工业物联网-时钟同步
2024-07-30 09:03:20 0 举报AI智能生成
工业物联网-时钟同步
作者其他创作
大纲/内容
1.时钟同步指的是什么？
使局域网中的所有计算机，时间一致（耗级无误差），俗称“对钟”。
2.为什么时钟不同？
1. 通用PC机自带两类时钟源：硬件时钟和软件时钟。
2. 不论是硬件时钟还是软件时钟，都是由内部石英晶体振荡器驱动的，通过累计石英晶体振荡器输出脉冲数，换算出时间。所以计算机时钟的准确度取决于晶振频率准确度。由于工艺和材料的原因，同一生产线上标称频率相同的石英晶体，其实际频率是不同的，实际频率与标称频率偏差率从10-4量级到10-9量级不等。以10-4量级为例，时钟每天至少误差8.64 s。
3. 受温度变化、电压、芯片老化等因素影响，晶振频率会发生小幅度波动，其中温度对晶振频影响最大。
2. 不论是硬件时钟还是软件时钟，都是由内部石英晶体振荡器驱动的，通过累计石英晶体振荡器输出脉冲数，换算出时间。所以计算机时钟的准确度取决于晶振频率准确度。由于工艺和材料的原因，同一生产线上标称频率相同的石英晶体，其实际频率是不同的，实际频率与标称频率偏差率从10-4量级到10-9量级不等。以10-4量级为例，时钟每天至少误差8.64 s。
3. 受温度变化、电压、芯片老化等因素影响，晶振频率会发生小幅度波动，其中温度对晶振频影响最大。
3.时钟不同步的业务影响
网络管理：从不同网络设备采集来的日志信息进行分析时，需要以时间作为参照依据。如果不同设备上的系统时间不一致，会因先后顺序等问题给故障定位带来障碍。
计费系统：计费业务对于时间尤其敏感，要求所有设备的时间保持一致，否则会引起计费不准确，导致用户质疑、投诉等。
系统时间：某些应用或服务需要准确的时间来标记用户登录、交易等操作信息，确保可追溯记录。。。
协同处理：多个系统协同处理同一个复杂事件，为保证正确的执行顺序，多个系统必须参考同一时钟，否则事件执行混乱，导致风险存在。比如定时开关闸，软件系统时间与机器时间不同步，而提前停机，导致不可预知的安全风险。
4.时钟同步方式
一般场景
一般场景是指时钟同步不影响核心业务事件流转。
产品运营
产品要求高一致的时间事务同步机制，否则会带来损失的场景。
精准场景
精准场景，比如火箭发射、精准控制等场景。
6.在windows系统如何实现NTP时钟同步？
WINDOW 上使用 Ntpd服务实现
- 打开时钟和区域设置：
- 打开Internet时间标签点击更改设置按钮
- 配置时钟源，点击立即更新按钮即可完成任务
缺点
操作繁琐，若干台机器就有若干次操作；
对于安全意识较高的客户，该操作执行受阻；
7.在linux系统如何实现NTP时钟同步？
实现方案步骤
1.- 需要安装ntpd服务
yum -y install ntp
开启ntp服务：systemctl start ntpd
设置ntp服务开机自启：systemctl enable ntpd
yum -y install ntp
开启ntp服务：systemctl start ntpd
设置ntp服务开机自启：systemctl enable ntpd
2.- 修改配置文件
授权 192.168.xxx.0-192.168.10.255 网段上的所有机器可以从这台机器上查询和同步时间：restrict 192.168.xxx.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap
/etc/ntp.conf配置文件增加：server 127.127.1.0
/etc/ntp.conf配置文件增加：fudge 127.127.1.0 stratum 10
开启同步配置：SYNC_HWCLOCK=yes
授权 192.168.xxx.0-192.168.10.255 网段上的所有机器可以从这台机器上查询和同步时间：restrict 192.168.xxx.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap
/etc/ntp.conf配置文件增加：server 127.127.1.0
/etc/ntp.conf配置文件增加：fudge 127.127.1.0 stratum 10
开启同步配置：SYNC_HWCLOCK=yes
3-重启及设置ntpd服务
重启ntp服务：systemctl restart ntpd
关闭所有节点上NTP服务：systemctl stop ntpd
关闭NTP服务自启动：systemctl disable ntpd
重启ntp服务：systemctl restart ntpd
关闭所有节点上NTP服务：systemctl stop ntpd
关闭NTP服务自启动：systemctl disable ntpd
4-- crontable定时触发调用ntpd服务
每10s触发定时：*/10 * * * * /usr/sbin/ntpdate master（主节点服务）
每10s触发定时：*/10 * * * * /usr/sbin/ntpdate master（主节点服务）
缺点
缺点：操作繁琐，虽然可以Shell脚本自动化；但是Linux的版本不同，命令也不相同（例如：Centos直接使用yum安装，而Ubuntu则使用apt-get，要想使用yum还得安装插件支持），后续仍需修改；
5.什么是NTP?
NTP就是用来使网络中的各个主机时钟同步的一种协议，他把主机的时钟同步到协调世界时UTC，其精度在LAN网络内可达1毫秒内，在WAN网络上可以达到几十毫秒内。NTP允许客户端从服务器请求和接收时间，而服务器又从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC。
NTP发展
NTP以层级来组织模型结构，层级中的每层被称为Stratum。通常将从权威时钟获得时钟同步的NTP服务器的层数设置为Stratum 1，并将其作为主时间服务器，为网络中其他的设备提供时钟同步。而Stratum 2则从Stratum 1获取时间，Stratum 3从Stratum 2获取时间，以此类推。时钟层数的取值范围为1～16，取值越小，时钟准确度越高。层数为1～15的时钟处于同步状态；层数为16的时钟被认为是未同步的，不能使用的。
NTP授时方式
NTP最典型的授时方式是Client/Server方式
NTP同步原理
1.客户端首先向服务端发送一个NTP请求报文，其中包含了该报文离开客户端的时间戳t1;
2.NTP请求报文到达NTP服务器，此时NTP服务器的时刻为t2。当服务端接收到该报文时，NTP服务器处理之后，于t3时刻发出NTP应答报文。该应答报文中携带报文离开NTP客户端时的时间戳t1、到达NTP服务器时的时间戳t2、离开NTP服务器时的时间戳t3；
3.客户端在接收到响应报文时，记录报文返回的时间戳t4。
2.NTP请求报文到达NTP服务器，此时NTP服务器的时刻为t2。当服务端接收到该报文时，NTP服务器处理之后，于t3时刻发出NTP应答报文。该应答报文中携带报文离开NTP客户端时的时间戳t1、到达NTP服务器时的时间戳t2、离开NTP服务器时的时间戳t3；
3.客户端在接收到响应报文时，记录报文返回的时间戳t4。
客户端用上述4个时间戳参数就能够计算出2个关键参数：
1：NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。
2：客户端与服务端之间的时间差offset。
根据方程组：
可以解得时间差为：
NTP客户端根据计算得到的offset来调整自己的时钟，实现与NTP服务器的时钟同步。
1：NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。
2：客户端与服务端之间的时间差offset。
根据方程组：
可以解得时间差为：
NTP客户端根据计算得到的offset来调整自己的时钟，实现与NTP服务器的时钟同步。
延迟计算
偏移量计算
6.JAVA NTP时钟同步服务
技术架构
客户端：NTP-CLIENT
- 作为需要时钟同步的服务器与服务端保持通信，获取NTP时间后，同步更新到操作系统；
- 交互得到服务端传输的数据包，解析拿到NTP时间；
- 代码实现操作系统命令，随即更新系统时间，采用系统默认时区：时区=Asia/Shanghai；
- 交互得到服务端传输的数据包，解析拿到NTP时间；
- 代码实现操作系统命令，随即更新系统时间，采用系统默认时区：时区=Asia/Shanghai；
服务端：NTP-SERVER
1.作为获取NTP时间的主要服务，与一台或多台客户端保持通信，将最新的NTP时间同步给客户端；
2.服务端实时通过NTP协议获取时钟：
- 方式一：采用org.apache.commons.net.ntp开源类库中的TimeInfo下的NtpV3Packet实现；
- 实现逻辑：封装三层时间戳数据包（t1，t2，t3），拿到最新的回复时间
- 方式二：采用org.apache.commons.net.ntp开源类库中的NTPUDPClient实现；
- 实现逻辑：向目标网络地址发送时间包来获取网络时间，由协议来规范
3.与客户端保持通信采用UDP协议：
- 优点：UDP协议性能好，传输速度快；
- 缺点：UDP属于单工协议，在数据可靠性传输方面得不到保证；
4.与客户端保持通信采用TCP协议：
- 优点：TCP协议属于全双工协议，完成三次握手建立连接后方可通信，在数据可靠性传输方面得到保证；
- 缺点：传输性能略低于UDP协议
2.服务端实时通过NTP协议获取时钟：
- 方式一：采用org.apache.commons.net.ntp开源类库中的TimeInfo下的NtpV3Packet实现；
- 实现逻辑：封装三层时间戳数据包（t1，t2，t3），拿到最新的回复时间
- 方式二：采用org.apache.commons.net.ntp开源类库中的NTPUDPClient实现；
- 实现逻辑：向目标网络地址发送时间包来获取网络时间，由协议来规范
3.与客户端保持通信采用UDP协议：
- 优点：UDP协议性能好，传输速度快；
- 缺点：UDP属于单工协议，在数据可靠性传输方面得不到保证；
4.与客户端保持通信采用TCP协议：
- 优点：TCP协议属于全双工协议，完成三次握手建立连接后方可通信，在数据可靠性传输方面得到保证；
- 缺点：传输性能略低于UDP协议
交互流程
- 服务端启动，建立accept事件等待客户端连接；
- 客户端启动，基于TCP协议，使用Netty框架双方建立长连接通信，随即向服务端发送时间同步的会话；
- 服务端收到会话，请求org.apache.commons.net.ntp开源类库中的TimeInfo下的NtpV3Packet资源，通过NTP协议得到时间及时钟拨动频率；
- 服务端将NTP协议返回的结果封装成数据包，通过长连接会话给客户端；
- 客户端收到数据包，解析得到时间，通过操作系统命令的方式完成时间更新，及整个过程时钟同步；
- 客户端定时任务每隔10s，主动与服务端发起会话，服务端以同样的方式同步时钟给客户端，达到缩小时钟偏移量；
- 长连接通信期间，若客户端动态伸缩，服务端能即时感知；相反，服务端状态异常，客户端每隔5s断线重连，直到服务端状态正常；
- 客户端启动，基于TCP协议，使用Netty框架双方建立长连接通信，随即向服务端发送时间同步的会话；
- 服务端收到会话，请求org.apache.commons.net.ntp开源类库中的TimeInfo下的NtpV3Packet资源，通过NTP协议得到时间及时钟拨动频率；
- 服务端将NTP协议返回的结果封装成数据包，通过长连接会话给客户端；
- 客户端收到数据包，解析得到时间，通过操作系统命令的方式完成时间更新，及整个过程时钟同步；
- 客户端定时任务每隔10s，主动与服务端发起会话，服务端以同样的方式同步时钟给客户端，达到缩小时钟偏移量；
- 长连接通信期间，若客户端动态伸缩，服务端能即时感知；相反，服务端状态异常，客户端每隔5s断线重连，直到服务端状态正常；
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