在我們某試驗系統方案設計中，由于數據同步性的要求，需要將我們WP4000變頻功率分析儀的時(shí)鐘與客戶(hù)的NI系統的時(shí)鐘進(jìn)行同步，對于WP4000變頻功率測試系統而言，多臺分析儀之間可通過(guò)同步光纖接口達到嚴格同步，同步時(shí)序達us級。但要求WP4000變頻功率測試系統與其它系統之間保持同步，在同步性要求不是特別高的情況下，可以采用NTP時(shí)鐘同步的方式進(jìn)行多系統間的同步，以下就NTP時(shí)鐘同步系統誤差進(jìn)行簡(jiǎn)析。

一NTP協(xié)議簡(jiǎn)介

　　網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)的主要開(kāi)發(fā)者是美國特拉華大學(xué)的MILLS David L教授設計實(shí)現的，由時(shí)間協(xié)議、ICMP時(shí)間戳消息及IP時(shí)間戳選項發(fā)展而來(lái)。NTP用于將計算機客戶(hù)或服務(wù)器的時(shí)間與另一服務(wù)器同步，使用層次式時(shí)間分布模型。在配置時(shí)，NTP可以利用冗余服務(wù)器和多條網(wǎng)絡(luò )路徑來(lái)獲得時(shí)間的高準確性和高可靠性。即使客戶(hù)機在長(cháng)時(shí)間無(wú)法與某一時(shí)間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下,仍可提供高準確度時(shí)間。

　　實(shí)際應用中，還有確保秒級精度的簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議SNTP(Simple Network Time Protocol)。SNTP是NTP的一個(gè)子集,主要用于那些不需要NTP的精度以較高實(shí)現復雜性的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步客戶(hù)機。SNTP協(xié)議已減少了網(wǎng)絡(luò )延時(shí)對校對準確的影響，但沒(méi)有冗余服務(wù)器和校正時(shí)鐘頻率誤差功能。

　　一般的計算機和嵌入式設備在時(shí)鐘度方面沒(méi)有明確的指標要求, 時(shí)鐘精度只有10-4～10-5，每天可能誤差達十幾秒或更多，如果不及時(shí)校正，其累積時(shí)間誤差不可忽視。許多工業(yè)控制過(guò)程需要高準確度時(shí)間，如：電力系統內眾多的計算機監控系統、保護裝置、故障錄波器等時(shí)間同步要在ms級以?xún)取?/p>

　　聯(lián)網(wǎng)計算機同步時(shí)鐘最簡(jiǎn)便的方法是網(wǎng)絡(luò )授時(shí)。網(wǎng)絡(luò )授時(shí)分為廣域網(wǎng)授時(shí)和局域網(wǎng)授時(shí)。廣域網(wǎng)授時(shí)精度通常能達50ms級，但有時(shí)超過(guò)500ms，這是因為每次經(jīng)過(guò)的路由器路徑可能不相同?，F在還沒(méi)有更好的辦法將這種不同路徑延遲的時(shí)間誤差完全消除。局域網(wǎng)授時(shí)不存在路由器路徑延遲問(wèn)題，因而授時(shí)精度理論上可以提到亞毫秒級。Windows內置NTP服務(wù)，在局域網(wǎng)內其最高授時(shí)精度也只能達10ms級。因此，提高局域網(wǎng)NTP授時(shí)精度成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

二NTP授時(shí)原理

　　NTP最典型的授時(shí)方式是Client/Server方式。如下圖1所示，客戶(hù)機首先向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)NTP 包，其中包含了該包離開(kāi)客戶(hù)機的時(shí)間戳T1，當服務(wù)器接收到該包時(shí)，依次填入包到達的時(shí)間戳T2、包離開(kāi)的時(shí)間戳T3，然后立即把包返回給客戶(hù)機?？蛻?hù)機在接收到響應包時(shí)，記錄包返回的時(shí)間戳T4?？蛻?hù)機用上述4個(gè)時(shí)間參數就能夠計算出2個(gè)關(guān)鍵參數：NTP包的往返延遲d和客戶(hù)機與服務(wù)器之間的時(shí)鐘偏差t?？蛻?hù)機使用時(shí)鐘偏差來(lái)調整本地時(shí)鐘，以使其時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間一致。

圖1 Client/Server方式下NTP授時(shí)原理

　　圖1中：T1為客戶(hù)發(fā)送NTP請求時(shí)間戳(以客戶(hù)時(shí)間為參照)；T2為服務(wù)器收到NTP請求時(shí)間戳(以服務(wù)器時(shí)間為參照)；T3為服務(wù)器回復NTP請求時(shí)間戳(以服務(wù)器時(shí)間為參照)；T4為客戶(hù)收到NTP回復包時(shí)間戳(以客戶(hù)時(shí)間為參照)；d1為NTP請求包傳送延時(shí)，d2為NTP回復包傳送延時(shí)；t為服務(wù)器和客戶(hù)端之間的時(shí)間偏差，d為NTP包的往返時(shí)間。

　　現已經(jīng)T1、T2、T3、T4，希望求得t以調整客戶(hù)方時(shí)鐘：

....................................................式(1)

　　假設NPT請求和回復包傳送延時(shí)相等，即d1=d2，則可解得“

.....................................式(2)

　　根據式(1)，t也可表示為：t=(T2-T1)+d1=(T2-T1)+d/2.....................式(3)

　　可以看出，t、d只與T2、T1差值及T3、T4差值相關(guān)，而與T2、T3差值無(wú)關(guān)，即最終的結果與服務(wù)器處理請求所需的時(shí)間無(wú)關(guān)。因此，客戶(hù)端即可通過(guò)T1、T2、T3、T4計算出時(shí)差t去調整本地時(shí)鐘。

三NTP授時(shí)精度分析

　　NTP授時(shí)精度與NTP服務(wù)器與用戶(hù)間的網(wǎng)絡(luò )狀況有關(guān)，主要取決于NTP包往返路由的延時(shí)對稱(chēng)程度，往返路由的延時(shí)不對稱(chēng)值最大不超過(guò)網(wǎng)絡(luò )延時(shí)。式(2)是在假設NTP請求和回復包在網(wǎng)上傳送延時(shí)相等，即d1=d2=d/2的情況下得出的，而d1、d2的取值范圍在(0...d)間，由式(3)可以得出最大授時(shí)誤差是±d/2。一般廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)在10 ms～500ms之間;局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)在計時(shí)操作系統內核處理延遲的情況下通常小于1ms。

　　假定局域網(wǎng)內NTP延時(shí)小于1ms，理論上授時(shí)誤差小于0.5ms，但對于Windows操作系統內置的NTP客戶(hù)和NTP服務(wù)，并不能達到此精度。Windows NTP時(shí)鐘分辨率因操作系統和硬件不同而有所不同，時(shí)鐘分辨率通常為10ms或15ms?；赪indows操作系統內置的NTP授時(shí)精度最高不超過(guò)10ms。

四基于NTP減少計算機時(shí)鐘偏差

01計算機時(shí)鐘偏差分析

　　通用PC機自帶兩類(lèi)時(shí)鐘源：硬件時(shí)鐘和軟件時(shí)鐘(或稱(chēng)為系統時(shí)鐘)。不論是硬件時(shí)鐘還是軟件時(shí)鐘，都是由石英晶體振蕩器驅動(dòng)的，通過(guò)累計石英晶體振蕩器輸出脈沖數，換算出時(shí)間。所以計算機時(shí)鐘的準確度取決于晶振頻率準確度。受溫度變化、電壓、芯片老化等因素影響，晶振頻率會(huì )發(fā)生小幅度波動(dòng)，其中溫度對晶振頻影響最大。

　　由于工藝和材料的原因，同一生產(chǎn)線(xiàn)上標稱(chēng)頻率相同的石英晶體，其實(shí)際頻率是不同的，實(shí)際頻率與標稱(chēng)頻率偏差率從10-4量級到10-9量級不等。以10-4量級為例，時(shí)鐘每天至少誤差8.64 s。

02基于NTP減少計算機時(shí)鐘頻率偏差

　　時(shí)鐘頻率偏差是時(shí)鐘長(cháng)期計時(shí)累積誤差的主要原因，要提高時(shí)鐘長(cháng)期計時(shí)精度，必須補償時(shí)鐘頻率偏差。聯(lián)網(wǎng)的計算機可采用NTP方式,可非常方便地校準時(shí)鐘頻率偏差。以NTP服務(wù)器時(shí)鐘為標準時(shí)間，在某一時(shí)刻設置NTP客戶(hù)機時(shí)間為NTP服務(wù)器當前時(shí)間T0，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，NTP服務(wù)器時(shí)間為T(mén)0+tsn，NTP客戶(hù)端時(shí)間為T(mén)0+tcn。因為存在時(shí)鐘頻率偏差，tsn與tcn并不相等。NTP客戶(hù)端時(shí)間tcn需乘以時(shí)鐘頻率偏差系數k才等于tsn，即tsn=k×tcn，所以k=tsn/tcn。

　　任何晶振實(shí)際工作頻率都是不穩定的，只是程度不同而已。即使溫度補償的晶振，在常溫范圍內(攝氏10℃～35℃)也有大約5×10-7～2×10-6的誤差。晶振實(shí)際頻率是受外界多種因素(溫度、電壓、老化等)影響而改變的。因此，時(shí)鐘頻率偏差系數k并非恒定不變的。每隔一定時(shí)間，NTP客戶(hù)機要對時(shí)鐘頻率偏差系數k進(jìn)行校正，才能保證計時(shí)精度。

五進(jìn)一步提高NTP授時(shí)精度的方法

　　局域網(wǎng)絡(luò )延相對較大的原因在于時(shí)間戳一般都是在應用層加蓋。為減少操作系統內核處理延時(shí)的影響提高NTP授時(shí)精度，發(fā)/收NTP包時(shí)間戳應盡量接近主機真實(shí)發(fā)/收包時(shí)刻。在不改變硬件的條件下，一個(gè)可行的辦法是修改網(wǎng)卡驅動(dòng)程序，將記錄NTP包發(fā)/收時(shí)間戳從應用程序移至網(wǎng)卡驅動(dòng)程序處，可消除操作系統內核處理延時(shí)不確定而引入的誤差。這種方法在局域網(wǎng)中可大幅提高NTP授時(shí)精度至μs級。

　　為了減少溫度引起晶振頻率漂移對時(shí)鐘準確度的影響，可以采用數字溫漂補償方法，提高時(shí)鐘長(cháng)期計時(shí)準確度。先測出工作溫度范圍內溫度對應的溫漂補償系數，工作時(shí)每隔一定時(shí)間，根據實(shí)際溫度查出對應補償系數動(dòng)態(tài)地修正時(shí)間。

　　時(shí)鐘頻率偏差和時(shí)鐘分辨率低是局域網(wǎng)NTP授時(shí)精度不高的主要原因。

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