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NTP时间服务器的研究与设计 2011-04-24

NTP工夫服务器的研究与想象

岳峰 15900725610
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北京华人时创科技发展有限公司（峻峰伟业）
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伴着信息技术和网络技术的飞速发展，网络互连已经浸透到国民经济的各行各业。而网络工夫同步也越来越受到重视，特别是局域网工夫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。伴着嵌入式技术的发展，嵌入式与网络工夫同步技术的结合，无疑具有良好的发展前景。

1 方案想象

目前网络授时的完成方法有很多种，本文采用自行想象的嵌入式系统并在上面完成SNTP协议。从而完成网络工夫的同步。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工夫信息(年月日时分秒)，再从GPS获取工夫信息，并修正自己的工夫，最后结合W5100芯片搭建出一个工夫服务器。当客户端向服务器发出哀求时，便可同步地统一客户端的工夫信息，并达到ms级精度。网络传输时需完成SNTP应用层协议，想象中通过构造SNTP协议包，并根据同步算法可计算出包交换的来回延迟。

本系统采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器．Cortex-M3内核是专门用于想象高性能、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协议栈的完成采用的固件芯片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联结。W5100器件的推出大大简化了硬件电路想象，可使微控制器在没有操作系统支持的情况下，真正的完成单芯片接入Internet。

2 SNTP协议分析

SNTP即简朴网络工夫协议，它是一个用于局域网子网末端的工夫同步协议，其要求在操作过程中只答应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工夫服务器和客户端的工夫戳，从而估算出数据包在网络上的来回延迟，进而独立地估算系统的时钟偏差。它的工夫同步原理的传输模型如图2所示。

图2中，T1为客户方发送查询哀求工夫(以客户方工夫系统为参照)，T2为服务器收到查询哀求工夫(以服务器工夫系统为参照)，T3为服务器回复工夫信息包工夫(以服务器工夫系统为参照)，T4为客户方收到工夫信息包工夫(以客户方工夫系统为参照)，D1为哀求信息在网上传播所消耗的工夫，D2为回复信息在网上传播所消耗的工夫。假设哀求和回复在网上的传播工夫相同，即：δ1=δ2，则可得出如下公式：

式中，θ为客户端工夫与标准工夫之差，δ为信息在网上传播的工夫。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哀求所需的工夫无关。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辰插入的迫近闺秒(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辨认。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，如很短工夫内的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，如很短工夫内的位15到16间的分段点。

Reference Identifier为辨认特别参考源。Originate Timestamp是向服务器哀求分离客户机的工夫，采用64位时标(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服务器哀求到达客户机的工夫。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工夫。采用64位时标(Timestamp)格式。

3 硬件想象

图4所示为W5100部分的电路图，图中给出了W5100与STM32的联结方式及其外围电路。

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答应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联结时由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端口产生联结、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接口相联结，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引脚是联结LED指示引脚，低电平表示10／100Mbps联结状态正常，联结正常时输出低电平，而在TX／RX状态时闪耀；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指示灯引脚联结，以用于指示联结状态。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的联结表示图。GPS接收模块采用HOLUX消费的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信号联结到处理器的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工夫传送给处理器STM32。

4 SNTP服务器的软件想象

SNTP服务器的软件想象主要可分为两个部分：W5100的驱动想象和SNTP协议的软件完成。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工夫，然后通过GPS的秒脉冲PPS修正系统工夫。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，则赶紧开始SNTP协议的解析。

接收SNTP协议包后，便可记录收到报文的工夫T2，然后从报文中解析出工夫戳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工夫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，并在其上完成了SNTP同步工夫报文。经测试，本系统运行稳定，并可完成对客户端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工夫不同步问题。

NTP时间服务器的研究与设计 2011-04-24

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