專利名稱:高精度ntp時間服務(wù)器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高精度NTP時間服務(wù)器，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元與DCLS接收單元相連，DCLS接收單元連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元及主CPU單元，主CPU單元還連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元輸出的時間信號通過DA驅(qū)動單元馴服時間保持單元OCXO振蕩器，其特征在于，NTP信號在以太網(wǎng)物理層單元上標(biāo)記時間戳，并通過硬件FPGA單元高速處理后由DCLS解包及NTP授時管理單元輸出時間。本實用新型基于FPGA硬件的方式，完成NTP授時任務(wù)的NTP時間服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)方式，提供了一種高精度NTP時間服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)范圍內(nèi)微秒級時間同步。
【專利說明】
高精度NTP時間服務(wù)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種接收北斗二代授時信號、輸出納秒級NTP網(wǎng)絡(luò)對時信號的時間服務(wù)器，尤其涉及一種利用在物理層打時間戳的時間高精度處理技術(shù)，取代傳統(tǒng)的應(yīng)用層打時間戳的處理技術(shù)，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展和社會的進步，許多行業(yè)對時間精度的要求也越來越高。在電力、交通、通信、金融等各個領(lǐng)域，精確的時間信號才能夠保證各種自動化設(shè)備的正常運行，而I秒鐘的時間差都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計失誤，造成無法挽回的經(jīng)濟損失。
[0003]NTP協(xié)議全稱網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time Procotol)。它的目的是通過網(wǎng)絡(luò)傳遞統(tǒng)一、標(biāo)準的時間。一般具體的實現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上指定若干時鐘源，通過網(wǎng)絡(luò)傳送同步信號，實現(xiàn)不同地域間時鐘的同步到世界協(xié)調(diào)時UTC，其精度在局域網(wǎng)內(nèi)可達0.lms，在互聯(lián)網(wǎng)上絕大多數(shù)的地方其精度可以達到l-50ms。
[0004]如果客戶機需要通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進行對時，客戶機先發(fā)出一個請求同步數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包上打上本地時間戳Tl ο當(dāng)服務(wù)器接收到該數(shù)據(jù)包時，即時打上服務(wù)器的本地時間T2，經(jīng)過服務(wù)器處理，服務(wù)器向客戶機發(fā)送一個同步數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包含T1、T2和服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間T3，當(dāng)客戶機接收到該數(shù)據(jù)包時，即時打上本地時戳T4。
[0005]客戶機通過公式計算，可算得:偏移offset = [(T2-Tl) + (T3_T4)]/2。
[0006]由上式可以看出，偏移只與四個時標(biāo)相關(guān)，而與傳輸時延大小無關(guān)。
[0007]算得客戶機和服務(wù)器的時間偏移量后，通過復(fù)雜的調(diào)整技術(shù)，客戶機即可以實現(xiàn)與服務(wù)器的時間同步。
[0008]NTP工作在廣播模式時，服務(wù)器不論客戶工作在何種模式下，主動發(fā)出時間信息，客戶由此信息調(diào)整自己的時間，此時網(wǎng)絡(luò)延時忽略，因此在準度上有損失，僅可滿足毫秒級甚至是秒級應(yīng)用;工作在客戶/服務(wù)器模式時客戶機向服務(wù)器發(fā)出一個同步請求信號，服務(wù)器再將含有時間信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶機，通過計算，客戶機實現(xiàn)與服務(wù)器的時間同步。
[0009]采用NTP技術(shù)實現(xiàn)高精度時間同步，必須首先解決時間延遲的問題。時間延遲通常由2部分構(gòu)成，一部分來自于外部網(wǎng)絡(luò)傳輸上的延遲，一部分來自于內(nèi)部協(xié)議層編解碼時標(biāo)的過程中。NTP協(xié)議本身的計算就加入了網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的因素，因此只要NTP從鐘有優(yōu)秀的同步計算能力，傳輸延時并不會對同步精度產(chǎn)生很大影響，此時內(nèi)部協(xié)議層編解碼時標(biāo)的過程中產(chǎn)生的時間延遲是影響網(wǎng)絡(luò)同步精度的主要因素。傳統(tǒng)的NTP網(wǎng)絡(luò)中，如果NTP從鐘和NTP服務(wù)器之間間隔了多個層級(stratum)，由于在每個節(jié)點編解碼時標(biāo)時都產(chǎn)生時延，因此這個NTP從鐘所獲得的時間精度較差。
[0010]標(biāo)準NTP協(xié)議的對時精度主要取決于接收與發(fā)送協(xié)議堆棧中的延時抖動，由于應(yīng)用層在最高層，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、表示層等多層協(xié)議棧抖動的影響，對時精度低。
[0011]目前針對標(biāo)準NTP對時精度低這一問題普遍的解決方法是采用硬件(Carr i e r-Class )NTP技術(shù)，在以太網(wǎng)驅(qū)動層打時標(biāo)，根本上解決來自于內(nèi)部協(xié)議層編解碼時標(biāo)時產(chǎn)生的時間延遲。對時精度取決于以太網(wǎng)的中斷服務(wù)程序的中斷反應(yīng)時間。結(jié)合振蕩器的穩(wěn)頻精度可達Ius。
[0012]采用Carrier-ClassNTP技術(shù)的設(shè)備，當(dāng)數(shù)據(jù)在物理層編碼完成后立即被打上時標(biāo)，因此大大減小了傳統(tǒng)NTP技術(shù)因在軟件層打時標(biāo)而導(dǎo)致的高延時。另一種亞微秒級高精度網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)PTP技術(shù)也是采用了在硬件層打時標(biāo)的方法大幅度提高了網(wǎng)絡(luò)對時精度，因此，Carrier-Class NTP技術(shù)是一種采用了NTP協(xié)議，技術(shù)上趨近PTP的實現(xiàn)大型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)高精度時間同步的技術(shù)。
[0013]此外，傳統(tǒng)的NTP同步是分層分級同步，如stratum-1，stratum-2，stratum-3等，客戶端與服務(wù)器之間的層數(shù)越多，其精度也越差，因為每一級時鐘在編解碼時標(biāo)時和傳輸時都會產(chǎn)生時延。而Carrier-Class NTP系統(tǒng)中通常只采用2層配置，極大的提高了客戶端獲得的時間精度(若是當(dāng)設(shè)備全部處在stratum-Ι時，則能獲得最高的精度)。在一個大型的網(wǎng)絡(luò)中實施時間同步時，我們通常在幾個關(guān)鍵的節(jié)點上配置NTP服務(wù)器，這樣既達到了冗余配置的目的，又有效減少了服務(wù)器至客戶端之間的傳輸節(jié)點，降低因節(jié)點多而造成的延遲。
[0014]采用Carrier-Class NTP技術(shù)的設(shè)備一般都采用了有較好信號處理能力的硬件設(shè)備，強大和高速的實時處理信號的能力也使同步精度進一步提高，同時也保證了能夠給大型網(wǎng)絡(luò)中大量的設(shè)備提供精確的時間基準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本實用新型要解決的技術(shù)問題是實現(xiàn)局域網(wǎng)范圍內(nèi)微秒級時間同步。
[0016]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是提供了一種高精度NTP時間服務(wù)器，包括獨立的DCLS解包及NTP授時管理單元及衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元與DCLS接收單元相連，DCLS接收單元連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元及主CPU單元，主CPU單元還連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元輸出的時間信號通過DA驅(qū)動單元馴服時間保持單元OCXO振蕩器，其特征在于，NTP信號在以太網(wǎng)物理層單元上標(biāo)記時間戳，并通過硬件FPGA單元高速處理后由DCLS解包及NTP授時管理單元輸出時間。
[0017]優(yōu)選地，所述衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元還與顯示及鍵盤單元相連。
[0018]本實用新型通過Carrier-Class NTP技術(shù)，基于FPGA硬件的方式，完成NTP授時任務(wù)的NTP時間服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)方式，提供了一種高精度NTP時間服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)范圍內(nèi)微秒級時間同步。
【附圖說明】

[0019]圖1為NTP工作原理圖，圖中的t為延時；
[0020]圖2為本實用新型提供的一種高精度NTP時間服務(wù)器；
[0021]圖3為硬件FPGA單元具體實現(xiàn)。
【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0023]如圖2所示，本實用新型提供了一種高精度NTP時間服務(wù)器，包括獨立的DCLS解包及NTP授時管理單元及衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元與DCLS接收單元相連，DCLS接收單元連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元及主CPU單元，主CPU單元還連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元輸出的時間信號通過DA驅(qū)動單元馴服時間保持單元OCXO振蕩器，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元還與顯示及鍵盤單元相連。NTP信號在以太網(wǎng)物理層單元上標(biāo)記時間戳，并通過硬件FPGA單元高速處理后由DCLS解包及NTP授時管理單元輸出時間。
[0024]結(jié)合圖3，硬件FPGA單元目前實現(xiàn)的是單個NTP授時模塊支持兩個網(wǎng)口。由于考慮到發(fā)送的及時性，在發(fā)送端不考慮采用頁面交替。
[0025]RAMl/3 中內(nèi)容(地址空間0x0_0x7f):
[0026]Wordl:保存從PHY中接收到的數(shù)據(jù)包長度(以word為單位)；
[0027]Word2及以后保存從PHY中接收到的數(shù)據(jù)。
[0028]RAM2/4中內(nèi)容(地址空間0x80_0xff):
[0029]Wordl:保存準備發(fā)送到PHY的數(shù)據(jù)包長度(以word為單位)；
[0030]Word2及以后保存準備發(fā)送到PHY中的數(shù)據(jù)。
[0031 ] 雙口 RAM51和RAM52是用來保存CPU對FPGA的配置信息，有自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于對本RAM的操作會影響端口服務(wù)器的各種操作，所以建議CPU對其操作時，應(yīng)停止相應(yīng)的端口服務(wù)。RAM51對應(yīng)PHY接口模塊I ；RAM52對應(yīng)PHY接口模塊2。在FPGA內(nèi)部可以使用同一個鹽塊。
[0032]雙口RAM6是用來保存CPU需要FPGA發(fā)送的各種信息，有自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該空間分為兩個頁面，用來同步CPU的寫操作和FPGA的讀操作。兩頁面中內(nèi)容相似，CPU可以只修改其中的一部分內(nèi)容。
[0033]為了要完成高精度的NTP時間對時處理，本實用新型采取了衛(wèi)星時鐘處理單元和NTP處理單元獨立的處理方式，這樣就能很方便的增加對時NTP端口數(shù)量。衛(wèi)星時鐘處理單元采用鎖相環(huán)反饋的方式處理OCXO馴服算法，輸出DCLS信號能穩(wěn)定在< 10ns的水平。NTP處理單元采用輸入DCLS信號和20M(衛(wèi)星時鐘處理單元馴服的時鐘)信號，另外串口部分為網(wǎng)管使用。通過解析出DCLS中的相當(dāng)于IPPS和TOD信號，完成NTP模塊部分的授時工作。
[0034]本實用新型將NTP輸出卡板采用硬件打時間戳的技術(shù)，避免了軟件打時間戳造成的不可控的延時，成功地完成了納秒級的NTP技術(shù)，對于軟件方式下毫秒級的NTP，有質(zhì)的飛躍。硬件NTP技術(shù)的采用還能抵御網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，這些都是軟件NTP方式不具有的技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種高精度NTP時間服務(wù)器，包括獨立的DCLS解包及NTP授時管理單元及衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元與DCLS接收單元相連，DCLS接收單元連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元及主CPU單元，主CPU單元還連接北斗/GPS衛(wèi)星接收單元，衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元輸出的時間信號通過DA驅(qū)動單元馴服時間保持單元OCXO振蕩器，其特征在于，NTP信號在以太網(wǎng)物理層單元上標(biāo)記時間戳，并通過硬件FPGA單元高速處理后由DCLS解包及NTP授時管理單元輸出時間。2.如權(quán)利要求1所述的一種高精度NTP時間服務(wù)器，其特征在于，所述衛(wèi)星時鐘處理FPGA單元還與顯示及鍵盤單元相連。
【文檔編號】H04L29/06GK205725784SQ201620365779
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】王海嵩, 方國盛, 馬廣新
【申請人】上海泰坦通信工程有限公司