NTP网络授时系统设计与实现——总体方案设计

第2章总体方案设计

2.1 系统概述

目前军事指挥信息系统的时间同步采用NTP体制，全网设立专用时间服务器与外部精确时钟相联获取标准时钟信号，在各级子网中使用带NTP服务的路由器充当NTP服务器或设立专用的NTP服务器，从上级专用时间服务器或其上级子网路由器校正时间，同时对本子网用户和下级子网路由器提供NTP服务。其结构如图2-1所示。

DH舰队

图2-1 现行网络授时系统示意图

而在遂行作战任务时，根据联合作战的需要，往往对兵力进行重新编组，将原来隶属不同子网的用户分割重组成若干个新的子网。如图2-1中红色虚线框线部分所示，将这些作战力量重新编组为一个战斗群。在整个作战行动中的存在若干战斗群，这些群之间的网络链路，或因受敌火力打击、或因其它需要，无法

保证持续、长久的连接，形成了若干相互独立的子网，如图2-2所示。

作战单元

图2-2 战场实际网络环境示意图

由于联合作战的需要，这些相互分离的子网之间，对时间同步仍然有着较高的要求。但如果长时间网络中断，仅靠子网内设备自身的时钟无法保证时钟的同步精度，必须有统一的外部时钟源来作为参考。故考虑在各个子网直接配置一个可通过某种方式直接与精确时钟源校对时钟的设备，并向子网内部其它设备和用户提供NTP授时服务，其系统的结构如图2-3所示。

作战单元

图2-3 NTP网络授时系统示意图

系统可采用多种外部时钟源，包括全球定位系统（GPS）、北斗卫星定位导航系统或CDMA网络等作为一级时钟源，直接获取标准时钟信号且不依赖于计算机网络。同时NTP服务器接入作战群计算机子网中，为本网其它设备和用户提供NTP授时服务。

2.2 系统目标

NTP网络授时系统的目标是，在基于IP协议的多层级局部网络中，实现客户端与服务器的实时时钟同步，从而保证信息系统应用的有序运行和高精度、高可靠性。网络授时系统服务器实时从外部时钟源获取精确时钟信号、驯化本地时钟、提供网络授时服务。网络授时系统客户端自动选择可用服务器，获取精确时钟信号、驯化本地时钟。

对本NTP网络授时系统所部署的各类军事应用系统来说，主要是使原分属

于不同局部网络、参照不同时钟源的客户，在重新组织到一个新的局部网络后，实现时钟同步。故从理论上讲，其时钟同步系统，可采用一种完全独立于其它时间系统的时间标准。但是根据现行技术体制的要求，本系统仍然采用世界协调时（UTC）为基准。

系统对可靠性、可维护性、安全性、易用性等性能有较高的要求。

2.3 需求分析

2.3.1 硬件需求

NTP网络授时服务系统的硬件需求，主要是指需进行开发的NTP授时服务器的硬件需求，主要有：

1. CPU有较强的处理能力；

2. 具备串行接口以获取外部时钟信号；

3. 具备以太网接口；

4. 可运行μCLinux嵌入式系统

5. 达到中华人民共和国国家军用标准《时统设备通用规范（GJB 2242-94）》所规定的各项技术指标

2.3.2 软件需求

NTP网络授时服务系统软件的功能性主要需求：

1. 时间服务器能够同步到标准时间，必须提供连续的基于UTC的本地时间。

2. 时间服务机制即使在网络传输路径上有不稳定的延迟变化时，也能够提供准确的时间。

3. 同步子网即使在不稳定的网络环境下，也必须提供可靠性和存活性。这需要冗余时钟源、冗余的时间服务器、不同的传输路径和动态的可再组织的子网结构。

4. 系统可在现行的操作系统（windows）和网络环境（IP网络）上部署使用，符合现行时统设备的技术体制（NTP），同时对操作系统和现有服务的影响尽可能的小。

5.服务器必须便于设置和使用，特定的客户端软件必须便于安装和配置。

NTP网络授时系统的主要业务流程如下图所示。

图2-4 NTP网络授时系统主要业务流程NTP网络授时系统的用例图如下所示。

图2-5 网络授时系统用例总图

2.4 硬件总体设计

为达到NTP服务器硬件小型化、便于机动携行的目的，其硬件设计可考虑采用两种方案：一种方案是采用单片机作为控制器，外加网上芯片完成数据的接收和转发，这种方法比较经济简单，硬件和软件开发相对容易，但是单片机一般性能有限，工作频率不高、速度较慢，当网络吞吐量大时，处理器很难实时处理，影响时钟同步的准确性。另一种方案是采用ARM处理器，外加带TCP/IP协议栈的实时操作系统，既可以满足性能的要求，又有效减小了软件开发的工作量。事实上，ARM处理器以其优越的性能正越来越得到广泛的应用，它在工业控制、通讯、计算机、消费电子等方面正逐步取代单片机，成为人们进行项目开发的首选。

本项目采用第二种方案，即使用ARM处理器外加μCLinux嵌入式操作系统，作为NTP网络授时系统的服务器，其硬件结构框图如图2-6所示。

图2-6 NTP服务器硬件结构框图

其核心是ARM处理器及必要的外围电路：电源电路将外部5V电源通过DC/DC转换器，为系统各部分提供所必需的5V与3.3V电压；晶振电路为系统提供内部时钟信号；JTAG接口电路为系统提供调试接口；RS232驱动器与接口连接外部时钟源以获取标准时钟信号，以太网接口用于连接IP网络以提供NTP 服务。

2.5 软件总体设计

NTP网络授时系统的软件，根据需求和业务流程，可划分为两个部分，即NTP服务器端的授时服务软件和客户端的NTP时钟同步软件。软件设计的主要目标是：

1. 采用Client/Server架构；

2. 服务器端软件基于μCLinux操作系统，通过外部配置文件保存RS232串口的参数设置，通过RS232串口通信获取外部时钟信号并分离出精确时钟信号，

能够对本地时钟进行校正，通过socket编程，实现对以太网口NTP协议包的接收和应答；

3. 客户端软件基于windows操作系统，有通过图形用户界面可对有关参数进行设置，通过socket编程实现对以太网口NTP协议包的发送和接收，能够对本地时钟进行校正。

NTP网络授时系统软件的主要功能划分如下图所示。

图2-7 网络授时系统功能架构图

从图2-3中可以看出，在整个NTP网络授时系统中，时钟源是统一的，NTP 授时服务器是根据作战群子网划分呈分布式部署的，每一个子网中授时系统的架构是相同的，一个授时服务器对应多个时钟同步客户端。图2-3也可以看作是整个NTP网络授时系统的网络架构图。

在一个独立的子网内部，为了最大限度地提高时间同步服务的准确性和及时性，一般将NTP服务器部署在最上层交换机的某一端口。子网中网络授时系统的网络架构如图2-8所示。