基于FPGA的时间同步系统的研究与实现文献综述

文 献 综 述

1.课题研究背景及研究现状

时间是一个基本的物理量。它在科研、国防以及日常生活中的作用日益重要。随着互联网上的各种应用的不断发展，网络上的时间要求也越来越高，如电子商务等，需要有更加准确的时间和同步手段。目前许多单位都建有计算机网络，使用大量的网络设备和服务器。所有这些设备都有自己的时钟，然而，这些设备仅仅使用一种称为“晶体振荡器”的元件来产生时间，而这些“晶体振荡器”本身的精度并不是很高，往往每天会产生数秒、甚至高达数分钟的误差。长期的运行，时间差会越来越大，尽管这种偏差在单机中影响不太大，但在网络环境下可能会引发意想不到的问题。例如：分布式数据库的时间记录，由于每个数据库主机的时间不一致，会造成同一记录在不同主机的记录的时间不一致，将无法正常地进行数据服务；又如：在网络管理系统中大量的日志记录设备的运行状况，如果网络各个设备的时间不一致，则同一事件在不同设备的日志的时间就会不一致，这将会造成日志分析困难，网络故障也就无法快速精确定位。

目前的电信网络中有各种功能的子网,如传统的电话网、智能网、数据通信网、多媒体通信网等,每个网络中又有各种各样的设备,如交换机、接入服务器、计费终端、智能网设备等,建立一个时间同步系统后,就可以让所有这些设备的时间实现同步。每个网络都可建立各自的时间同步系统,数据网有数据网时间同步系统,智能网有智能网时间同步系统,由于每个网络的时间同步系统实现原理都大致相同，本课题所研究的成果具有普遍适用性。随着无限电技术和卫星通信技术的发展，出现了长、短波授时，以及现在广泛使用的GPS系统和GLONASS系统。网络的出现，大大地扩展了人们的活动空间。也将如何在网络上传递时间的问题摆在人们的面前。1993年，经过几年的工作，D.Mills等人制作了网络时间协议（NTP），并成为互联网上的时间同步的标准协议。目前国内外普遍采用的的时间同步技术主要是基于美国全球定位系统(GPS)的卫星授时，采用GPS作为授时基准是存在安全隐患的。

2.NTP简介

NTP(Network Time Protocol)主要是用来测量数据包在网络上来回往返的时间延迟和估算计算机时钟偏差,达到在网络上实现高精度电脑校时的目的,它是设计用来在Internet上使不同的机器时间同步的一种通信协定。NTP协议是用在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步的,它定义了协议实现过程中所要使用的结构、算法、

实体和协议。NTP协议是基于IP和UDP的,也可以被其他协议组使用。NTP是从时间协议(Time Protocol)和ICMP时间戳报文(ICMP Timestamp Message)演变而来,主要是从准确性和稳定性方面进行了特殊的设计。

NTP时间服务器以阶层式构架形成时间服务体系,位于阶层最顶层(Stratum 1)的时间服务器直接通过GPS时间源获得格林威治标准时间,Stratum 2服务器则通过Stratum 1服务器间接获得格林威治标准时间。每台服务器均以本身的时钟来维持某精度的时间,并周期地主动向上一阶层服务器发出校时请求。NTP协议详细说明了本地时钟和时间服务器的特征,以及估计本地时钟和时间服务器的误差的方法,同时介绍了协议实现过程中用到的时钟过滤、时钟选择等算法。当网络内存在多台时间服务器时，可以通过选择算法综合各时间服务器的时间偏移量来提高本地时钟的准确性。在大多数情况下，NTP可以提供1～50ms的精确度,精确度的大小取决于同步时间源和网络工作路径等。

3.NTP的工作原理与网络结构

NTP协议实现主要采用客户/服务器结构,而且在性能差异很大的客户端及服务器均能应用,适用于客户端及服务器在网路有大范围的网络延迟和抖动的情况。在NTP中没有专门的虚电路管理,数据报文全通过IP和UDP传送,也没有流控制和重发措施。在实现时间同步的过程中,主要是计算本地时钟和服务器时钟之间的偏差以及网络路径的延时。网络延时和时钟偏差的测量过程如图3.1所示。