隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)互連已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。而網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步也越來越受到重視,，特別是局域網(wǎng)時(shí)間同步在國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域(如國(guó)防軍工,、電信網(wǎng)、金融業(yè),、交通運(yùn)輸,、電子商務(wù)和電力系統(tǒng)等部門)越發(fā)不可或缺。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,，嵌入式與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的結(jié)合,，無疑具有良好的發(fā)展前景。
1 方案設(shè)計(jì)
目前網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的實(shí)現(xiàn)方法有很多種,，本文采用自行設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)并在上面實(shí)現(xiàn)SNTP協(xié)議,。從而完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步。其系統(tǒng)框圖如圖l所示,。

本系統(tǒng)采用C／S模型,，分為網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步服務(wù)器和客戶端兩大部分，本文主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)器部分進(jìn)行研究,。
在網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步服務(wù)器中,，處理器STM32f103由內(nèi)部RTC模塊結(jié)合日歷算法來給出時(shí)間信息(年月日時(shí)分秒),，再?gòu)腉PS獲取時(shí)間信息，并修正自己的時(shí)間,，最后結(jié)合W5100芯片搭建出一個(gè)時(shí)間服務(wù)器,。當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，便可同步地統(tǒng)一客戶端的時(shí)間信息,，并達(dá)到ms級(jí)精度,。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)需實(shí)現(xiàn)SNTP應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)計(jì)中通過構(gòu)造SNTP協(xié)議包,，并根據(jù)同步算法可計(jì)算出包交換的往返延遲,。
本系統(tǒng)采用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器．Cortex-M3內(nèi)核是專門用于設(shè)計(jì)高性能、低功耗,、低成本,、實(shí)時(shí)性嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的處理器核，它在提升性能的同時(shí),，又提高了代碼密度的Thumb-2指令集,，同時(shí)也大幅度提高了中斷響應(yīng)的緊耦合嵌套向量中斷控制器的性能。所有新功能都同時(shí)具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平,。
TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)采用的固件芯片W5100是韓國(guó)WIZnet公司推出的固件網(wǎng)絡(luò)芯片,，它集TCP／IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY為一體,，可支持TCP,，UDP、ICMP,、IGMP,、IPv4、ARP,，PPPoE,、Ethemet等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；同時(shí)支持4個(gè)獨(dú)立的Socket通信,，內(nèi)部16 K字節(jié)的發(fā)送／接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，最大通信速率可達(dá)到25Mbps。此外,，W5100還內(nèi)嵌10BaseT／100BaseTX以太網(wǎng)物理層,，可支持自動(dòng)應(yīng)答(全雙工／半雙工模式)，并提供多種總線(兩種并行總線和SPI總線)接口方式,，可以方便地與各種MCU連接,。W5100器件的推出大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，可使微控制器在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，真正的實(shí)現(xiàn)單芯片接入Internet,。
2 SNTP協(xié)議分析
SNTP即簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議,，它是一個(gè)用于局域網(wǎng)子網(wǎng)末端的時(shí)間同步協(xié)議，其要求在操作過程中只允許存在一個(gè)可靠的同步時(shí)鐘源,，是NTP協(xié)議的一個(gè)簡(jiǎn)化版本,。
2．1 SNTP的同步原理
SNTP協(xié)議主要通過同步算法來交換時(shí)間服務(wù)器和客戶端的時(shí)間戳，從而估算出數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲,，進(jìn)而獨(dú)立地估算系統(tǒng)的時(shí)鐘偏差,。它的時(shí)間同步原理的傳輸模型如圖2所示。

圖2中,，T1為客戶方發(fā)送查詢請(qǐng)求時(shí)間(以客戶方時(shí)間系統(tǒng)為參照),，T2為服務(wù)器收到查詢請(qǐng)求時(shí)間(以服務(wù)器時(shí)間系統(tǒng)為參照)，T3為服務(wù)器回復(fù)時(shí)間信息包時(shí)間(以服務(wù)器時(shí)間系統(tǒng)為參照),，T4為客戶方收到時(shí)間信息包時(shí)間(以客戶方時(shí)間系統(tǒng)為參照)，D1為請(qǐng)求信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間,，D2為回復(fù)信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間,。假設(shè)請(qǐng)求和回復(fù)在網(wǎng)上的傳播時(shí)間相同，即：δ1=δ2,，則可得出如下公式：

式中,，θ為客戶端時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之差，δ為信息在網(wǎng)上傳播的時(shí)間,?？梢钥吹剑?theta;,、δ只與T2,、T1的差值和T4、T3的差值相關(guān),，而與T2,、T3的差值無關(guān)，即最終的結(jié)果與服務(wù)器處理請(qǐng)求所需的時(shí)間無關(guān),。據(jù)此,，客戶端(CLIENT)即可通過T1、T2,、T3,、T4十算出的時(shí)差0去調(diào)整本地時(shí)鐘。
2．2 SNTP協(xié)議格式
SNTP消息一般封裝在UDP報(bào)文中,，UDP的端口號(hào)是123,，UDP頭中的源端口和目的端口是一樣的。SNTP消息緊跟在IP和UDP報(bào)頭之后，其協(xié)議格式如圖3所示,。

圖3中,，U為跳躍指示器，可警告在當(dāng)月最后一天的最終時(shí)刻插入的迫近閨秒(閨秒),。VN表示版本號(hào),。Mode為模式，該字段包括以下值：
O(預(yù)留),；1(對(duì)稱行為),；3(客戶機(jī))；4(服務(wù)器),；5(廣播),；6(NTP控制信息)。Stratum用于對(duì)本地時(shí)鐘級(jí)別的整體識(shí)別,。Poll表示有符號(hào)整數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔,。Precision表示有符號(hào)整數(shù)，表示本地時(shí)鐘精確度,。Root Delay為有符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào),，表示主要參考源的總延遲，如很短時(shí)間內(nèi)的15到16間的分段點(diǎn),。Root Dispersion為無符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào)表示相對(duì)于主要參考源的正常差錯(cuò),，如很短時(shí)間內(nèi)的位15到16間的分段點(diǎn)。
Reference Identifier為識(shí)別特殊參考源,。Originate Timestamp是向服務(wù)器請(qǐng)求分離客戶機(jī)的時(shí)間,，采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服務(wù)器請(qǐng)求到達(dá)客戶機(jī)的時(shí)間,。也采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式,。Transmit Timestamp是向客戶機(jī)答復(fù)分離服務(wù)器的時(shí)間。采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式,。
3 硬件設(shè)計(jì)
圖4所示為W5100部分的電路圖,，圖中給出了W5100與STM32的連接方式及其外圍電路。

W5100和STM32可通過SPI方式通信,。通過對(duì)SEN管腳用10 kΩ電阻上拉到高電平可允許SPI模式,；由于W5100處于SPI從模式，因此,，其SPI工作時(shí)鐘由處于主模式的STM32提供,，MISO和MOSI為用于SPI通信的兩條數(shù)據(jù)線，SCLK為SPI時(shí)鐘引腳,；*****為片選引腳,，低電平有效，主要用于在并行總線連接時(shí)由MCU訪問W5100內(nèi)部寄存器或存儲(chǔ)器；INT為中斷輸出引腳,，低電平有效,，在W5100在SOCKET端口產(chǎn)生連接、斷開,、接收數(shù)據(jù),、數(shù)據(jù)發(fā)送完成以及通信超時(shí)等情況下，該引腳將輸出信號(hào)以指示MCU,。中斷將在寫入中斷寄存器IR或端口的中斷寄存器時(shí)被清除,，所有中斷都可以被屏蔽。W5100的第5,、6,、8和9腳是以太網(wǎng)物理層信號(hào)引腳，用于與RJ45接口相連接,，其中第5和第6引腳是RXIP／RXlN信號(hào)對(duì),，用于接收從介質(zhì)傳來的差分?jǐn)?shù)據(jù)，第8和第9引腳是TXOP／TXON信號(hào)對(duì),，用于將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給介質(zhì),；第66引腳是連接LED指示引腳，低電平表示10／100Mbps連接狀態(tài)正常,，連接正常時(shí)輸出低電平，而在TX／RX狀態(tài)時(shí)閃爍,；第72引腳是接收狀態(tài)LED指示引腳,，低電平表示當(dāng)前接收數(shù)據(jù)，第73引腳是發(fā)送狀態(tài)LED指示引腳,，低電平表示當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù),，這些LED指示引腳應(yīng)與RJ45的相應(yīng)LED指示燈引腳連接，以用于指示連接狀態(tài),。除電源引腳,、時(shí)鐘引腳外，W5100的其它引腳DO～D7,，AO～A14及WR～RD可選擇懸空,。
圖5所示是GPS模塊與STM32的連接示意圖。GPS接收模塊采用HOLUX生產(chǎn)的GPS模塊M87GPS,，模塊的串行口輸出和輸入分別接到STM32的輸入與輸出,，秒脈沖PPS信號(hào)連接到處理器的IO口，在秒脈沖(1PPS)同步的情況下,，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地通過串口把標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間傳送給處理器STM32,。

4 SNTP服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)
SNTP服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)主要可分為兩個(gè)部分：W5100的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和SNTP協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件流程圖如圖6所示。

首先,，利用ST公司提供的固件庫(kù)可初始化STM32的系統(tǒng)配置,，把SPI接口配置為兩線單向全雙工傳輸、主模式,，以8位數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行傳輸,；同時(shí)配置RTC模塊產(chǎn)生秒脈沖，再與日歷算法結(jié)合得到自身的系統(tǒng)時(shí)間,，然后通過GPS的秒脈沖PPS修正系統(tǒng)時(shí)間,。再通過配置W5100公共寄存器和端口寄存器來完成它的基本設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息以及端口存儲(chǔ)器信息的沒置,，使之為UDP服務(wù)器模式,。此后，W5100處于*狀態(tài),，一旦W5100的SOCKET端口有中斷事件,，W5100將觸發(fā)STM32的外部中斷，STM32若檢測(cè)到SoekRecvflag發(fā)生改變,，則立即開始SNTP協(xié)議的解析,。
接收SNTP協(xié)議包后，便可記錄收到報(bào)文的時(shí)間T2,，然后從報(bào)文中解析出時(shí)間戳T1,，再將T1、T2封裝成新的報(bào)文進(jìn)行發(fā)送,，同時(shí)發(fā)送時(shí)再記錄一個(gè)發(fā)送時(shí)間T3,。
5 結(jié)束語
本文基于STM32和W5100搭建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器硬件平臺(tái)，并在其上實(shí)現(xiàn)了SNTP同步時(shí)間報(bào)文,。經(jīng)測(cè)試,，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端PC機(jī)的時(shí)鐘同步,。通過該系統(tǒng)可有效解決工業(yè)控制等領(lǐng)域的時(shí)間不同步問題,。