通信工程外文翻譯文獻(xiàn)

中英文對照外文翻譯文獻(xiàn)(文檔含英文原文和中文翻譯)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)冗余GPS時間同步電路板的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)摘要：如今，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中準(zhǔn)確和可靠的時間是一個基本要求。為實(shí)現(xiàn)這一必要性，時間同步想法產(chǎn)生了。同時在某些情況下，可靠的時間是如此的重要，以致于一個冗余的結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用。在本文中，時間同步系統(tǒng)的主要研究是設(shè)計和實(shí)施一個時間同步電路，該電路能夠通過NTP協(xié)議與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步時間。在本設(shè)計中還嵌入了冗余方案以便提供更高的可靠性。關(guān)鍵字：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)GPS時間NTP冗余時間同步時間同步協(xié)議時間服務(wù)器1.引言我們通常會把電腦的時間和手表的誤差設(shè)置在一兩分鐘內(nèi)，但另一方面，準(zhǔn)確和可靠的時間對于財務(wù)和法律事務(wù)、運(yùn)輸、分銷系統(tǒng)，和許多其他涉及資源分布廣泛的應(yīng)用程序是必要的。舉一個例子說明，在一個分布式的機(jī)票預(yù)訂系統(tǒng)，如果分布式計算機(jī)時間不同，座椅可以賣出兩倍價格甚至更多，或者在網(wǎng)上股票交易完成之前會產(chǎn)生法律后果。在這方面，世界協(xié)調(diào)時和時鐘同步已開發(fā)出來?；A(chǔ)的時間尺度已隨著歷史得到改進(jìn)，以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的地球時和原子時也產(chǎn)生了。一些重要的時間尺度還包括國際原子時（TAI）、通用協(xié)調(diào)時間尺度（UTC）、和標(biāo)準(zhǔn)時間或民用時間。時鐘同步協(xié)議的想法是，即使最初設(shè)置準(zhǔn)確，但電腦的內(nèi)部時鐘也可能與世界時鐘不同。之后，由于時鐘漂移，會有相當(dāng)大的誤差，所以總是有必要將這些漂移的時鐘同步到參考時鐘源。時間同步源包括地球上的無線電同步技術(shù)（WWV,WWVH,WWVB,DCF77andLORAN-C）、衛(wèi)星時間同步技術(shù)（GOES,GPS,GLONASS,andGalileo）、互聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)以及電話撥號時間同步技術(shù)。在這些時鐘源中，全球定位系統(tǒng)（GPS）提供了一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，如時間精度、抗噪聲干擾、在世界各地都可用、并不斷引用國際標(biāo)準(zhǔn)。如今，相比其他時鐘資源，全球定位系統(tǒng)時鐘的使用更為廣泛。圖1顯示了一個典型的時間同步結(jié)構(gòu)，其中時間服務(wù)器從GPS接收的數(shù)據(jù)作為時間同步源。接下來，時間服務(wù)器為需要時間的設(shè)備發(fā)送滿足同步協(xié)議的準(zhǔn)確時間消息。這些設(shè)備通過收到的消息同步它們的內(nèi)部時鐘。當(dāng)今各種各樣的同步協(xié)議為時間同步提供了不同的手段，但他們都遵循兩種常用的一般模式。無論是客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，并且服務(wù)器以當(dāng)前時間響應(yīng)客戶端，或者是服務(wù)器向組內(nèi)或所有的客戶發(fā)送消息。一些重要的標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議如下：時間協(xié)議：時間協(xié)議規(guī)定在RFC868，返回一個32位并行的二進(jìn)制數(shù)表示時間，參考自1900年1月1日協(xié)調(diào)世界時秒。服務(wù)器監(jiān)聽端口37上的時間請求，并響應(yīng)TCP/IP和UDP/IP格式的請求。白天協(xié)議：白天協(xié)議規(guī)定在RFC867，發(fā)送時間使用ASCII字符。服務(wù)器監(jiān)聽端口13，并且響應(yīng)TCP/IP和UDP/IP格式的請求。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）：協(xié)議規(guī)定在RFC-5905，對于通過網(wǎng)絡(luò)同步電腦始終來說，是最古老的（并且仍在使用）和最先進(jìn)的時間同步協(xié)議。這個NTP服務(wù)器監(jiān)聽123端口，并通過發(fā)送一個滿足NTP協(xié)議格式的UDP數(shù)據(jù)包來響應(yīng)請求。簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）：SNTP是NTP協(xié)議的一個不太復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)版本。當(dāng)完整的NTP最終表現(xiàn)不需要的時候可以使用SNTP。精密時間協(xié)議（PTP）：PTP正式出現(xiàn)在IEEE1588-2008，是一個旨在提高相對于傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)協(xié)議比如NTP的時間精確度，但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中更昂貴。對于開源，對于典型的應(yīng)用來說NTP具有足夠的精度，并且有能力工作在大型網(wǎng)絡(luò)中，NTP是公共互聯(lián)網(wǎng)中使用最廣泛的，并且已經(jīng)為許多私人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)了超過三十年?？煽啃砸髮τ跁r間同步來說可能太嚴(yán)格了，以致于一個單一的時間服務(wù)器都可能不可信。因此，在一個冗余結(jié)構(gòu)中需要使用多個時間服務(wù)器。在本文中，我們將探討時間同步系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，通過從一個低成本的GPS接收器獲取時間的數(shù)據(jù)，然后使用NTP協(xié)議同步計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計中，以使用兩個時間同步板以提供更高的可靠性的方式嵌入了冗余管理。這份文件的組織如下：第二部分給出了關(guān)于NTP協(xié)議的一個簡短解釋，并且使用它同步時間。第三部分給出關(guān)于冗余的更多解釋。第四部分給出了建立一個網(wǎng)絡(luò)時間同步器的結(jié)構(gòu)，包括硬件設(shè)計和軟件算法。第五部分給出最后的測試和結(jié)果。2.什么是NTP？NTP主要包含三個部分：NTP軟件程序，在UNIX系統(tǒng)中稱為守護(hù)進(jìn)程，在WINDOWS系統(tǒng)中成為服務(wù)；用于在服務(wù)器和客戶機(jī)之間交換時間值的協(xié)議；和一套處理時間值提前或延緩系統(tǒng)時鐘的算法。因?yàn)镹TP軟件往往是和操作系統(tǒng)捆綁在一起的（如大多數(shù)的WINDOWS和UNIX系統(tǒng)），是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時間同步中最常用的協(xié)議。例如，我們不打算涵蓋所有三部分，但我們打算描述設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器中所涉及的協(xié)議。更詳細(xì)的細(xì)節(jié)可在正式規(guī)范中瀏覽。NTP協(xié)議是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）建立的，在IEEE802.3以太網(wǎng)幀中。該NTP協(xié)議報頭，在可選的擴(kuò)展域和一個可選的消息認(rèn)證碼（MAC）后有12個字。NTP工作模式，包括C/S模式和廣播模式。在客戶機(jī)/服務(wù)器模式中，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器以當(dāng)前時間響應(yīng)請求。然而在廣播模式，時間服務(wù)器周期性地向客戶端發(fā)送NTP數(shù)據(jù)包，客戶端使用接收到的數(shù)據(jù)包調(diào)整自己的時間。在NTP數(shù)據(jù)包中最重要的領(lǐng)域是時間戳字段。一個NTP的時間戳是一個64位無符號定點(diǎn)數(shù)的整數(shù)部分，在前32位顯示以1900年1月為參考的時間和小數(shù)部分在最后32位。這種表示的精度是約2-32秒（233皮秒）。時間同步的精度取決于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。今天，在互聯(lián)網(wǎng)的大多數(shù)地方，提供準(zhǔn)確的時間為10-100毫秒，而如果在一個良好的條件，沒有太多的路由器的局域網(wǎng)上，正常同步在幾毫秒。3.什么是冗余？冗余是一種通常用于提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)。它有多種形式和類型。冗余最一般的形式冗余是Mout-of-N（MooN）冗余，其中MooN至少必須是有效的系統(tǒng)函數(shù)。這方面的例子如圖2所示。M-out-of-N冗余廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，例如，在安全系統(tǒng)、編程等。同時，尊重切換時間，冗余可分為并行和備用冗余。在并行模式下，冗余的部分是連續(xù)運(yùn)行，在待機(jī)模式下，當(dāng)一個正常運(yùn)行的操作組件失敗時，他們才切換至一個操作模式。兩者之間的本質(zhì)區(qū)別如圖3所示。只要時間同步系統(tǒng)需要更多的可靠性，冗余技術(shù)就可以用。圖4顯示了一個在時間同步系統(tǒng)中的1oo3冗余結(jié)構(gòu)。根據(jù)這個數(shù)據(jù)，三個時間服務(wù)器正在從是時間同步源（GPS）那里獲取時間，然后作為時間服務(wù)器，反饋給和一個共同網(wǎng)絡(luò)連接的群體的客戶端以準(zhǔn)確和可靠的時間。值得一提的是，不同的冗余度也可以增加時間同步的可靠性。這是通過讓時間從一種以上的時間參考實(shí)現(xiàn)的。例如一個時間服務(wù)器從GPS獲取時間，而另一個時間服務(wù)器從DCF77廣播時間源獲取時間。4.時間同步電路設(shè)計A.硬件設(shè)計在這里，我們提出一個方案，一個時間服務(wù)器從GPS獲取時間數(shù)據(jù)，并且通過NTP協(xié)議為客戶端提供準(zhǔn)確的時間。圖5給出了時間服務(wù)器主板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它主要由五個部分組成：低成本的GPS接收器、單片機(jī)、以太網(wǎng)接口、用戶接口和電源。在提出了時間服務(wù)器中，單片機(jī)中起著重要的作用。它應(yīng)該被適當(dāng)?shù)鼐幊虂砗推渌糠纸涣?，讓他們作為一個時間服務(wù)器一起工作。GPS接收器通過串行接口連接到單片機(jī)。它為單片機(jī)提供NMEA協(xié)議格式的時間數(shù)據(jù)和與UTC同步的1PPS信號（秒脈沖）。以太網(wǎng)控制器接口計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建立一個連接并通過它傳輸以及接收數(shù)據(jù)。用戶接口包括一個液晶顯示器和觸摸屏。它從用戶得到所需的配置數(shù)據(jù)從而顯示時間同步的結(jié)果。B.軟件設(shè)計關(guān)于時間服務(wù)器中單片機(jī)的算法設(shè)計包括三個子算法，如圖7所示：主回路、GPS1PPS中斷服務(wù)程序（ISR），和GPS串行接口（ISR）。主回路首先初始化以太網(wǎng)控制器、GPS接收器、和用戶接口，然后進(jìn)入一個死循環(huán)，等待GPS時間脈沖和串行接口的中斷。這1PPSISR被設(shè)置為上升沿觸發(fā)。本ISR具有最高優(yōu)先級，并且能夠讓單片機(jī)在數(shù)萬納秒精度的情況下獲得世界協(xié)調(diào)時。在這個程序中計數(shù)器設(shè)置為每10秒發(fā)送一次NTP數(shù)據(jù)包。NTP的工作模式是廣播模式，讓所有連接到網(wǎng)絡(luò)的客戶端可以接收數(shù)據(jù)包。GPS的串行接口ISR每次運(yùn)行都會接收來自GPS接收機(jī)的一個串行數(shù)據(jù)。如果收到的數(shù)據(jù)是一個時間數(shù)據(jù)，就會進(jìn)行解碼并且存儲在“Time”變量中。同時NTP數(shù)據(jù)包會在下一個1PPS被發(fā)送出去，其時間戳提前1秒。冗余也嵌入算法當(dāng)中。如圖6所示，為此板“優(yōu)先級”和“優(yōu)先權(quán)”的參數(shù)。主機(jī)發(fā)送時間信息到以太網(wǎng)。此外，主機(jī)發(fā)送一個“活消息”給另一個板的地址。監(jiān)測器接收“活消息”，如果超過3秒還沒有收到，從站承擔(dān)主機(jī)的責(zé)任向以太網(wǎng)發(fā)送時間消息和“活消息”。5.結(jié)果A.硬件實(shí)現(xiàn)在測試中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間顯示，選擇NEO-5QGPS接收器，atmeaga128單片機(jī)，ENC28j60以太網(wǎng)控制器，45以太網(wǎng)插座，128*64液晶顯示器和觸摸屏，和一個電源（周圍建立的電壓調(diào)節(jié)器）。圖8顯示了根據(jù)結(jié)構(gòu)圖5建立的一個原型板。B.軟件實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)時間服務(wù)器的軟件使用了“CodeVisionAVR”。根據(jù)上述算法編寫了C++程序，本程序編譯并下載到單片機(jī)中。圖9顯示了設(shè)計的由菜單顯示的同步結(jié)果和由用戶配置的數(shù)據(jù)。C.同步結(jié)果為了測試系統(tǒng)板，通過一個HUB與安裝了“SunVirtualBox”虛擬機(jī)軟件的計算機(jī)相連接。其中一個是作為主機(jī)，另一個作為從機(jī)。下一步，建立兩個虛擬機(jī)，并且都裝有WindowsXP，所有三個互聯(lián)。通過操縱注冊表鍵的綜合時間同步服務(wù)（W32服務(wù)）讓他們NTP時間同步。所有計算機(jī)都成功同步到了時間服務(wù)器。圖10顯示W(wǎng)ireshark軟件的截屏（免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀），捕捉NTP數(shù)據(jù)包在這些電腦之間的傳送，服務(wù)器的客戶端請求和服務(wù)器答復(fù)溯源。測試冗余功能，主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)斷開，從機(jī)在3秒內(nèi)成功地承擔(dān)了主機(jī)的責(zé)任。因?yàn)榭蛻舳嗣?0秒接收NTP數(shù)據(jù)包，他們不覺得時間服務(wù)器更改了。6.結(jié)論如今，準(zhǔn)確的時間對于以計算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來說必不可少，在這方面，通常用一個時間同步系統(tǒng)從一個時間參考來獲取的時間，同時通過時間同步協(xié)議為需要時間的系統(tǒng)提供精確的時間?？紤]到GPS作為一個參考時間源的巨大優(yōu)勢，也因?yàn)槠渚哂懈叨鹊臏?zhǔn)確性和對NTP協(xié)議廣泛的適用性，它常用在時間同步系統(tǒng)中。在本文中探討了一個典型的時間同步系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，時間服務(wù)器從一個低成本的GPS接收器上獲取時間數(shù)據(jù)然后使用NTP協(xié)議給計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步時間。同時提供更可靠的時間同步服務(wù)，建造了兩個時間服務(wù)器主板，設(shè)計了一個冗余方案，并且在一個1oo2冗余結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了方案。參考文獻(xiàn)[1]Liskov,B.，”時鐘同步在分布式系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用”。分布式計算，6卷，pp.211-219，1991年4月。[2]K.Behrendt和K.Fodero?！蓖昝赖臅r間：時間同步技術(shù)測試”。第三十三屆年度西部保護(hù)會議，斯波坎，華盛頓，2006年10月。[3]Postel，J.時間協(xié)議。美國網(wǎng)絡(luò)工作組的報告RFC-868，南加州大學(xué)信息科學(xué)研究所，1983。[4]Postel，J.白天協(xié)議。美國網(wǎng)絡(luò)工作組的報告RFC-867，南加州大學(xué)信息科學(xué)研究所，1983年5月。[5]Mills,D.L網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（4版）-協(xié)議和算法規(guī)范。美國網(wǎng)絡(luò)工作組的報告RFC-5905，德拉瓦大學(xué)，2010年6月。[6]Mills,D.L簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（種）4版本為IPv6和IPv4，開放系統(tǒng)互連，RFC4430。德拉瓦大學(xué)，2006年1月。[7]關(guān)于網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)1588-2008，2008年7月。[8]D.L.Mills，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議：在地球和空間運(yùn)用的NTP。第二版，出版社，2011。[9]R.billinton和R.N.Allan，工程系統(tǒng)可靠性評估。紐約：全會，1992。[10]美國0183標(biāo)準(zhǔn)接口海洋電子設(shè)備，是美國國家海洋電子協(xié)會，1983。[11]，操作，可用：/，9月16日訪問。[12]微軟支持的注冊表項(xiàng)，W32服務(wù)，提供：/kb/223184，2011年10月6日訪問。[13]世界上最重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器，wireshark-godeep，可用：/，2011年10月6日訪問。1.GPS得到廣泛應(yīng)用，但仍存在不足。GPS已成為全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，成為一種信息基礎(chǔ)設(shè)施，正逐步進(jìn)入人們的日常生活。存在的不足是十分明顯的，它是個軍方控制的系統(tǒng)，不可能在任何時候任何地點(diǎn)保證民用；在鬧市、密林，或有遮擋和環(huán)境惡劣的情況下，其可用性受到限制；單系統(tǒng)本身就存在著局限性，不可能確保任何應(yīng)用。2.GLONASS備受關(guān)注，卻令人失望。GLONASS一度給人們以很樂觀的情景，現(xiàn)實(shí)又如此無情，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的雙重原因，使它只能殘缺不全地工作，今僅有不足十顆星工作，且很不穩(wěn)定。3.Galileo先聲奪人，與GPS組合應(yīng)用為總體思路。Galileo計劃高舉的純民用旗幟，給人一個放心和安全感。而且它公開宣布與GPS兼容互動，更增強(qiáng)了其吸引力和競爭力，以及服務(wù)保證承諾。豐富多彩的服務(wù)可滿足不同檔次和應(yīng)用領(lǐng)域的需求。4.多系統(tǒng)組合并非多多益善，應(yīng)用設(shè)備做到適可而止。多年后，可能有多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在天空運(yùn)行，是不是多多益善，一是沒有必要，二是應(yīng)用接收機(jī)不能做得太復(fù)雜，不然會大幅增加成本，無法大批量推廣，三是接收到的衛(wèi)星數(shù)達(dá)到一定數(shù)目后，衛(wèi)星信號再多也不會帶來明顯好處。一般有雙系統(tǒng)足矣。5.增強(qiáng)系統(tǒng)層出不窮，最終出路是多系統(tǒng)的組合。現(xiàn)在各種各樣的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)層出不窮，僅以廣域增強(qiáng)系統(tǒng)而言，就有美國的WAAS，歐洲的EGNOS，中國的CWAAS，日本的QZSS（還有一種為MSAS）。一旦有兩個完整的全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS）工作，在軌衛(wèi)星達(dá)50-60個，就沒有必要去建設(shè)那些廣域增強(qiáng)系統(tǒng)了。更多地是要走既省錢，又辦事的國際合作之路。RedundantGPSTimeSynchronizationBoardsforComputerNetworksAbstract--Nowadays,accurateandreliabletimeisanessentialrequirementincomputernetworkbasedsystems.Tofulfillthisnecessity,timesynchronizationideahasbeendeveloped.Meanwhileinsomecases,reliabletimeissovital,thereforearedundantstructurecanbeused.Inthispaper,atimesynchronizationsystemisinvestigatedbydesigningandimplementingatimesynchronizationboardcapableofsynchronizingtimeofcomputernetworksusingNTP(NetworkTimeProtocol).Aredundantschemeisalsoembeddedinthisworktoprovidemorereliability.Keywords--ComputerNetwork,GPSTime,NTP,Redundancy,TimeSynchronization,TimeSynchronizationProtocols,TimeServer.I.INTRODUCTIONWemayusuallysetourcomputer’stimebyourwristwatchtowithinaminuteortwo,butontheotherside,accurateandreliabletimeisnecessaryforfinancialandlegaltransactions,transportation,distributionsystems,andmanyotherapplicationsinvolvingwidelydistributedresources.Tomakesense,asanexample,inadistributedairlinereservationsystem,aseatcanbesoldtwiceornotatallifthedistributedcomputersvaryintimeortheremaybelegalconsequenceswhenanonlinestocktradeiscompleted,beforeitisbid[1].Inthisregard,coordinationtoaninternationaltimescaleandclocksynchronizationhavebeendeveloped.Thebasisforthetimescaleshasbeenrefinedthroughoutthehistoryandsiderealtime,earthrotationbasedtime,andatomictimehavebeendeveloped.SomeimportanttimescalesincludeInternationalAtomicTimescale(TAI),CoordinatedUniversalTimescale(UTC),andStandardTimeorciviltime.Clocksynchronizationdealswiththeideathatinternalclocksofcomputersmaydifferevenifinitiallysetaccurately.Afterawhileduetoclockdrift,therewillbeconsiderableclockerrors,sothereisalwaysneedforkeepingthesedriftyclocksynchronetoatimesynchronizationsourceasareferenceclock.Timesynchronizationsourcesincludeearth-basedradiotransmission(WWV,WWVH,WWVB,DCF77andLORAN-C),satellite-basedsignaltransmission(GOES,GPS,GLONASS,andGalileo),andtime-settingmessagesviacommunicationsnetworksandtelephonemodemservices[2].Amongthesesources,GlobalPositioningSystem(GPS)offerssomespecialadvantagessuchasgreattimeaccuracy,noiseimmunity,worldwideavailabilityforfree,andcontinuouslyreferencedtoaninternationalstandard.NowadaysGPSbasedclocksareusedveryoftenasthetimesynchronizationsourcesovertheotherclockrecourses.Fig.1showsatypicaltimesynchronizationstructure,whereatimeserverreceivestimedataformGPSasatimesynchronizationsources.Thetimeserverthenprovidesthetimeneedingdeviceswithaccuratetimebysendingthemamassageinformofasynchronizationprotocol.Thedevicessynchronizetheirinternalclocksusingthereceivedmassage.Thevarioussynchronizationprotocolsinusetodayprovidedifferentmeanstotimesynchronization,buttheyallfollowtwogeneralmodels.Whethertheclientsendsarequesttotheserverandtheserverrespondswithitscurrenttime,ortheserversendsmessagestoagrouporalloftheclients.Someimportantstandardcomputernetworktimesynchronizationprotocolsareasfollows:TimeProtocol:TimeprotocolspecifiedinRFC868[3],returnsa32-bitunformattedbinarynumberthatrepresentsthetimeinUTCsecondssinceJanuary1st,1900.Theserverlistenstotimerequestsonport37,andrespondsineitherTCP/IPorUDP/IPformats.DaytimeProtocol:DaytimeProtocolspecifiedinRFC867[4],sendstimeusingASCIIcharacters.Theserverlistensonport13,andrespondstorequestsineitherTCP/IPorUDP/IPformats.NetworkTimeProtocol(NTP):NTPspecifiedinRFC-5905[5],istheoldest(andstillinuse)andmostsophisticatedtimeprotocolsforsynchronizingcomputerclocksacrossanetwork.TheNTPserverslistenforaNTPrequestonport123,andrespondbysendingaUDP/IPdatapacketintheNTPformat.SimpleNetworkTimeProtocol(SNTP):SNTPisalesscompleximplementationversionofNTPprotocol[6].SNTPcanbeusedwhentheultimateperformanceofthefullNTPimplementationisnotneeded.PrecisionTimeProtocol(PTP):PTPformalizedbyIEEE1588-2008[7],isaprotocoldesignedtoincreasetimingaccuracyovertraditionalEthernetbasedprotocolslikeNTPbutitismoreexpensiveinimplementation.Forbeingopensource,havingsufficientaccuracyfortypicalapplicationsandtheabilitytoworkonlargenetworks,NTPistheonewidelyinuseonthepublicInternetandnumerousprivatenetworksforoveralmostthreedecades.Thereliabilityrequirementsfortimesynchronizationmaybesostrictthatasingletimeservercannotalwaysbetrusted.Therefore,moretimeserverscanbeusedinaredundantstructure.Inthispaper,wewillinvestigatetimesynchronizationsystembydesignandimplementationofatimesynchronizationboardwhichgetstimedatafromalow-costGPSreceiverandthensynchronizetimeofcomputernetworksusingNTPprotocol.Inthisdesign,redundancyisalsoembeddedinawaythattwotimesynchronizationboardscanbeusedtogethertoprovidemorereliability.Theremainderofthisdocumentisorganizedasfollows.SectionIIpresentsabriefexplanationofNTPprotocolandtimesynchronizationusingit.RedundancygetsmoreinterpretedinsectionIII.Astructuralschemeforbuildinganetworktimesynchronizerboard,hardwaredesignandsoftwarealgorithmsareproposedinsectionIV.FinallytheimplementedboardandtheresultsarepresentedinsectionsV.II.WHATISNTP?NTPhasthreemajorparts:theNTPsoftwareprogram,calledaDaemoninUNIXandaServiceinWindows;aprotocolthatexchangestimevaluesbetweenserversandclients;andasuiteofalgorithmsthatprocessesthetimevaluestoadvanceorretardthesystemclock[8].BecauseNTPsoftwareisoftenbundledwiththeoperatingsystems(suchasmostflavorsofWindowsandUNIX)itisthemostcommonusedprotocolforcomputernetworktimesynchronizations.Forinstant,wearenotgoingtocoverallthethreepartsbutweareintendingtodescribetheProtocolwhichisinneedfordesigningaNTPtimeserver.Furtherdetailscanbefoundintheformalspecificationin[5].TheNTPisbuiltontheInternetProtocol(IP)andUserDatagramProtocol(UDP)inanIEEE802.3EthernetframedemonstratedinTable1.TheNTPpacketheader,showninTable2,has12wordsfollowedbyoptionalextensionfieldsandanoptionalMessageAuthenticationCode(MAC).NTPworkingmodesincludeclient/serverandbroadcastmode.Inclient/servermode,theclientsendsarequesttotheserverandtheserverrespondswithitscurrenttime.Inbroadcastmodehowever,timeserverperiodicallysendsNTPpacketstotheclientsandtheyusethepackettoadjusttheirtime.ThemostimportantfieldintheNTPpacketisthetimestampfield.AnNTPtimestampisa64-bitunsignedfixed-pointnumber,withtheintegerpartinthefirst32bitsshowingthepastsecondsfrom0h1January1900andthefractionpartinthelast32bits.Theprecisionofthisrepresentationisabout2-32second(233picoseconds).AccuracyofNTPsynchronizationdependsonthenetworkenvironment.TodayinmostplacesoftheInternet,NTPprovidestimeaccuratetotheorderof10-100mSecwhileundergoodconditionsonaLANwithouttoomanyrouterssynchronizationtowithinafewmillisecondsisnormal[8].III.WHATISREDUNDANCY?Redundancyisatechniqueusuallyusedinordertoincreasethereliabilityofasystem.Itcomesinmanyformsandtypes.ThemostgeneralformofredundancyistheMout-of-N(MooN)redundancy,whereatleastMofNcomponentsmustbefunctionalinorderthesystemfunctions.SomeexamplesofthismodeareshowninFig.2.ApplicationsofM-out-of-Nredundancycanbefoundinvariousappliedareas,forexample,insafetysystems,N-versionprogramming,etc[9].Meanwhile,respectingtheswitchovertime,redundancycanbeclassifiedasParallelandStandbyredundancy[10].Inparallelmode,redundantcomponentsarecontinuouslyoperatingandinstandbymodetheyareonlyswitchedintoanoperatingmodewhenanormallyoperatingoperationcomponentfails.TheessentialdifferencebetweenthesetwomodesisillustratedinFig.3.Whenevertimesynchronizationinasystemneedstobedonewithmorereliability,redundancytechniquecanbeused.Fig.4showsa1oo3redundancystructureinatimesynchronizationsystem.Accordingtothisfigure,threetimeserversaregettingtimefromtimesynchronizationsource(GPS)themselvesandthenactastimeserverstofeedamuchlargergroupofclientsconnectedwithacommonnetworkwithanaccurateandreliabletime.Itworthmentioningthatdiverseredundancycanalsoincreasetimesynchronizationreliability.Thisisdonebygettingtimefrommorethanonetypeoftimereferences.ForexampleatimeservergetstimefromGPSsatellitesandtheotheronegetsitfromDCF77radiotimesource.IV.TIMESYNCHRONIZATIONBOARDDESIGNA.HardwaredesignHerewepresentaschemeofatimeserverboardwhichgetstimingdatafromGPSandprovidesaccuratetimefortheclientsviaNTPprotocol.Fig.5presentstheinternalstructureoftheproposedtimeserverboard.Itconsistsoffivemainparts;low-costGPSreceiver,Ethernetinterface,Microcontroller,userinterfaceandpowersupply.InthisstructuretheMicrocontrollerplaysanimportantroleintheproposedtimeserver.Itshouldbeprogrammedproperlytocommunicatewiththeotherpartsandmakethemworktogetherasatimeserver.GPSreceiverconnectstothemicrocontrollerviaaserialinterface.ItprovidesmicrocontrollerwithtimingdatainformofNMEAprotocol[11]anda1PPS(onePulsePerSecond)signalwhichissynchronizedtoUTC.TheEthernetcontrollerinterfaceestablishesaconnectiontothecomputernetworkandtransmit/receivepacketsto/fromit.TheuserinterfaceconsistsofaLCDdisplayandatouchscreen.Itgetstheneededconfigurationdatafromuseranddisplaystimesynchronizationresults.B.SoftwaredesignThedesignedalgorithmformicrocontrollerinthetimeserverconsistsofthreesubalgorithms,showninFig.7;mainloop,GPS1PPSInterruptServiceRoutine(ISR),andGPSserialinterfaceISR.ThemainloopfirstinitializesEthernetcontroller,GPSreceiver,andtheuserinterface,thenitentersanendlessloop,waitingforinterruptsfromGPStimepulseandserialinterface.The1PPSISRissettobecalledattherisingedgeoftimepulse.ThisISRhasthehighestpriorityandletsthemicrocontrollerknowsthehappeningofUTCsecondswithtensofnanosecondaccuracy.InthisroutineacounterissettosendNTPpacketsevery10seconds.TheNTPworkingmodeisBroadcastmode,soalloftheclientsconnectedtothenetworkcanreceivethepackets.TheGPSserialinterfaceISRrunseverytimeaserialdataisreceivedfromGPSreviver.Ifreceiveddatabeatimedata,itisdecodedandstoredin“Time”variable.AstheNTPpacketwillbesentatthenext1PPS,itstimestampsshouldpointto1secondinadvance.Redundancyisalsoembeddedinthealgorithm.AsFig.6illustrates,forthispurposeoneboardisparameterizedas“PriorityMaster”andtheotheras“PrioritySlave”.TheMastertransmitsthetimemessagetotheEthernet.Inaddition,theMastertransmitsan“Alivemessage”totheaddressoftheotherboard.TheSlavemonitorsthereceptionofthe“Alivemessage”andifitisnotreceivedformorethan3seconds,theSlaveassumesthedutyoftheMasterandtransmitsboththetimemessageandthe“Alivemessage”totheEthernet.V.RESULTSA.HardwareImplementationForimplementingtheNetworkTimeDisplayinpractice,NEO-5QGPSreceiver,ATmeaga128Microcontroller,ENC28j60EthernetController,RJ-45EthernetSocket,128*64graphicalLCDwithtouch-screen,andapowersupply(buildaroundVoltageRegulators)wereselected.Fig.8showsaprototypeboardbuiltaccordingtothestructureinFig.5.B.SoftwareImplementationInordertoimplementthesoftwarefortimeserver,“CodeVisionAVR”wasused.SomeC++codeswerewrittenaccordingtothementionedalgorithminFig.7tobuildthewholeprogram.ThisprogramisthencompiledandtransferredtotheMicrocontroller.Fig.9showssomeofthedesignedmenusforshowingthesynchronizationresultsandconfiguringtheboardbyuser.C.SynchronizationResultsInordertotesttheboards,theywereconnectedviaaHUBtoacomputerwith“SunVirtualBox”[12]virtualmachinesoftwareinstalledinit.Thenoneofthemwassetasprioritymasterandtheotheraspriorityslave.Next,twovirtualmachinesweremadeinSunVirtualBox,WindowsXPwasinstalledineachandallthreewerenetworkedtogether.Bymanipulatingregistrykeys[13]oftheintegratedwindowstimesynchronizationservice(w32timeservice)theywemadetobesynchronizedfromtheNTPtime.Allcomputerssuccessfullysynchronizedtothetimeserver.Fig.10showsscreenshotofWiresharksoftware(afreenetworkprotocolanalyzer[14])capturingtheNTPpacketstransmittedbetweenthreecomputersandthetimeserverinwhichclientrequestsandtimeserverrepliesaretraceable.Totesttheredundancyfeature,PriorityMasterBoardwasdisconnectedfromthenetwork,PrioritySlaveboardsuccessfullyassumedthedutyoftheMasterboardwithin3seconds.BecausetheclientsreceiveNTPpacketsevery10seconds,theydidnotfeltthetimeserverchange.VI.CONCLUSIONNowadaysaccuratetimeisanessentialneedincomputerbasedsystems.Inthisregard,usuallyatimesynchronizationsystemisusedtogettimefromatimereferenceandthenprovidethetimeneedingsystemswithprecisetimeviaatimesynchronizationprotocol.RegardingthesignificantGPSadvantagesasareferencetimesourceandalsobecauseofgreataccuracyandworldwidepopularityofNTPprotocoltheyarecommonlyusedintimesynchronizationsystems.Inthispaperatypicaltimesynchronizationsystemwasinvestigatedbydesignandimplementationofatimeserverboardwhichgetstimedatafromalow-costGPSreceiverandthensynchronizestimeofcomputernetworksusingNTP.Meanwhiletoprovidemorereliabilityintimesynchronizationservice,twotimeserverboardswerebuiltandaredundantschemewasdevisedandimplementedtousethemina1oo2redundantstructure.REFERENCES[1]Liskov,B.,”Practicalusesofsynchronizedclocksindistributedsystems,”inproc.OfDistributedComputing,Vol.6,pp.211-219,Apr.1991.[2]K.BehrendtandK.Fodero.“Theperfecttime:Anexaminationoftimesynchronizationtechniques”.Proceedingsofthe33rdAnnualWesternProtectiveRelayConference,Spokane,WA,October2006.[3]Postel,J.Timeprotocol.DARPANetworkWorkingGroupReportRFC-868,USCInformationSciencesInstitute,May1983.[4]Postel,J.Daytimeprotocol.DARPANetworkWorkingGroupReportRFC-867,USCInformationSciencesInstitute,May.1983.[5]Mills,D.L.NetworkTimeProtocol(Version4)-ProtocolandAlgorithmsSpecification.DARPANetworkWorkingGroupReportRFC-5905,UniversityofDelaware,June2010.[6]Mills,D.L.SimpleNetworkTimeProtocol(SNTP)Version4forIPv4,IPv6andOSI,RFC4430.UniversityofDelaware,Jan.2006.[7]IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems,IEEEStandard1588-2008,July.2008.[8]D.L.Mills,ComputerNetworkTimeSynchronization:theNetworkTimeProtocolonEarthandinSpace.SecondEdition,CRCPress,2011.[9]R.BillintonandR.N.Allan,ReliabilityEvaluationofEngineeringSystems.NewYork:Plenum,1992.[10]NMEA0183standardforinterfacingmarineelectronicsdevices,NationalMarineElectronicsAssociation,1983.[11],VirtualBox,Available:/,accessedonSept.16.[12]MicrosoftSupport,RegistryentriesfortheW32Timeservice,Available:/kb/223184,accessedonOct.6,2011.[13]Theworld’sforemostnetworkprotocolanalyzer,Wireshark-Godeep,Available:/,accessedonOct.6,2011.1.GPSobtainsthewide-spreadapplication,butitstillha