一种纳秒级NTP网络时间同步方法及系统与流程

本发明涉及纳秒级ntp网络时间同步，尤其涉及一种纳秒级ntp网络时间同步方法及系统。

背景技术：

1、ntp是网络时间协议(network time protocol)，最早用来同步网络中各个计算机时间的协议，传统的ntp网络时间同步精度在毫秒量级。但是，随着时间频率技术的飞速发展，时间同步系统广泛应用于航空、航天、电力等领域，时间同步系统对时间同步精度的要求也越来越高，已经达到纳秒量级。因此，需要利用纳秒级ntp时间源产生技术实现系统内更高精度的时间同步。

2、在网络时间协议传输时，时间戳标记方式有两种：软件时间戳和硬件时间戳。相较于硬件时间戳，传统的ntp网络时间同步实现过程中，四个时间戳均标记在软件层，即软件时间戳，软件时间戳精度较低，在微妙量级。原因有二：其一，处理器内部有个总线时钟，这个时钟往往使用普通的无源晶振驱动，而无源晶振的老化率漂移率都在微妙级别。其二，软件中断处理的不确定性导致不能实时处理，往往会使置入的时间戳与实际的时间相差很大。

3、综上所述，在网络时间协议传输时采用硬件时间戳，将ntp网络时间同步精度提高至纳秒量级，使时间同步系统的纳秒级时间同步需求。满足同步系统高精度的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决在纳秒级ntp时间源产生技术如何实现系统内更高精度的时间同步的难题，提出一种纳秒级ntp网络时间同步方法及系统，用于实现将ntp网络时间同步精度提高至纳秒量级，满足同步系统高精度的要求。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种纳秒级ntp网络时间同步方法，包括利用硬件方式标记ntp时间戳的客户端和服务端，

3、s1:所述客户端向所述服务端发送时间请求消息，

4、s2:所述服务端以时间应答消息作为回应，

5、s3:通过所述客户端发送消息至所述服务端所经历的时间和所述服务端回应所述客户端的时间计算出所述客户端与所述服务器之间的时钟偏差t，

6、s4:用时钟偏差t调整所述客户端的时钟，以使其时间与所述服务器时间一致。

7、优选地，s1:所述客户端向所述服务器发送包含了所述客户端发送时间戳t1的ntp请求报文，

8、所述服务端收到ntp请求报文时在报文中填入所述服务端的接收时间戳t2；

9、s2:所述服务端向所述客户端发送包含所述服务端的发送时间戳t3的回应报文，

10、所述客户端收到响应报文时记录其返回时间戳t4；

11、s3:根据t1、t2、t3和t4计算出ntp往返延迟的时间d和所述客户端与所述服务器之间的时钟偏差t：

12、

13、s4:用时钟偏差t调整所述客户端的时钟，以使其时间与所述服务器时间一致。

14、优选地，一种纳秒级ntp网络时间同步系统，网络时间同步系统由至少一台网络时间源产生系统构成，

15、网络时间源产生系统构成包括：

16、负责与所述客户端进行ntp通信的高速phy片单元，提供传输和接收所需的所有物理层功能电缆上的以太网数据包；

17、实现硬件ntp同步的mac功能的第一处理器单元，获取mac层数据；

18、实现协议栈数据解析的第二处理器单元，标记ntp时间源硬件时间戳，包括udp协议栈和ntp协议栈；

19、负责给装置供电的供电单元。

20、优选地，包括：

21、接收链路中，

22、高速phy片单元获取所述客户端的ntp同步请求数据包，第一处理器单元接收高速phy片单元获取的数据包；进入第一处理器单元的数据包获取mac层数据，再将数据送入第二处理器单元进行数据解析和处理，并标记ntp时间源的接收时间戳；

23、发送链路中，

24、第二处理器单元完成ntp层数据的组帧操作，并标记ntp时间源的发送时间戳，然后完成udp、ip和mac层的组帧；该数据与第一处理器单元的mac数据完成复用后，送至mac接口，高速phy片单元完成ntp同步应答数据包的发送。

25、优选地，

26、接收链路中，

27、高速phy片单元通过总线获取rj45网口获取ntp客户端的ntp同步请求数据包，第一处理器单元通过gmii/rgmii接口接收高速phy片单元获取的数据包，进入第一处理器单元后的数据包通过mac接口获得mac层数据，再将数据通过总线送入第二处理器单元进行udp协议栈数据解析以及ntp协议栈数据处理，并标记ntp时间源的接收时间戳；

28、发送链路中，

29、第二处理器单元在ntp协议栈完成ntp层数据的组帧操作，并标记ntp时间源的发送时间戳，然后在udp协议栈完成udp、ip和mac层的组帧；该数据与第一处理器单元的mac数据完成复用后，送至mac接口，通过高速phy片单元101完成ntp同步应答数据包的发送。

30、优选地，ntp时间源的时间戳均在用硬件方式标记ntp时间戳的硬件处理器上做了标记，使硬件处理器上实现mac功能。

31、优选地，硬件处理器的参考时间为245mhz至255mhz，使得ntp协议栈可将ntp时间源的接收时间戳和发送时间戳恢复成1pps脉冲信号，且ntp时间源接收时间戳1pps和ntp时间源发送时间戳1pps的精度均在纳秒量级。

32、优选地，硬件处理器的参考时间为248mhz至252mhz，对应的时钟周期为4ns，解析所述客户端发来的ntp报文，使ntp网络时间源的时间戳精度均达到纳秒量级，最大限度上靠近物理层，减少其他操作系统及其他网络层延迟带来的误差。

33、优选地，纳秒级ntp网络时间同步系统由两台纳秒级ntp网络时间源产生系统构成，包括对两台纳秒级ntp网络时间源产生系统进行数据交互的第一ntp网络时间源单元和第二ntp网络时间源单元。

34、优选地，第一ntp网络时间源单元和第二ntp网络时间源单元是通过网络进行ntp通信的，实现了纳秒级ntp时间同步精度。

35、本发明公开了以下技术效果：

36、本发明利用硬件方式标记ntp时间戳的技术，通过标记硬件时间戳的方式，ntp时间同步过程中，实现纳秒级ntp时间同步，避免了操作系统及网络层的误差对ntp同步精度的影响，使得ntp时间同步精度提高到纳秒量级。

技术特征：

1.一种纳秒级ntp网络时间同步方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述一种纳秒级ntp网络时间同步方法，其特征在于：

3.一种纳秒级ntp网络时间同步系统，应用于如权利要求1-3任一权利要求所述的一种纳秒级ntp网络时间同步方法中，其特征在于，网络时间同步系统由至少一台网络时间源产生系统构成，

4.根据权利要求3所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：ntp时间源的时间戳均在用硬件方式标记ntp时间戳的硬件处理器上做了标记，使硬件处理器上实现mac功能。

7.根据权利要求6所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：硬件处理器的参考时间为245mhz至255mhz，使得ntp协议栈可将ntp时间源的接收时间戳和发送时间戳恢复成1pps脉冲信号，且ntp时间源接收时间戳1pps和ntp时间源发送时间戳1pps的精度均在纳秒量级。

8.根据权利要求7所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：

9.根据权利要求8所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：纳秒级ntp网络时间同步系统由两台纳秒级ntp网络时间源产生系统构成，包括对两台纳秒级ntp网络时间源产生系统进行数据交互的第一ntp网络时间源单元和第二ntp网络时间源单元。

10.根据权利要求9所述一种纳秒级ntp网络时间同步系统，其特征在于：第一ntp网络时间源单元和第二ntp网络时间源单元是通过网络进行ntp通信的，实现了纳秒级ntp时间同步精度。

技术总结
本发明公开了一种纳秒级NTP网络时间同步方法及系统，包括利用硬件方式标记NTP时间戳的客户端和服务端，客户端向所述服务端发送时间请求消息，服务端以时间应答消息作为回应，客户端发送消息至所述服务端所经历的时间和服务端回应客户端的时间计算出客户端与服务器之间的时钟偏差t，用时钟偏差t调整客户端的时钟，以使其时间与服务器时间一致。高速PHY片单元提供传输和接收所需的所有物理层功能电缆上的以太网数据包；第一处理器单元，获取MAC层数据；第二处理器单元，标记NTP时间源硬件时间戳。通过标记硬件时间戳的方式，NTP时间同步过程中，实现纳秒级NTP时间同步使得精度提高到纳秒量级，避免操作系统及网络层的误差对NTP同步精度的影响。

技术研发人员：杨帆,乔彩霞,刘灿
受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14