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1、中文题目：嵌入式NTP服务器设计外文题目：THE EMBEDDED NTP SERVER DESIGN毕业设计（论文）共 81 页（其中：外文文献及译文14页） 图纸共2张 完成日期 2014年6月 答辩日期 2014年6月摘要随着现代信息系统的发展，网络系统日益广泛的应用于各行各业，其中很多的关键应用是需要基于时间同步来进行的。传统的时钟校准方式为利用精准的时钟对设备的物理时钟进行时间同步，以及在局域网的内部通过相关的时间协议来进行时间的同步，由于受到诸多客观原因的限制，有时候不能很好的解决时钟同步问题。并且对于时间授时的方便简单性而言，嵌入式又是一种逐渐被人们所肯定的技术。随着人们对于时间
2、的同步要求越来越高，基于嵌入式的时间同步问题就变成了一个需要亟待解决的关键性问题。既有工程应用价值，也有一定的理论意义。本文利用GPS卫星授时，网络NTP协议授时，及嵌入式linux操作系统等技术，成功的解决了基于嵌入式的时间同步问题，并且设计的授时服务器的应用情况良好，实现了对于时间同步的功能。关键词：嵌入式；ARM；LINUX；NTP；网络授时IABSTRACTWith the development of modern information systems, network systems are increasingly widely used in all walks of lif
3、e, many of the key applications is the need to carry out time-based synchronization. Conventional clock calibration using precise way the physical clock time synchronization clock device, and through the internal LAN protocol for the relevant time synchronization time, due to many objective reasons
4、limits, sometimes can not solve the clock synchronization problems. For convenience and simplicity of the time in terms of timing, it is an embedded gradually been affirmed technology. As people become increasingly time synchronization requirements, based on the embedded time synchronization problem
5、 becomes a critical issue that needs to be solved. Both engineering applications, there are certain theoretical significance.In this paper, the use of GPS satellite timing, timing network NTP protocol and embedded LINUX operating system technology, the successful solution of synchronization based on
6、 the embedded time and the application time granting server designed well to achieve the accurate time synchronization features .Key words: Embedded;ARM; LINUX; NTP; Precise time of grant1目录1 绪论11.1 研究背景11.2国内外发展现状21.3 本论文的工作31.4 论文的组织结构42 NTP协议简析及GPS相关技术52.1 NTP协议简析52.1.1 NTP协议概述52.1.2 NTP协议工作原理72.
7、1.3 网络时间服务的层状结构82.1.4 NTP的工作模式92.2 GPS时间同步及应用102.2.1 GPS概述102.2.2 GPS授时原理112.3 嵌入式linux操作系统122.3.1 嵌入式linux操作系统的特点122.4本章小结133 嵌入式服务器的设计143.1 嵌入式系统开发设计143.1.1 需求分析阶段143.1.2 详细设计阶段153.1.3 实现阶段153.1.4 测试阶段163.2 服务器系统总体设计163.2.1 嵌入式硬件平台的选择173.2.2 嵌入式系统的选择183.3 本章小结184 NTP服务器硬件平台194.1 NTP服务器设计原理194.1.1
8、接收GPS数据194.2 系统模块的选取204.2.1 数据处理及控制部分204.2.2 GPS时钟源部分254.2.3 网络接口部分254.3 本章小结255 linux移植及GPS同步265.1系统开发平台的建立265.1.1 linux交叉编译环境的建立265.1.2 linux系统的移植275.2 linux系统时钟与GPS同步295.2.1 GPS模块及串口初始化295.2.2 linux系统时间调整295.3 本章小结296 NTP协议的移植与服务器端的实现316.1 NTP协议变量及工作过程分析316.1.1 NTP协议变量31 6.1.2 NTP协议过程356.2 NTP协议移
9、植及测试376.2.1 NTP协议的移植386.2.2 NTP协议授时服务程序流程386.2.3 NTP授时服务器测试416.3 本章小结437 总结44致谢45参考文献46附录A 译文48附录B 外文文献54附录C 系统相关程序62附录D 电路原理图801 绪论1.1 研究背景由于各计算机及处理机并没有一个标准统一的物理时钟，通过授时的方式对网络系统中的各设备时钟进行同步的要求由此而生。早期的研究中，Lamport指出可以通过将运行在不同工作站或处理机的相关事件进程统一化(即采用相同逻辑时钟的方式)来达到整个系统时间同步的效果1，但是这种方式在系统与系统对接、系统与子系统出现嵌套时却始终无法
10、达到理想的效果。一般的电子设备，包括计算机和网络设备都是通过时钟振荡器获得时间。但在设计时，对时间的准确度和时间稳定度方面并没有明确的指标要求，由于电磁干扰、振荡器老化和生产调试、温度变化等原因，时钟振荡频率和标准频率之间会产生一些误差。假设一台设备采用精确度为万分之一秒(即每秒偏差为10微秒，一般设备时钟精度远低于这一指标)的高精度时钟，运行一年后会与标准时间之间出现大于5分钟的偏差。这些偏差看似无关紧要，但是在生产生活中则关系重大，尤其是在通信、金融、交通、民航、航天及军事等领域内，若不妥善予以解决，哪怕是微小的时间偏差，也将会产生重大影响，甚至危及国家安全和人民群众的生命财产安全。因而各
11、行业对计算机网络和内部信息系统时间同步的应用越来越多，对于时间的要求也越来越高。传统的各类授时方式碍于设备自身硬件条件和软件系统所限，无法很好地适应各个行业的具体要求，尤其是在下列行业领域内：(1) 地理及地质监测矿产勘探：地理及地质监测站点分散，受地球自转极复杂地形地貌影响，网络传输情况复杂，网络校时难度大。(2) 电力系统中的监测和联合控制：在电力系统包括电力传输网络中，产生调整、设备调配、传输调控、故障处理、事故分析、善后处理等过程，都严重依赖于统一精准的始终。(3) 民航、公共交通联合控制：民航、公共交通越来越无法承载广大群众出行的要求。只能通过优化调度，才能够充分发挥现有公共交通的优
12、势，而优化调度必须以精确地时间系统为基础，将大量的即使交通数据进行汇总分析，进行统一调度。(4) 气象信息会综合分析：基于精准时间系统的气象云图信息有助于数据信息的快速处理，从而更加精确的预测天气。(5) 工业控制及精密期间仪器加工：统一的时间和精准的时钟频率可以为联合控制提供实时的精确控制，提供控制系统及产生设备的可靠性、准确性和精准度。(6) 广播电视行业的实时控制：以精准时间行为标准的工作站联合节目制作、多会场节目编播等网络，才能保证广电节目的制作与播出。如此众多的产业和行业都迫切要求有效而可靠的授时机制，能够确保在多种复杂环境条件下，满足对时间一致性的要求，达到减少时间系统的误差、提高
13、系统运行效率的目标。1.2国内外发展现状通常用来解决系统内时钟或网络同步的方式有两种：一是通过外接统一的精准时钟源（如原子钟、GPS时钟），再通过相应的程序指令调整时钟寄存器，将精准时间转化为本地市中，以使系统中各计算机或处理机的时钟同步于外接同意精准时钟源。达到时间同步的效果2。二是通过各类网络时间协议（如DCNET、SNTP和NTP等）向网络中的各计算机提供授时或时间同步服务3。但是目前一种依赖于市中院的统一精确性，对各计算机或处理机的自身时钟的物理调校性能的要求也非常严格，工程造价高昂，调校的精准性难以保证，只适合具有特殊需要的小型网络使用。后一种方法基于网络支持，开销甚小，单同步过程和
14、精度都取决于网络规模的大小及与时钟源的远近层次，如若解决好时钟源的问题，当可作为一种最为有效的精准授时方式，应用于系统的时间同步中。基于TCP/IP协议的网络时间协议NTP（Network Time Protocol）是用于互联网中时间同步的标准网络时间同步协议。它采用世界协调时UTC（Universal Time Coordinated）作为时间同步标准，在设计时充分考虑了互联网上时间同步的复杂性，使用层次式时间分布模型，提供严格、实用、有效的机制，能够灵活适应各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境。NTP不仅校正现行时间，而且可以持续跟踪事件的变化，能够自动进行调节，即使网络发生故障也能
15、维持时间的稳定。随着全球定位系统（Global Positioning System,简称GPS）的不断发展，GPS已经全面应用到日常生活当中，技术也相当的完善，完全可以为各行各业提供统一而精准的时间信息，满足在各种复杂环境条件下，各种网络设备对于不同时间精度授时服务的要求。近年来，以实际应用为中心的嵌入式系统及相关技术发展迅速，由于处理功能强大、自动化程度高、响应速度快、环境适应性好，尤其是适合应用于复杂环境下的多任务实时体系的特点，使其在信息及网络技术中的应用日益广泛，更是起到了举足轻重的作用。在授时同步技术领域中，通过嵌入式系统平台上外接GPS卫星模块（接收机），来读取精准的时间信息，由嵌入式系统经过相关处理，利用NTP协议提供授时和同步服务，为工作在复杂环境中，且对时间精度有很高要求的网络提供了一种能高效解决时间同步问题的途径4。1.3 本论文的工
