高精度ntp时间服务器的制造方法
专利名称:高精度ntp时间服务器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高精度NTP时间服务器，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。本实用新型基于FPGA硬件的方式，完成NTP授时任务的NTP时间服务器设计与实现方式，提供了一种高精度NTP时间服务器，能够实现局域网范围内微秒级时间同步。
【专利说明】
高精度NTP时间服务器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种接收北斗二代授时信号、输出纳秒级NTP网络对时信号的时间服务器，尤其涉及一种利用在物理层打时间戳的时间高精度处理技术，取代传统的应用层打时间戳的处理技术，属于通信技术领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展和社会的进步，许多行业对时间精度的要求也越来越高。在电力、交通、通信、金融等各个领域，精确的时间信号才能够保证各种自动化设备的正常运行，而I秒钟的时间差都有可能导致数据统计失误，造成无法挽回的经济损失。
[0003]NTP协议全称网络时间协议(Network Time Procotol)。它的目的是通过网络传递统一、标准的时间。一般具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源，通过网络传送同步信号，实现不同地域间时钟的同步到世界协调时UTC，其精度在局域网内可达0.lms，在互联网上绝大多数的地方其精度可以达到l-50ms。
[0004]如果客户机需要通过网络与服务器进行对时，客户机先发出一个请求同步数据包，并在数据包上打上本地时间戳Tl ο当服务器接收到该数据包时，即时打上服务器的本地时间T2，经过服务器处理，服务器向客户机发送一个同步数据包，该数据包包含T1、T2和服务器发送数据包的时间T3，当客户机接收到该数据包时，即时打上本地时戳T4。
[0005]客户机通过公式计算，可算得:偏移offset = [(T2-Tl) + (T3_T4)]/2。
[0006]由上式可以看出，偏移只与四个时标相关，而与传输时延大小无关。
[0007]算得客户机和服务器的时间偏移量后，通过复杂的调整技术，客户机即可以实现与服务器的时间同步。
[0008]NTP工作在广播模式时，服务器不论客户工作在何种模式下，主动发出时间信息，客户由此信息调整自己的时间，此时网络延时忽略，因此在准度上有损失，仅可满足毫秒级甚至是秒级应用;工作在客户/服务器模式时客户机向服务器发出一个同步请求信号，服务器再将含有时间信息的数据包发送给客户机，通过计算，客户机实现与服务器的时间同步。
[0009]采用NTP技术实现高精度时间同步，必须首先解决时间延迟的问题。时间延迟通常由2部分构成，一部分来自于外部网络传输上的延迟，一部分来自于内部协议层编解码时标的过程中。NTP协议本身的计算就加入了网络传输延迟的因素，因此只要NTP从钟有优秀的同步计算能力，传输延时并不会对同步精度产生很大影响，此时内部协议层编解码时标的过程中产生的时间延迟是影响网络同步精度的主要因素。传统的NTP网络中，如果NTP从钟和NTP服务器之间间隔了多个层级(stratum)，由于在每个节点编解码时标时都产生时延，因此这个NTP从钟所获得的时间精度较差。
[0010]标准NTP协议的对时精度主要取决于接收与发送协议堆栈中的延时抖动，由于应用层在最高层，经过网络层、传送层、表示层等多层协议栈抖动的影响，对时精度低。
[0011]目前针对标准NTP对时精度低这一问题普遍的解决方法是采用硬件(Carr i e r-Class )NTP技术，在以太网驱动层打时标，根本上解决来自于内部协议层编解码时标时产生的时间延迟。对时精度取决于以太网的中断服务程序的中断反应时间。结合振荡器的稳频精度可达Ius。
[0012]采用Carrier-ClassNTP技术的设备，当数据在物理层编码完成后立即被打上时标，因此大大减小了传统NTP技术因在软件层打时标而导致的高延时。另一种亚微秒级高精度网络时间同步技术PTP技术也是采用了在硬件层打时标的方法大幅度提高了网络对时精度，因此，Carrier-Class NTP技术是一种采用了NTP协议，技术上趋近PTP的实现大型网络内高精度时间同步的技术。
[0013]此外，传统的NTP同步是分层分级同步，如stratum-1，stratum-2，stratum-3等，客户端与服务器之间的层数越多，其精度也越差，因为每一级时钟在编解码时标时和传输时都会产生时延。而Carrier-Class NTP系统中通常只采用2层配置，极大的提高了客户端获得的时间精度(若是当设备全部处在stratum-Ι时，则能获得最高的精度)。在一个大型的网络中实施时间同步时，我们通常在几个关键的节点上配置NTP服务器，这样既达到了冗余配置的目的，又有效减少了服务器至客户端之间的传输节点，降低因节点多而造成的延迟。
[0014]采用Carrier-Class NTP技术的设备一般都采用了有较好信号处理能力的硬件设备，强大和高速的实时处理信号的能力也使同步精度进一步提高，同时也保证了能够给大型网络中大量的设备提供精确的时间基准。
【发明内容】
[0015]本实用新型要解决的技术问题是实现局域网范围内微秒级时间同步。
[0016]为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。
[0017]优选地，所述卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。
[0018]本实用新型通过Carrier-Class NTP技术，基于FPGA硬件的方式，完成NTP授时任务的NTP时间服务器设计与实现方式，提供了一种高精度NTP时间服务器，能够实现局域网范围内微秒级时间同步。
【附图说明】
[0019]图1为NTP工作原理图，图中的t为延时；
[0020]图2为本实用新型提供的一种高精度NTP时间服务器；
[0021]图3为硬件FPGA单元具体实现。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0023]如图2所示，本实用新型提供了一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。
[0024]结合图3，硬件FPGA单元目前实现的是单个NTP授时模块支持两个网口。由于考虑到发送的及时性，在发送端不考虑采用页面交替。
[0025]RAMl/3 中内容(地址空间0x0_0x7f):
[0026]Wordl:保存从PHY中接收到的数据包长度(以word为单位)；
[0027]Word2及以后保存从PHY中接收到的数据。
[0028]RAM2/4中内容(地址空间0x80_0xff):
[0029]Wordl:保存准备发送到PHY的数据包长度(以word为单位)；
[0030]Word2及以后保存准备发送到PHY中的数据。
[0031 ] 双口 RAM51和RAM52是用来保存CPU对FPGA的配置信息，有自定义的数据结构。由于对本RAM的操作会影响端口服务器的各种操作，所以建议CPU对其操作时，应停止相应的端口服务。RAM51对应PHY接口模块I ；RAM52对应PHY接口模块2。在FPGA内部可以使用同一个鹽块。
[0032]双口RAM6是用来保存CPU需要FPGA发送的各种信息，有自定义的数据结构。该空间分为两个页面，用来同步CPU的写操作和FPGA的读操作。两页面中内容相似，CPU可以只修改其中的一部分内容。
[0033]为了要完成高精度的NTP时间对时处理，本实用新型采取了卫星时钟处理单元和NTP处理单元独立的处理方式，这样就能很方便的增加对时NTP端口数量。卫星时钟处理单元采用锁相环反馈的方式处理OCXO驯服算法，输出DCLS信号能稳定在< 10ns的水平。NTP处理单元采用输入DCLS信号和20M(卫星时钟处理单元驯服的时钟)信号，另外串口部分为网管使用。通过解析出DCLS中的相当于IPPS和TOD信号，完成NTP模块部分的授时工作。
[0034]本实用新型将NTP输出卡板采用硬件打时间戳的技术，避免了软件打时间戳造成的不可控的延时，成功地完成了纳秒级的NTP技术，对于软件方式下毫秒级的NTP，有质的飞跃。硬件NTP技术的采用还能抵御网络风暴，这些都是软件NTP方式不具有的技术。
【主权项】
1.一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。2.如权利要求1所述的一种高精度NTP时间服务器，其特征在于，所述卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。
【文档编号】H04L29/06GK205725784SQ201620365779
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】王海嵩, 方国盛, 马广新
【申请人】上海泰坦通信工程有限公司
【专利摘要】本实用新型提供了一种高精度NTP时间服务器，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。本实用新型基于FPGA硬件的方式，完成NTP授时任务的NTP时间服务器设计与实现方式，提供了一种高精度NTP时间服务器，能够实现局域网范围内微秒级时间同步。
【专利说明】
高精度NTP时间服务器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种接收北斗二代授时信号、输出纳秒级NTP网络对时信号的时间服务器，尤其涉及一种利用在物理层打时间戳的时间高精度处理技术，取代传统的应用层打时间戳的处理技术，属于通信技术领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展和社会的进步，许多行业对时间精度的要求也越来越高。在电力、交通、通信、金融等各个领域，精确的时间信号才能够保证各种自动化设备的正常运行，而I秒钟的时间差都有可能导致数据统计失误，造成无法挽回的经济损失。
[0003]NTP协议全称网络时间协议(Network Time Procotol)。它的目的是通过网络传递统一、标准的时间。一般具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源，通过网络传送同步信号，实现不同地域间时钟的同步到世界协调时UTC，其精度在局域网内可达0.lms，在互联网上绝大多数的地方其精度可以达到l-50ms。
[0004]如果客户机需要通过网络与服务器进行对时，客户机先发出一个请求同步数据包，并在数据包上打上本地时间戳Tl ο当服务器接收到该数据包时，即时打上服务器的本地时间T2，经过服务器处理，服务器向客户机发送一个同步数据包，该数据包包含T1、T2和服务器发送数据包的时间T3，当客户机接收到该数据包时，即时打上本地时戳T4。
[0005]客户机通过公式计算，可算得:偏移offset = [(T2-Tl) + (T3_T4)]/2。
[0006]由上式可以看出，偏移只与四个时标相关，而与传输时延大小无关。
[0007]算得客户机和服务器的时间偏移量后，通过复杂的调整技术，客户机即可以实现与服务器的时间同步。
[0008]NTP工作在广播模式时，服务器不论客户工作在何种模式下，主动发出时间信息，客户由此信息调整自己的时间，此时网络延时忽略，因此在准度上有损失，仅可满足毫秒级甚至是秒级应用;工作在客户/服务器模式时客户机向服务器发出一个同步请求信号，服务器再将含有时间信息的数据包发送给客户机，通过计算，客户机实现与服务器的时间同步。
[0009]采用NTP技术实现高精度时间同步，必须首先解决时间延迟的问题。时间延迟通常由2部分构成，一部分来自于外部网络传输上的延迟，一部分来自于内部协议层编解码时标的过程中。NTP协议本身的计算就加入了网络传输延迟的因素，因此只要NTP从钟有优秀的同步计算能力，传输延时并不会对同步精度产生很大影响，此时内部协议层编解码时标的过程中产生的时间延迟是影响网络同步精度的主要因素。传统的NTP网络中，如果NTP从钟和NTP服务器之间间隔了多个层级(stratum)，由于在每个节点编解码时标时都产生时延，因此这个NTP从钟所获得的时间精度较差。
[0010]标准NTP协议的对时精度主要取决于接收与发送协议堆栈中的延时抖动，由于应用层在最高层，经过网络层、传送层、表示层等多层协议栈抖动的影响，对时精度低。
[0011]目前针对标准NTP对时精度低这一问题普遍的解决方法是采用硬件(Carr i e r-Class )NTP技术，在以太网驱动层打时标，根本上解决来自于内部协议层编解码时标时产生的时间延迟。对时精度取决于以太网的中断服务程序的中断反应时间。结合振荡器的稳频精度可达Ius。
[0012]采用Carrier-ClassNTP技术的设备，当数据在物理层编码完成后立即被打上时标，因此大大减小了传统NTP技术因在软件层打时标而导致的高延时。另一种亚微秒级高精度网络时间同步技术PTP技术也是采用了在硬件层打时标的方法大幅度提高了网络对时精度，因此，Carrier-Class NTP技术是一种采用了NTP协议，技术上趋近PTP的实现大型网络内高精度时间同步的技术。
[0013]此外，传统的NTP同步是分层分级同步，如stratum-1，stratum-2，stratum-3等，客户端与服务器之间的层数越多，其精度也越差，因为每一级时钟在编解码时标时和传输时都会产生时延。而Carrier-Class NTP系统中通常只采用2层配置，极大的提高了客户端获得的时间精度(若是当设备全部处在stratum-Ι时，则能获得最高的精度)。在一个大型的网络中实施时间同步时，我们通常在几个关键的节点上配置NTP服务器，这样既达到了冗余配置的目的，又有效减少了服务器至客户端之间的传输节点，降低因节点多而造成的延迟。
[0014]采用Carrier-Class NTP技术的设备一般都采用了有较好信号处理能力的硬件设备，强大和高速的实时处理信号的能力也使同步精度进一步提高，同时也保证了能够给大型网络中大量的设备提供精确的时间基准。
【发明内容】
[0015]本实用新型要解决的技术问题是实现局域网范围内微秒级时间同步。
[0016]为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。
[0017]优选地，所述卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。
[0018]本实用新型通过Carrier-Class NTP技术，基于FPGA硬件的方式，完成NTP授时任务的NTP时间服务器设计与实现方式，提供了一种高精度NTP时间服务器，能够实现局域网范围内微秒级时间同步。
【附图说明】
[0019]图1为NTP工作原理图，图中的t为延时；
[0020]图2为本实用新型提供的一种高精度NTP时间服务器；
[0021]图3为硬件FPGA单元具体实现。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0023]如图2所示，本实用新型提供了一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。
[0024]结合图3，硬件FPGA单元目前实现的是单个NTP授时模块支持两个网口。由于考虑到发送的及时性，在发送端不考虑采用页面交替。
[0025]RAMl/3 中内容(地址空间0x0_0x7f):
[0026]Wordl:保存从PHY中接收到的数据包长度(以word为单位)；
[0027]Word2及以后保存从PHY中接收到的数据。
[0028]RAM2/4中内容(地址空间0x80_0xff):
[0029]Wordl:保存准备发送到PHY的数据包长度(以word为单位)；
[0030]Word2及以后保存准备发送到PHY中的数据。
[0031 ] 双口 RAM51和RAM52是用来保存CPU对FPGA的配置信息，有自定义的数据结构。由于对本RAM的操作会影响端口服务器的各种操作，所以建议CPU对其操作时，应停止相应的端口服务。RAM51对应PHY接口模块I ；RAM52对应PHY接口模块2。在FPGA内部可以使用同一个鹽块。
[0032]双口RAM6是用来保存CPU需要FPGA发送的各种信息，有自定义的数据结构。该空间分为两个页面，用来同步CPU的写操作和FPGA的读操作。两页面中内容相似，CPU可以只修改其中的一部分内容。
[0033]为了要完成高精度的NTP时间对时处理，本实用新型采取了卫星时钟处理单元和NTP处理单元独立的处理方式，这样就能很方便的增加对时NTP端口数量。卫星时钟处理单元采用锁相环反馈的方式处理OCXO驯服算法，输出DCLS信号能稳定在< 10ns的水平。NTP处理单元采用输入DCLS信号和20M(卫星时钟处理单元驯服的时钟)信号，另外串口部分为网管使用。通过解析出DCLS中的相当于IPPS和TOD信号，完成NTP模块部分的授时工作。
[0034]本实用新型将NTP输出卡板采用硬件打时间戳的技术，避免了软件打时间戳造成的不可控的延时，成功地完成了纳秒级的NTP技术，对于软件方式下毫秒级的NTP，有质的飞跃。硬件NTP技术的采用还能抵御网络风暴，这些都是软件NTP方式不具有的技术。
【主权项】
1.一种高精度NTP时间服务器，包括独立的DCLS解包及NTP授时管理单元及卫星时钟处理FPGA单元，卫星时钟处理FPGA单元与DCLS接收单元相连，DCLS接收单元连接北斗/GPS卫星接收单元及主CPU单元，主CPU单元还连接北斗/GPS卫星接收单元，卫星时钟处理FPGA单元输出的时间信号通过DA驱动单元驯服时间保持单元OCXO振荡器，其特征在于，NTP信号在以太网物理层单元上标记时间戳，并通过硬件FPGA单元高速处理后由DCLS解包及NTP授时管理单元输出时间。2.如权利要求1所述的一种高精度NTP时间服务器，其特征在于，所述卫星时钟处理FPGA单元还与显示及键盘单元相连。
【文档编号】H04L29/06GK205725784SQ201620365779
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】王海嵩, 方国盛, 马广新
【申请人】上海泰坦通信工程有限公司
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