基于STM32控制器的SNTP授时服务器的研究与设计

O 引言
随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络互连已经渗透到国民经济的各行各业。而网络时间同步也越来越受到重视，特别是局域网时间同步在国家安全和国民经济的诸多领域(如国防军工、电信网、金融业、交通运输、电子商务和电力系统等部门)越发不可或缺。随着嵌入式技术的发展，嵌入式与网络时间同步技术的结合，无疑具有良好的发展前景。

1 方案设计
目前网络授时的实现方法有很多种，本文采用自行设计的嵌入式系统并在上面实现SNTP协议。从而完成网络时间的同步。其系统框图如图l所示。

本系统采用C／S模型，分为网络授时同步服务器和客户端两大部分，本文主要对网络授时服务器部分进行研究。
在网络授时同步服务器中，处理器STM32f103由内部RTC模块结合日历算法来给出时间信息(年月日时分秒)，再从GPS获取时间信息，并修正自己的时间，最后结合

W5100芯片搭建出一个时间服务器。当客户端向服务器发出请求时，便可同步地统一客户端的时间信息，并达到ms级精度。网络传输时需实现SNTP应用层协议，设计中通过构造SNTP协议包，并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
本系统采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器．Cortex-M3内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用
系统的处理器核，它在提升性能的同时，又提高了代码密度的Thumb-2指令集，同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能。所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。
TCP／IP协议栈的实现采用的固件芯片W5100是韩国WIZnet公司推出的固件网络芯片，它集TCP／IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体，可支
持TCP，UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP，PPPoE、Ethemet等网络协议；同时支持4个独立的Socket通信，内部16 K字节的发送／接收缓冲区可
快速进行数据交换，最大通信速率可达到25Mbps。此外，W5100还内嵌10BaseT／100BaseTX以太网物理层，可支持自动应答(全双工／半双工
模式)，并提供多种总线(两种并行总线和SPI总线)接口方式，可以方便地与各种MCU连接。W5100器件的推出大大简化了硬件电路设计，可使微控制器在没有操作系统支持的情况下，真正的实现单芯片接入Internet。

2 SNTP协议分析
SNTP即简单网络时间协议，它是一个用于局域网子网末端的时间同步协议，其要求在操作过程中只允许存在一个可靠的同步时钟源，是
NTP协议的一个简化版本。
2．1 SNTP的同步原理
SNTP协议主要通过同步算法来交换时间服务器和客户端的时间戳，从而估算出数据包在网络上的往返延迟，进而独立地估算系统的时钟偏差。它的时间同步原理的传输模型如图2所示。

图2中，T1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照)，T2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照)，T3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照)，T4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照)，D1为请求信息在网上传播所消耗的时间，D2为回复信息在网上传播所消耗的时间。假设请求和回复在网上的传播时间相同，即：δ1=δ2，则可得出如下公式：

式中，θ为客户端时间与标准时间之差，δ为信息在网上传播的时间。可以看到，θ、δ只与T2、T1的差值和T4、T3的差值相关，而与T2、T3的差值无关，即最终的结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此，客户端(CLIENT)即可通过T1、T2、T3、T4十算出的时差0去调整本地时钟。
2．2 SNTP协议格式
SNTP消息一般封装在UDP报文中，UDP的端口号是123，UDP头中的源端口和目的端口是一样的。SNTP消息紧跟在IP和UDP报头之后，其协
议格式如图3所示。

图3中，U为跳跃指示器，可警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒(闺秒)。VN表示版本号。Mode为模式，该字段包括以下值：
O(预留)；1(对称行为)；3(客户机)；4(服务器)；5(广播)；6(NTP控制信息)。Stratum用于对本地时钟级别的整体识别。Poll表示有符号整
数表示连续信息间的最大间隔。Precision表示有符号整数，表示本地时钟精确度。Root Delay为有符号固定点序号，表示主要参考源的总延迟，如很短时间内的15到16间的分段点。Root Dispersion为无符号固定点序号表示相对于主要参考源的正常差错，如很短时间内的位15到16间的分段点。

Reference Identifier为识别特殊参考源。Originate Timestamp是向服务器请求分离客户机的时间，采用64位时标(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服务器请求到达客户机的时间。也采用64位时标(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客户机答复分离服务器