第二方面，基于无线传感器网络的应用。

第三方面，基于互联网Internet的应用。

计算机网络时通过线路相互连接的、自治计算机的集合，计算机在物理上是分布在不同区域的，在逻辑上是连接在一起的整体。正是由于计算机网络特殊的结构，因此它是异构互联的，在数据的传输、共享和交换的过程中，必然会受到很多外界和自身因素的干扰。比如网络的宽带、线路的老化、电磁波的干扰以及计算机自身CPU过载、芯片损耗等因素，都会影响到数据的传输。而这些数据的传输以及网络中计算机之间的互联必须基于逻辑正确的时钟，但是由于以上的种种因素，以及计算机自身存在的时钟漂移，这就导致即便所有的计算机都与同一个标准时间校准，实际上还是会存在时间的不同步。除此之外，如何让选择网络上的提供标准时间的时钟服务器也是一个影响时钟准确的一种重要因素，目前网络上的时间服务器很多，但是如何删选出真正稳定的、时钟准确的服务器作为校时标准也是比较困难的。

综合所述，网络中的时钟同步主要存在以下几个难点，**，由于制作工艺的原因，计算机自身存在的时钟漂移；第二，由于网络拥塞所造成的网络延时的不确定性，导致的网络时延；第三，由于Internet上时钟服务器的不稳定或者停止服务，所造成的时钟同步的不准确；第四，网络线路老化、外部温度湿度、电磁波干扰等因素所造成的传输误差。

网络时钟同步的实现机制

从时钟同步的实现机制来看，可将时钟同步分为硬件时钟同步，软件时钟同步和混合时钟同步。

（1）硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施（如GPS接收机、UTC接收机、专用的时钟信号线路等）进行的局部时钟之间的同步，操作对象往往是计算机的硬件时钟。硬件同步可以获得很高的同步精度（一般为109秒至106秒），但需引入专用的硬件时钟同步设备，这是的时钟同步的代价较高，且操作不便。硬件同步方法适用于小规模网络系统，在一个大规模分布式网络中完全采用硬件同步方法是不现实的。

（2）软件时钟同步。软件时钟同步是利用时钟同步算法进行的节点局部时钟之间的同步。软件时钟同步工作量很大，且结点间的同步偏差容易积累。更重要的是，同步信息在广域网上传输时的延迟大且有很大的不确定性，这使得软件同步可以达到的精度比较低（通常为106秒至103秒）。但是，由于软件同步的操作对象通常是各结点的逻辑时钟，一般并不需要对结点的硬件时钟进行操作，所以软件同步更加灵活，成本也比较硬件同步低。

（3）混合时钟同步。混合时钟同步是把硬件时钟同步和软件时钟同步的优点结合起来。混合时钟同步主要有两种。一种是基于软件时钟同步的。这种同步方法是在原有的软件同步方法中引入专用的硬件设施，实现原来由软件时钟同步算法完成的功能，另外一种是分层式混合同步。该方案将大规模分布式系统的结点网络划分为多个网段。在每个网段设置一个节点为时间服务结点，在该结点上引入GPS和UTC接收机及其相应的时钟接口设备，实现不同网段的时钟同步。然后，在每个网段内部通过软件同步方式使本网段时间服务结点的时钟同步，从而实现整个分布式网络的时钟同步。混合同步方案的同步精度一般要比硬件时钟同步低，但却不软件时钟同步高，且实现成本可以接受。

应用

将上述分析，该系统容纳多种操作平台，要求时间同步精度在1ms以内，且必须保证同步的高可靠性。

推荐方案

由佰骏科技精心设计、自主研发生产的一款网络时钟同步系统是一款基于NTP/SNTP协议的时间同步系统，这款产品是接收GPS卫星信号，从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息通过TCP/IP网络传输，为网络设备（用户）提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，同时产生1PPS（秒信号）同步脉冲信号及串口时间信息，前面板显示年月日时分秒等信息，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

网络时钟同步系统的功能特点

1) 性价比高，应用广泛；

2) 授时精度高；

3) 以GPS定时信号建立时间参考；

4) 提供1路NTP网络授时接口；

5) 支持标准的NTP、SNTP等网络对时协议，支持多种流行的时间发布协议；

6) 串口授时，每秒发送一次时、分、秒、年、月、日时间信息；

7) 完全保证数据安全性，可全设置同一个网段或者不同网段；

8) 输出定时同步信号（1PPS），TTL接口输出；

9) 整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定。

10)     前面板显示年月日时分秒、卫星颗数及工作状态；

网络时钟同步系统的技术指标

输入信号 GPS接收机   频点  L1

    定时精度≤30ns

    跟踪灵敏度  -160dBm

 GPS天线  数量  1套

    形状  蘑菇头

    线长  30米

    物理接口 BNC

    支架  蘑菇头安装支架

输出信号网络输出路数  1路

    物理接口 RJ45

    授时精度 1-10ms

    支持协议 NTP/SNTPV10,V20,V30,V40,UDP,Telnet,IP,TCP

    用户容量支持数万台客户端

    吞吐量   2000次/秒

 1PPS脉冲信号  路数  1路

    电平  TTL

    同步误差≤30ns

    物理接口 BNC

 RS232C串口路数  1路

    电平  RS232C

    串口内容年月日时分秒

    物理接口 DB9

环境特性工作温度 0℃～＋50℃

 相对湿度≤90%（40℃）

 存储温度 -30℃～＋70℃

供电电源交流220V±10%， 50Hz±5%，功率小于30W

机箱尺寸 1U，19″标准机箱（上机架）482mm（宽）x300（深）x44mm（高）

选件  GPS北斗双模接收机，恒温晶振OCXO，铷原子振荡器，避雷器，定做天线电缆（50米、80米、100米等），1PPS输出RS232C,RS422/485等，串口输出TTL,RS422/485等，扩展输出路数，定制宽温度范围的产品，根据客户要求定做类似产品。

网络时钟同步系统的应用范围

1) 计算机网络、计算机应用系统、流程控制管理系统；

2) 电力厂（站）和电网中心调度的时间统一系统及各种时间显示屏；

3) 电子商务系统、B2B网上系统以及数据库的保存及维护等系统；

4) 广电、金融、移动通信、石油、电力、交通、工业以及国防等领域。

结论

网络信息产业已经成为我国国民经济发展的支柱产业之一。伴随着我国商务电子化、金融电子化、政务办公电子化等各种先进、高效地解决方案的推出，网络时钟同步系统安全问题正在成为一个紧迫的研究课题。在这个涉及到技术、产品和管理等学科的的课题面前，需把握的原则应该是，在关系到国家关键性基础设施的安全方面绝不能完全依赖引进，必须要有自主开发的成分，需要有自己的算法、标准和体系。但另一方面也不能靠闭门造车的做法来发展，有些研究必须要与国际接轨，千方百计借鉴先进经验、采用先进技术。所以，选择一套高精度的网络时钟同步系统来解决网络信息时代时间错误的问题是一件至关重要事情。佰骏科技是一家专门研究制作网络时钟同步系统的厂家，在这里一定可以找到您想要的产品。了解更多网络时钟同步系统的问题请登录www.syn029.com进行查看或咨询我们销售人员。