摘 要: Windows操作系統內置的NTP授時精度不高，分辨率最高只有10 ms。給出一個基于Windows操作系統的計算機網絡同步時鐘實現方案，該方案可以有效提高計算機時鐘同步精度，在LAN中時鐘同步精度達250 μs。同時采用了校正時鐘頻率誤差算法，校正后的時鐘長期計時誤差能達到10天少于1 s。
關鍵詞: NTP 局域網； 時鐘頻率偏差； 高精度授時
一般的計算機和嵌入式設備在時鐘度方面沒有明確的指標要求, 時鐘精度只有10-4～10-5，每天可能誤差達十幾秒或更多，如果不及時校正，其累積時間誤差不可忽視。許多工業控制過程需要高準確度時間，如：電力系統內眾多的計算機監控系統、保護裝置、故障錄波器等時間同步要在ms級以內。
聯網計算機同步時鐘最簡便的方法是網絡授時。網絡授時分為廣域網授時和局域網授時。廣域網授時精度通常能達50 ms級，但有時超過500 ms，這是因為每次經過的路由器路徑可能不相同。現在還沒有更好的辦法將這種不同路徑延遲的時間誤差完全消除。局域網授時不存在路由器路徑延遲問題，因而授時精度理論上可以提到亞毫秒級。Windows內置NTP服務，在局域網內其最高授時精度也只能達10 ms級。因此，提高局域網NTP授時精度成為一個迫切需要解決的問題。
1 網絡時間協議簡介
網絡時間協議NTP（Network Time Protocol）的主要開發者是美國特拉華大學的MILLS David L.[1]教授設計實現的，由時間協議、ICMP時間戳消息及IP時間戳選項發展而來。NTP用于將計算機客戶或服務器的時間與另一服務器同步，使用層次式時間分布模型。在配置時，NTP可以利用冗余服務器和多條網絡路徑來獲得時間的高準確性和高可靠性。即使客戶機在長時間無法與某一時間服務器相聯系的情況下,仍可提供高準確度時間。
實際應用中，還有確保秒級精度的簡單的網絡時間協議SNTP(Simple Network Time Protocol)。SNTP是NTP的一個子集,主要用于那些不需要NTP的精度以較高實現復雜性的網絡時間同步客戶機。SNTP協議已減少了網絡延時對校對準確的影響，但沒有冗余服務器和校正時鐘頻率誤差功能。
除了認證符字段在SNTP中一般被忽略外，SNTP的報文格式與RFC-1305中所描述的NTP格式是一致的。NTP/SNTP服務端使用固定的UDP端口號是123。表1是NTP/SNTP報文格式的描述。
2 NTP授時原理
NTP最典型的授時方式是Client/Server方式。如圖1所示，客戶機首先向服務器發送一個NTP 包，其中包含了該包離開客戶機的時間戳T1，當服務器接收到該包時，依次填入包到達的時間戳T2、包離開的時間戳T3，然后立即把包返回給客戶機。客戶機在接收到響應包時，記錄包返回的時間戳T4。客戶機用上述4個時間參數就能夠計算出2個關鍵參數：NTP包的往返延遲d和客戶機與服務器之間的時鐘偏差t。客戶機使用時鐘偏差來調整本地時鐘，以使其時間與服務器時間一致[1]。圖1中：
T1為客戶發送NTP請求時間戳(以客戶時間為參照)；T2為服務器收到NTP請求時間戳(以服務器時間為參照)；T3為服務器回復NTP請求時間戳(以服務器時間為參照)；T4為客戶收到NTP回復包時間戳(以客戶時間為參照)；d1為NTP請求包傳送延時，d2為NTP回復包傳送延時；t為服務器和客戶端之間的時間偏差，d為NTP包的往返時間。
3 NTP授時精度分析
NTP授時精度與NTP服務器與用戶間的網絡狀況有關，主要取決于NTP包往返路由的延時對稱程度，往返路由的延時不對稱值最大不超過網絡延時。式(2)是在假設NTP請求和回復包在網上傳送延時相等，即d1=d2=d/2的情況下得出的，而d1、d2的取值范圍在(0...d)間，由式(3)可以得出最大授時誤差是±d/2。一般廣域網的網絡延時在10 ms～500 ms之間；局域網的網絡延時在計時操作系統內核處理延遲的情況下通常小于1 ms。
假定局域網內NTP延時小于1 ms，理論上授時誤差小于0.5 ms，但對于Windows操作系統內置的NTP客戶和NTP服務，并不能達到此精度。Windows NTP時鐘分辨率因操作系統和硬件不同而有所不同，時鐘分辨率通常為10 ms或15 ms。基于Windows操作系統內置的NTP授時精度最高不超過10 ms。
4 基于NTP減少計算機時鐘偏差
4.1 計算機時鐘偏差分析
通用PC機自帶兩類時鐘源：硬件時鐘和軟件時鐘(或稱為系統時鐘)。不論是硬件時鐘還是軟件時鐘，都是由石英晶體振蕩器驅動的，通過累計石英晶體振蕩器輸出脈沖數，換算出時間。所以計算機時鐘的準確度取決于晶振頻率準確度。受溫度變化、電壓、芯片老化等因素影響，晶振頻率會發生小幅度波動，其中溫度對晶振頻影響最大。
由于工藝和材料的原因，同一生產線上標稱頻率相同的石英晶體，其實際頻率是不同的，實際頻率與標稱頻率偏差率從10-4量級到10-9量級不等。以10-4量級為例，時鐘每天至少誤差8.64 s。
4.2 基于NTP減少計算機時鐘頻率偏差
時鐘頻率偏差是時鐘長期計時累積誤差的主要原因，要提高時鐘長期計時精度，必須補償時鐘頻率偏差。聯網的計算機可采用NTP方式,可非常方便地校準時鐘頻率偏差[2],其原理如圖2所示。以NTP服務器時鐘為標準時間，在某一時刻設置NTP客戶機時間為NTP服務器當前時間T0，經過一段時間后，NTP服務器時間為T0+tsn，NTP客戶端時間為T0+tcn。因為存在時鐘頻率偏差，tsn與tcn并不相等。NTP客戶端時間tcn需乘以時鐘頻率偏差系數k才等于tsn，即tsn=k×tcn，所以k=tsn/tcn。
任何晶振實際工作頻率都是不穩定的，只是程度不同而已。即使溫度補償的晶振，在常溫范圍內(攝氏10℃～35℃)也有大約5×10-7～2×10-6的誤差。晶振實際頻率是受外界多種因素(溫度、電壓、老化等)影響而改變的。因此，時鐘頻率偏差系數k并非恒定不變的。每隔一定時間，NTP客戶機要對時鐘頻率偏差系數k進行校正，才能保證計時精度。
5 采用高分辨率時鐘提高授時精度
局域網內100 B以太網幀在百兆網絡物理層單向延時理論值約8 μs，要精確測量NTP包網絡延時，提高授時精度，時間分辨率必須達到或高于μs級。Windows系統常用的多個與時間有關的API，其時間分辨率最高精度只能達到ms級。其中,time、gmtime、localtime的時間值精確到s級；函數GetTickCount返回值時間精確到10 ms或15 ms。
Windows計算機系統內部有一個高精度性能定時器。函數QueryPerformanceFrequency可得到這個定時器的頻率。函數QueryPerformanceCounter可得到定時器的當前值。利用2次獲得的計數之差及時鐘頻率，就可以計算出事件經歷的精確時間。缺點是：讀取速度相對慢，在PⅢ 866 MHz和P4 2.8 GHz計算機上執行的速度分別約為1.13 μs和1.12 μs，與CPU速度關系不大。在使用時要注意它的實用分辨率大約只有2 μs。
Intel Pentium及以上級別的CPU中，有一個稱為“時間戳(Time Stamp)”的部件，它以64 bit無符號整型數的格式，記錄了自CPU上電以來所經過的時鐘周期數,提供了1條機器指令RDTSC(Read Time Stamp Counter)來讀取這個時間戳。但實際執行約需200個時鐘周期，對于1 GHz處理器實用分辨率約0.2 μs。
采用高精度性能定時器或RDTSC均可為網絡延時測量提供μs級計時,但要根據系統的具體情況選擇一個最合適的。
有了μs級計時器,并不表示基于Windows系統的NTP授時精度實際達μs級。因為時間戳一般都在應用層加蓋，包含了計算機處理和協議封裝(解封)開銷等不可具體量化的時延，數值大多在幾百μs到幾十μs間，具有隨機性，無法準確預知，從而造成NTP精度無法進一步提高。百兆交換式局域網實際授時精度約±250 μs。
6 高精度局域網授時實現
在Windows計算機網絡中，采用高分辨率定時器可有效提高局域網NTP授時精度,減少時鐘與標準時間的偏差。校正時鐘頻率偏差系數，可減少長期計時累積誤差及提高時鐘準確度。
6.1 計算機網絡組成
為使測試結果反映實際應用的環境，測試是在正常運行信息業務的真實網絡環境下進行的。參加測試的計算機和網絡設備正常處理日常業務。計算機網絡由100多臺計算機和十幾臺48/24口、10 M/100 M自適應交換機級聯而成。計算機間以100 Mb/s網速通信。
作為NTP服務器的是一臺P4/2.8G/512 MB內存，操作系統為Windows XP臺式計算機。NTP客戶端的計算機是一些PⅢ/866/256 MB內存Windows XP計算機。Windows XP默認已打開UDP 123端口，為了不與Windows內置的NTP服務發生沖突，根據上述提高NTP授時高精度算法編寫的客戶端和服務器端測試程序,采用其他空閑的UDP端口，如UDP 1000端口。
6.2 實驗評估
測試時間持續10天，客戶機每分鐘向服務器發出1個NTP請求進行測試：
(1)根據NTP返回包計算出時鐘頻率偏差系數k和NTP包延時d。各NTP客戶機所得的測試結果類似，圖3是其中1臺NTP,客戶機每分鐘向服務器發出1個NTP請求包，計算出客戶機時鐘頻率偏差系數組成的曲線圖。時鐘頻率偏差系數是某一數值附近波動變化的，主要受溫度的影響。曲線第42個點的時鐘頻率偏差系數是0.999 951 5，數值變化速度開始緩慢。假設時鐘頻率偏差系數是0.999 951 5，在未校正系數前，每天誤差約4.19 s。除去前面41個變化速度較快的點，10天中時鐘頻率偏差系數從0.999 951 5緩慢波動變化到0.999 951 2。對應的時鐘頻率偏差系數誤差δ是3×10-7，折算后約38.5天誤差為1 s。所以校正時鐘頻率偏差系數后，時鐘長期計時誤差可輕易地達到10天少于1 s。
圖4所示為測試過程中每次NTP包在客戶機和服務器間往返的延時情況，在10天中99 %的NTP包延時小于500 μs；延時在1 ms～2 ms的NTP包24個,占0.17 %；延時在2 ms～10 ms的NTP包10個，占0.069 %；延時10 ms以上只有2個，占0.013 9 %。大延時NTP包在測試過程中上隨機出現的情況將僅占1 %，延時500 μs及以的NTP包濾除后，局域網NTP授時最大延時小于500 μs，授時偏差最大不超過±250 μs。
7 進一步提高NTP授時精度的方法
局域網絡延相對較大的原因在于時間戳一般都是在應用層加蓋。為減少操作系統內核處理延時的影響提高NTP授時精度，發/收NTP包時間戳應盡量接近主機真實發/收包時刻。在不改變硬件的條件下，一個可行的辦法是修改網卡驅動程序，將記錄NTP包發/收時間戳從應用程序移至網卡驅動程序處，可消除操作系統內核處理延時不確定而引入的誤差[3]。這種方法在局域網中可大幅提高NTP授時精度至μs級。
為了減少溫度引起晶振頻率漂移對時鐘準確度的影響，可以采用數字溫漂補償方法，提高時鐘長期計時準確度。先測出工作溫度范圍內溫度對應的溫漂補償系數，工作時每隔一定時間，根據實際溫度查出對應補償系數動態地修正時間。
時鐘頻率偏差和時鐘分辨率低是局域網NTP授時精度不高的主要原因。本文提出了基于通用Windows PC 軟硬件架構消除這兩種誤差的低成本且實施方便的高精度方法。隨著自動化的通信技術發展日新月異，以太網技術不斷滲透到工業控制現場總線應用領域，許多工業控制需要精確的時間，如變電站順序事件記錄SOE需達ms級，本文方法可為工業以太網的高精度同步時鐘應用作參考。
參考文獻
[1] MILLS D L． Network time protocol(Version 3) specification，Implementation and Analysis-RFC1305，1992.
[2] 黃沛芳．高準確度時鐘程序算法.電子技術應用, 2001,27(8).
[3] 黎文偉，張大方，謝高崗,等．基于通用PC架構的高精度網絡時延測量方法．軟件學報，2006,17(2):275-284.