NTP时间同步服务器的研究与设计

随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络互连已经***到国民经济的各行各业。而网络时间同步也越来越受到重视，特别是局域网时间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。随着嵌入式技术的发展，嵌入式与网络时间同步技术的结合，无疑具有良好的发展前景。
1 方案设计
目前网络授时的实现方法有很多种，本文采用自行设计的嵌入式系统并在上面实现SNTP协议。从而完成网络时间的同步。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时间信息(年月日时分秒)，再从GPS获取时间信息，并修正自己的时间，最后结合W5100芯片搭建出一个时间服务器。当客户端向服务器发出请求时，便可同步地统一客户端的时间信息，并达到ms级精度。网络传输时需实现SNTP应用层协议，设计中通过构造SNTP协议包，并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
本系统采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器．Cortex-M3内核是专门用于设计高性能、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协议栈的实现采用的固件芯片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连接。W5100器件的推出大大简化了硬件电路设计，可使微控制器在没有操作系统支持的情况下，真正的实现单芯片接入Internet。
2 SNTP协议分析
SNTP即简单网络时间协议，它是一个用于局域网子网末端的时间同步协议，其要求在操作过程中只允许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时间服务器和客户端的时间戳，从而估算出数据包在网络上的往返延迟，进而独立地估算系统的时钟偏差。它的时间同步原理的传输模型如图2所示。

图2中，T1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照)，T2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照)，T3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照)，T4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照)，D1为请求信息在网上传播所消耗的时间，D2为回复信息在网上传播所消耗的时间。假设请求和回复在网上的传播时间相同，即：δ1=δ2，则可得出如下公式：

式中，θ为客户端时间与标准时间之差，δ为信息在网上传播的时间。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请求所需的时间无关。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刻插入的迫近闺秒(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识别。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，如很短时间内的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，如很短时间内的位15到16间的分段点。
Reference Identifier为识别特殊参考源。Originate Timestamp是向服务器请求分离客户机的时间，采用64位时标(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服务器请求到达客户机的时间。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时间。采用64位时标(Timestamp)格式。
3 硬件设计
图4所示为W5100部分的电路图，图中给出了W5100与STM32的连接方式及其外围电路。

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允许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连接时由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端口产生连接、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接口相连接，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引脚是连接LED指示引脚，低电平表示10／100Mbps连接状态正常，连接正常时输出低电平，而在TX／RX状态时闪烁；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指示灯引脚连接，以用于指示连接状态。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的连接示意图。GPS接收模块采用HOLUX生产的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信号连接到处理器的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时间传送给处理器STM32。

4 SNTP服务器的软件设计
SNTP服务器的软件设计主要可分为两个部分：W5100的驱动设计和SNTP协议的软件实现。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时间，然后通过GPS的秒脉冲PPS修正系统时间。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，则立即开始SNTP协议的解析。
接收SNTP协议包后，便可记录收到报文的时间T2，然后从报文中解析出时间戳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时间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，并在其上实现了SNTP同步时间报文。经测试，本系统运行稳定，并可实现对客户端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时间不同步问题。