通信工程外文翻译文献

中英文对照外文翻译文献(文档含英文原文和中文翻译)计算机网络冗余GPS时间同步电路板的设计与实现摘要：如今，在计算机网络系统中准确和可靠的时间是一个基本要求。为实现这一必要性，时间同步想法产生了。同时在某些情况下，可靠的时间是如此的重要，以致于一个冗余的结构得以应用。在本文中，时间同步系统的主要研究是设计和实施一个时间同步电路，该电路能够通过NTP协议与计算机网络同步时间。在本设计中还嵌入了冗余方案以便提供更高的可靠性。关键字：计算机网络GPS时间NTP冗余时间同步时间同步协议时间服务器1.引言我们通常会把电脑的时间和手表的误差设置在一两分钟内，但另一方面，准确和可靠的时间对于财务和法律事务、运输、分销系统，和许多其他涉及资源分布广泛的应用程序是必要的。举一个例子说明，在一个分布式的机票预订系统，如果分布式计算机时间不同，座椅可以卖出两倍价格甚至更多，或者在网上股票交易完成之前会产生法律后果。在这方面，世界协调时和时钟同步已开发出来。基础的时间尺度已随着历史得到改进，以地球自转为基础的地球时和原子时也产生了。一些重要的时间尺度还包括国际原子时（TAI）、通用协调时间尺度（UTC）、和标准时间或民用时间。时钟同步协议的想法是，即使最初设置准确，但电脑的内部时钟也可能与世界时钟不同。之后，由于时钟漂移，会有相当大的误差，所以总是有必要将这些漂移的时钟同步到参考时钟源。时间同步源包括地球上的无线电同步技术（WWV,WWVH,WWVB,DCF77andLORAN-C）、卫星时间同步技术（GOES,GPS,GLONASS,andGalileo）、互联网时间同步技术以及电话拨号时间同步技术。在这些时钟源中，全球定位系统（GPS）提供了一些特殊的优点，如时间精度、抗噪声干扰、在世界各地都可用、并不断引用国际标准。如今，相比其他时钟资源，全球定位系统时钟的使用更为广泛。图1显示了一个典型的时间同步结构，其中时间服务器从GPS接收的数据作为时间同步源。接下来，时间服务器为需要时间的设备发送满足同步协议的准确时间消息。这些设备通过收到的消息同步它们的内部时钟。当今各种各样的同步协议为时间同步提供了不同的手段，但他们都遵循两种常用的一般模式。无论是客户端向服务器发出请求，并且服务器以当前时间响应客户端，或者是服务器向组内或所有的客户发送消息。一些重要的标准计算机网络时间同步协议如下：时间协议：时间协议规定在RFC868，返回一个32位并行的二进制数表示时间，参考自1900年1月1日协调世界时秒。服务器监听端口37上的时间请求，并响应TCP/IP和UDP/IP格式的请求。白天协议：白天协议规定在RFC867，发送时间使用ASCII字符。服务器监听端口13，并且响应TCP/IP和UDP/IP格式的请求。网络时间协议（NTP）：协议规定在RFC-5905，对于通过网络同步电脑始终来说，是最古老的（并且仍在使用）和最先进的时间同步协议。这个NTP服务器监听123端口，并通过发送一个满足NTP协议格式的UDP数据包来响应请求。简单网络时间协议（SNTP）：SNTP是NTP协议的一个不太复杂的实现版本。当完整的NTP最终表现不需要的时候可以使用SNTP。精密时间协议（PTP）：PTP正式出现在IEEE1588-2008，是一个旨在提高相对于传统的基于以太网协议比如NTP的时间精确度，但是在实际应用当中更昂贵。对于开源，对于典型的应用来说NTP具有足够的精度，并且有能力工作在大型网络中，NTP是公共互联网中使用最广泛的，并且已经为许多私人网络服务了超过三十年。可靠性要求对于时间同步来说可能太严格了，以致于一个单一的时间服务器都可能不可信。因此，在一个冗余结构中需要使用多个时间服务器。在本文中，我们将探讨时间同步系统的设计与实现，通过从一个低成本的GPS接收器获取时间的数据，然后使用NTP协议同步计算机网络。在本设计中，以使用两个时间同步板以提供更高的可靠性的方式嵌入了冗余管理。这份文件的组织如下：第二部分给出了关于NTP协议的一个简短解释，并且使用它同步时间。第三部分给出关于冗余的更多解释。第四部分给出了建立一个网络时间同步器的结构，包括硬件设计和软件算法。第五部分给出最后的测试和结果。2.什么是NTP？NTP主要包含三个部分：NTP软件程序，在UNIX系统中称为守护进程，在WINDOWS系统中成为服务；用于在服务器和客户机之间交换时间值的协议；和一套处理时间值提前或延缓系统时钟的算法。因为NTP软件往往是和操作系统捆绑在一起的（如大多数的WINDOWS和UNIX系统），是计算机网络时间同步中最常用的协议。例如，我们不打算涵盖所有三部分，但我们打算描述设计一个网络时间服务器中所涉及的协议。更详细的细节可在正式规范中浏览。NTP协议是基于互联网协议（IP）和用户数据报协议（UDP）建立的，在IEEE802.3以太网帧中。该NTP协议报头，在可选的扩展域和一个可选的消息认证码（MAC）后有12个字。NTP工作模式，包括C/S模式和广播模式。在客户机/服务器模式中，客户端向服务器发出请求，服务器以当前时间响应请求。然而在广播模式，时间服务器周期性地向客户端发送NTP数据包，客户端使用接收到的数据包调整自己的时间。在NTP数据包中最重要的领域是时间戳字段。一个NTP的时间戳是一个64位无符号定点数的整数部分，在前32位显示以1900年1月为参考的时间和小数部分在最后32位。这种表示的精度是约2-32秒（233皮秒）。时间同步的精度取决于网络环境。今天，在互联网的大多数地方，提供准确的时间为10-100毫秒，而如果在一个良好的条件，没有太多的路由器的局域网上，正常同步在几毫秒。3.什么是冗余？冗余是一种通常用于提高系统可靠性的技术。它有多种形式和类型。冗余最一般的形式冗余是Mout-of-N（MooN）冗余，其中MooN至少必须是有效的系统函数。这方面的例子如图2所示。M-out-of-N冗余广泛应用于不同的领域，例如，在安全系统、编程等。同时，尊重切换时间，冗余可分为并行和备用冗余。在并行模式下，冗余的部分是连续运行，在待机模式下，当一个正常运行的操作组件失败时，他们才切换至一个操作模式。两者之间的本质区别如图3所示。只要时间同步系统需要更多的可靠性，冗余技术就可以用。图4显示了一个在时间同步系统中的1oo3冗余结构。根据这个数据，三个时间服务器正在从是时间同步源（GPS）那里获取时间，然后作为时间服务器，反馈给和一个共同网络连接的群体的客户端以准确和可靠的时间。值得一提的是，不同的冗余度也可以增加时间同步的可靠性。这是通过让时间从一种以上的时间参考实现的。例如一个时间服务器从GPS获取时间，而另一个时间服务器从DCF77广播时间源获取时间。4.时间同步电路设计A.硬件设计在这里，我们提出一个方案，一个时间服务器从GPS获取时间数据，并且通过NTP协议为客户端提供准确的时间。图5给出了时间服务器主板的内部结构。它主要由五个部分组成：低成本的GPS接收器、单片机、以太网接口、用户接口和电源。在提出了时间服务器中，单片机中起着重要的作用。它应该被适当地编程来和其他部分交流，让他们作为一个时间服务器一起工作。GPS接收器通过串行接口连接到单片机。它为单片机提供NMEA协议格式的时间数据和与UTC同步的1PPS信号（秒脉冲）。以太网控制器接口计算机网络建立一个连接并通过它传输以及接收数据。用户接口包括一个液晶显示器和触摸屏。它从用户得到所需的配置数据从而显示时间同步的结果。B.软件设计关于时间服务器中单片机的算法设计包括三个子算法，如图7所示：主回路、GPS1PPS中断服务程序（ISR），和GPS串行接口（ISR）。主回路首先初始化以太网控制器、GPS接收器、和用户接口，然后进入一个死循环，等待GPS时间脉冲和串行接口的中断。这1PPSISR被设置为上升沿触发。本ISR具有最高优先级，并且能够让单片机在数万纳秒精度的情况下获得世界协调时。在这个程序中计数器设置为每10秒发送一次NTP数据包。NTP的工作模式是广播模式，让所有连接到网络的客户端可以接收数据包。GPS的串行接口ISR每次运行都会接收来自GPS接收机的一个串行数据。如果收到的数据是一个时间数据，就会进行解码并且存储在“Time”变量中。同时NTP数据包会在下一个1PPS被发送出去，其时间戳提前1秒。冗余也嵌入算法当中。如图6所示，为此板“优先级”和“优先权”的参数。主机发送时间信息到以太网。此外，主机发送一个“活消息”给另一个板的地址。监测器接收“活消息”，如果超过3秒还没有收到，从站承担主机的责任向以太网发送时间消息和“活消息”。5.结果A.硬件实现在测试中实现网络时间显示，选择NEO-5QGPS接收器，atmeaga128单片机，ENC28j60以太网控制器，45以太网插座，128*64液晶显示器和触摸屏，和一个电源（周围建立的电压调节器）。图8显示了根据结构图5建立的一个原型板。B.软件实现为实现时间服务器的软件使用了“CodeVisionAVR”。根据上述算法编写了C++程序，本程序编译并下载到单片机中。图9显示了设计的由菜单显示的同步结果和由用户配置的数据。C.同步结果为了测试系统板，通过一个HUB与安装了“SunVirtualBox”虚拟机软件的计算机相连接。其中一个是作为主机，另一个作为从机。下一步，建立两个虚拟机，并且都装有WindowsXP，所有三个互联。通过操纵注册表键的综合时间同步服务（W32服务）让他们NTP时间同步。所有计算机都成功同步到了时间服务器。图10显示Wireshark软件的截屏（免费的网络协议分析仪），捕捉NTP数据包在这些电脑之间的传送，服务器的客户端请求和服务器答复溯源。测试冗余功能，主机与网络断开，从机在3秒内成功地承担了主机的责任。因为客户端每10秒接收NTP数据包，他们不觉得时间服务器更改了。6.结论如今，准确的时间对于以计算机为基础的系统来说必不可少，在这方面，通常用一个时间同步系统从一个时间参考来获取的时间，同时通过时间同步协议为需要时间的系统提供精确的时间。考虑到GPS作为一个参考时间源的巨大优势，也因为其具有高度的准确性和对NTP协议广泛的适用性，它常用在时间同步系统中。在本文中探讨了一个典型的时间同步系统的设计和实现方法，时间服务器从一个低成本的GPS接收器上获取时间数据然后使用NTP协议给计算机网络同步时间。同时提供更可靠的时间同步服务，建造了两个时间服务器主板，设计了一个冗余方案，并且在一个1oo2冗余结构中实现了方案。参考文献[1]Liskov,B.，”时钟同步在分布式系统中的实际应用”。分布式计算，6卷，pp.211-219，1991年4月。[2]K.Behrendt和K.Fodero。”完美的时间：时间同步技术测试”。第三十三届年度西部保护会议，斯波坎，华盛顿，2006年10月。[3]Postel，J.时间协议。美国网络工作组的报告RFC-868，南加州大学信息科学研究所，1983。[4]Postel，J.白天协议。美国网络工作组的报告RFC-867，南加州大学信息科学研究所，1983年5月。[5]Mills,D.L网络时间协议（4版）-协议和算法规范。美国网络工作组的报告RFC-5905，德拉瓦大学，2010年6月。[6]Mills,D.L简单网络时间协议（种）4版本为IPv6和IPv4，开放系统互连，RFC4430。德拉瓦大学，2006年1月。[7]关于网络测量和控制系统的标准时钟同步协议的国际标准，标准1588-2008，2008年7月。[8]D.L.Mills，计算机网络时间协议：在地球和空间运用的NTP。第二版，出版社，2011。[9]R.billinton和R.N.Allan，工程系统可靠性评估。纽约：全会，1992。[10]美国0183标准接口海洋电子设备，是美国国家海洋电子协会，1983。[11]，操作，可用：/，9月16日访问。[12]微软支持的注册表项，W32服务，提供：/kb/223184，2011年10月6日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ofatimesynchronizationboardwhichgetstimedatafromalow-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