CN105099649B - 一种网络时间同步嵌入的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络时间同步嵌入的方法和系统，包括步骤S1，客户端生成NTP时间戳查询信息包，并发送给最优时间服务器；所述最优时间服务器为客户端根据最优时间服务器算法选择的时间服务器；步骤S2，客户端接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；步骤S3，重复步骤S1‑步骤S2，当重复次数为N时，执行步骤S4，其中5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；步骤S4，客户端采用信息包过滤算法计算时差数据均值；步骤S5，客户端根据所述时差数据均值校准客户端时间；步骤S6，客户端显示校准后的所述客户端时间。本发明校时精度高，系统小型化，方案易于实现，硬件成本较低。

Description

一种网络时间同步嵌入的方法和系统

技术领域

本发明涉及互联网领域，尤其涉及一种网络时间同步嵌入的方法和系统。

背景技术

在现代生活中，有许多简单的时间显示设备，如家里的挂钟、床头的闹钟、公共场所的电子时间显示屏、停车场的时间显示设备等，这些设备通常都不具备理想的校时功能。目前，在简单或小型的时间显示设备中，通常采用两种技术来提供标准时间：电缆传输时间编码和长波授时技术。另外，利用全球导航卫星定位系统(如GPS、GLONASS、北斗等)也可以获得标准时间，但其接收设备较贵，不适于简单或小型的时间显示设备中使用。

电缆传输时间编码技术原理比较简单，主要由时间编码发出设备、时间解码显示设备和传输线缆组成，时间编码发出设备以某一编码方式发出本地时刻值，时间解码显示设备接收到经线缆传输来的时间编码信号，以同一编码原理进行解码并将时刻值显示出来。其中，时间编码发出设备可以是PC机或专门开发的时间编码器；而长波授时技术是一种相对专业的授时手段，即通过接收长波授时台发播的时间信号获得标准时间，采用此种技术的时间显示设备需要安装专用的长波接收器和解码器。

电缆传输时间编码技术主要应用于诸多公共场所的时间显示设备中，如医院、车站、政府办公场所等，其优势是实现简单，但缺点也较明显。首先，时间编码发出设备的标准时间是否标准是主要问题，它还需要经过进一步溯源得到标准时间；其次，当时间编码发出设备与时间解码显示设备之间的距离较远，且多台时间解码显示设备分布较分散时，最终显示的时间精度会受到线缆排布与环境条件变化的影响；再次，长距离或楼宇间的线缆架设会提高整体成本，降低授时精度，甚至增加施工难度。

长波授时技术作为一种高精度的时间频率同步技术，我国于上个世纪七十年代就已开始研究和建设。目前，我国的长波授时信号主要是由国家授时中心建立的长波授时台发播，校时精度可以达到微秒量级，在民用方面的产品主要是电波钟表。此种授时技术的优势是校时精度高，且可以实现无线传输。但是，基于长波授时技术的时间显示终端设备需要安装接收器和解码器，且接收器的灵敏度直接影响到设备接收信号的效果。因此，长波授时终端设备的造价较高，并且长波信号能否被正常接收受地理环境的影响较大，在受到较多建筑物阻挡的室内，或有一定电磁屏蔽效应的室内，或在电磁干扰较复杂的环境下，都将无法正常接收到长波信号。其较低的性价比和室内接收信号条件的苛刻要求，在一定程度上降低了人们使用标准时间的便捷性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种校时精准的网络时间同步嵌入的方法和系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种网络时间同步嵌入的方法，包括以下步骤：

步骤S1，客户端生成NTP时间戳查询信息包，并发送给最优时间服务器；所述最优时间服务器为客户端根据最优时间服务器算法选择的时间服务器；

步骤S2，客户端接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

步骤S3，重复步骤S1-步骤S2，当重复次数为N时，执行步骤S4，其中5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；

步骤S4，客户端采用信息包过滤算法计算时差数据均值；

步骤S5，客户端根据所述时差数据均值校准客户端时间；

步骤S6，客户端显示校准后的所述客户端时间。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤S1中，所述最优时间服务器算法包括以下步骤：

步骤S101，选择K个时间服务器，针对其中一个时间服务器，客户端生成NTP时间戳查询信息包并发送给时间服务器，其中K＞1；

步骤S102，客户端接收时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

步骤S103，重复步骤101-步骤102，当重复次数为M时，执行步骤S104，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；

步骤S104，计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

假设M次重复中，第j次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

步骤S105，利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；

步骤S106，对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；

步骤S107，重复步骤S101-步骤S106,直到计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；

步骤S108，选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

进一步，步骤S4中，所述信息包过滤算法包括以下步骤：

步骤S401，计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

假设N次重复中，第i次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；在所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同的情况下，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

步骤S402，利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差；

步骤S403，利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差；

步骤S404，计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i计算算数平均值，

其中，表示时差数据均值，0＜m≤N，i＝1,2,……,m。

进一步，所述NTP时间戳查询信息包符合NTP协议要求的数据格式。

进一步，当最优时间服务器失效时，客户端将选择按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表中次于最优时间服务器的时间服务器进行校时。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种网络时间同步嵌入的系统，包括客户端和最优时间服务器，所述客户端包括最优时间服务器选择模块、NTP时间戳查询信息包生成模块、NTP时间戳应答信息包接收模块、重复判断模块、信息包过滤算法模块、校准模块和显示模块；

所述最优时间服务器选择模块用于根据最优时间服务器算法选择最优时间服务器；

所述NTP时间戳查询信息包生成模块用于生成NTP时间戳查询信息包，并发送给所述最优时间服务器；

所述NTP时间戳应答信息包接收模块用于接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

所述重复判断模块用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成模块和所述NTP时间戳应答信息包接收模块重复执行的次数是否达到N，其中重复次数为N，5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；

所述信息包过滤算法模块用于采用信息包过滤算法计算时差数据均值；

所述校准模块用于根据所述时差数据均值校准客户端时间；

所述显示模块用于显示校准后的所述客户端时间。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述最优时间服务器选择模块包括NTP时间戳查询信息包生成单元、NTP时间戳应答信息包接收单元、第一重复判断单元、往返时延计算单元、第一往返时延粗大误差剔除单元、往返时延算数平均值计算单元、第二重复判断单元和最优时间服务器选择单元；

所述NTP时间戳查询信息包生成单元用于在K个时间服务器中，针对其中一个时间服务器，生成NTP时间戳查询信息包并发送给所述时间服务器，其中K＞1；

所述NTP时间戳应答信息包接收单元用于接收所述时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

所述第一重复判断单元用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成单元和所述NTP时间戳应答信息包接收单元的重复执行次数是否达到M，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；

所述往返时延计算单元用于计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

假设M次重复中，第j次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成单元发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；所述NTP时间戳应答信息包接收单元接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

所述第一往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；

所述往返时延算数平均值计算单元用于对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；

所述第二重复判断单元用于判断是否计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；

所述最优时间服务器选择单元用于选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

进一步，所述信息包过滤算法模块包括时差值和往返时延计算单元、第二往返时延粗大误差剔除单元、时差值粗大误差剔除单元和时差数据均值计算单元；

所述时差值和往返时延计算单元用于计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

假设N次重复中，第i次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成模块发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；所述NTP时间戳应答信息包接收模块接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；在所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同的情况下，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

所述第二往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差；

所述时差值粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差；

所述时差数据均值计算单元用于计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i计算算数平均值，

其中，表示时差数据均值，0＜m≤N，i＝1,2,……,m。

进一步，所述NTP时间戳查询信息包符合NTP协议要求的数据格式。

进一步，当最优时间服务器失效时，客户端将选择按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表中次于最优时间服务器的时间服务器进行校时。

本发明的有益效果是：本发明具有校时精度高、系统小型化、方案易于实现和硬件成本较低等技术优点。相对于PC机和智能终端来说，其硬件打时间戳的时间戳生成方式能有效提高校时精度，在广域网非拥堵条件下，可以到达几十毫秒校时精度，在局域网内可以达到几毫秒以内的校时精度；其小型化特点可以轻松嵌入至绝大多数具有时间显示功能的设备中；其时间信息包传输路径基于有线或无线网络，在网络遍布的今天，无论室内还是室外都能较容易实现校时操作，相对于需要电缆传输的时间编码技术和长波授时方式来说，极大改善了人们使用标准时间的便捷性；相对于接收长波信号实现校时的设备来说，本发明较低的硬件成本能有效提高具有一定精度的校时设备的性价比，从而将有助于推动大众使用标准时间的普及化。

附图说明

图1为网络授时系统原理框图；

图2为本发明所述网络时间同步嵌入的方法流程图；

图3为本发明所述最优时间服务器算法的方法流程图；

图4为客户端与时间服务器间的传输结构图；

图5为本发明所述信息包过滤算法的方法流程图；

图6为NTP数据格式图表；

图7为本发明所述网络时间同步嵌入的系统结构图；

图8为本发明所述最优时间服务器选择模块的具体结构图；

图9为本发明所述信息包过滤算法模块的具体结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

网络时间同步协议(Network Time Protocol)简称NTP协议，是将计算机的本地时间通过网络同步到某一标准时间的计算机网络通讯协议。最早于上个世纪八十年的末由美国特拉华大学的David L.Mills教授提出，至今其协议内容一直在更新完善。NTP协议被广泛应用于有时间同步需求的生产和生活中，如国家电网系统、移动通信系统、金融电子商务系统等领域应用较多。NTP时间同步精度在广域网环境下可以优于百毫秒量级。

基于NTP协议实现时间同步过程的系统通常称为网络授时系统，主要包括两部分：时间服务器和客户端，其实现形式如图1所示。时间服务器是可以发送和接收NTP格式时间数据的专用服务器，并通过外接标准时间频率信号来保持时间服务器内的标准时间稳定运行。如我国的国家计量院和国家授时中心等单位都有时间服务器面向Internet免费提供授时服务。客户端就是有时间同步需求的终端设备，通过网络环境，向时间服务器发送NTP格式时间数据来获得标准时间，并校准本地时间。

目前，基于NTP原理实现时间同步的客户端设备绝大多数以PC机为主，其次，基于智能操作系统的手机和平板等终端设备也可以实现NTP时间同步。如果将NTP校时技术引入简单或小型的时间显示设备中，相对于已有的技术将具有明显的优势。首先，NTP协议只需单片机就可以实现，带网络接口的单片机开发板成本很低，且可以实现微型化；其次，技术原理简单，且实现方便，在现有时间显示设备基础上较容易实现改造；第三，信号接收能够以有线或无线方式实现。在楼宇内有无线网络的环境中，可以采用无线接收信号的方式校时，以减少布线施工。在楼宇外没有无线网络的环境中可以采用有线的方式实现校时。因此本发明根据上述理论，提供一种网络时间同步嵌入的方法和系统。

图2为本发明所述网络时间同步嵌入的方法流程图。

如图2所示，一种网络时间同步嵌入的方法，包括以下步骤：

步骤S1，客户端生成NTP时间戳查询信息包，并发送给最优时间服务器；所述最优时间服务器为客户端根据最优时间服务器算法选择的时间服务器；所述NTP时间戳查询信息包可以通过有线或无线的方式发送给最优时间服务器；

最优时间服务器算法是针对不同时间服务器的过滤选择算法。在网络内分布的诸多同级别的时间服务器中，由于往返时延越短意味着时间戳信息包传输路径越简单，因此，通常认为客户端从往返时延短的时间服务器上能够获得较优的校时精度。客户端内置多个已知可用的时间服务器IP地址或域名，从每个时间服务器获得多次校时数据，并解算出路径延时，轮询所有时间服务器之后，将最小往返时延的时间服务器选为最优时间服务器。

图3为本发明所述最优时间服务器算法的方法流程图。

如图3所示，所述最优时间服务器算法包括以下步骤：

步骤S101，选择K个时间服务器，针对其中一个时间服务器，客户端生成NTP时间戳查询信息包并发送给时间服务器，其中K＞1；K值由已知且可用的时间服务器数量决定，当K>2时，最优时间服务器算法提高时间同步精度的效果会较为明显。

步骤S102，客户端接收时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

步骤S103，重复步骤101-步骤102，当重复次数为M时，执行步骤S104，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；

步骤S104，计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

假设M次重复中，第j次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

步骤S105，利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；

步骤S106，对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；

步骤S107，重复步骤S101-步骤S106,直到计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；

步骤S108，选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

将最优时间服务器设为默认时间服务器。在客户端时间显示正常时无需频繁的进行最优时间服务器算法操作。同时，客户端存储按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表。在实际的校时操作过程中，当默认的最优时间服务器失效时，客户端将选择按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表中次于最优时间服务器的时间服务器进行校时。

步骤S2，客户端接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；所述NTP时间戳查应答信息包可以通过有线或无线的方式发送给客户端；

步骤S3，重复步骤S1-步骤S2，当重复次数为N时，执行步骤S4，其中5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s。

步骤S4，客户端采用信息包过滤算法计算时差数据均值。

图4为客户端与时间服务器间的传输结构图。

如图4所示，一般情况下，客户端与时间服务器的时差值计算采用一组数据，即记客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T1；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T2；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T3；时间服务器向客户端发送的所述NTP时间戳应答信息包中包括T2和T3，客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T4；此时客户端就拥有了四个时间值，即T1、T2、T3和T4。

客户端发出NTP时间戳查询信息包，通过网络通信方式发送给时间服务器，所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间为δ1，时间服务器发出NTP时间戳应答信息包，通过网络通信方式发送给客户端，所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间为δ2。

假设客户端与时间服务器的时差值为θ，客户端与时间服务器之间用于网络传输的往返时延为δ，则有

如果所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与时间服务器发出的所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同，即当网络路径对称时有δ1＝δ2，则由上式可得

可以看出，时差θ可直接由T1、T2、T3和T4四个时刻值计算得到，与往返时延无关。但通常情况下，特别是在较复杂的Internet环境下，网络路径是不对称的，造成往返时延的因素较多，因此往返时延是降低校时结果精度的主要因素，为了减少往返时延的影响，提高校时精度，本发明采用信息包过滤算法来计算时差数据均值。

信息包过滤算法是针对时差计算结果的样本优化选择算法。累积多次时差和路径延时计算结果，利用狄克松(Dixon)准则判断样本中的粗大误差。若存在粗大误差则将其剔除，对剩余的样本计算算数平均值。若无粗大误差则对全部样本计算算数平均值。将样本的算数平均值作为客户端与最优时间服务器标准时间的时差，对客户端的时间进行校准。

图5为本发明所述信息包过滤算法的方法流程图.

如图5所示，本发明中所述信息包过滤算法包括以下步骤：

步骤S401，计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

假设N次重复中，第i次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；当客户端在某一较短时段内从某一固定时间服务器获得校时数据时，在网络非拥堵的理想状态下，往返路径延时数据具有较好的一致性，因此假设所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与时间服务器发出的NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延。

步骤S402，利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差。

当客户端在某一固定时段内从最优时间服务器获得校时数据时，在网络非拥堵状态下，路径延时数据应该是一致的。如果数据间出现较大偏差，说明出现数据流经路径变更或交换机繁忙造成延时等情况，应将出现此特殊情况的数据剔除。因此，需要应用数值分析算法首先剔除往返时延的粗大误差数据。

假设本发明中N取值为10，则选择适用于样本容量为3≤n<30的Dixon准则来进行粗差剔除。将10次测量的路径延时数据R_i(i＝1,2,……,10)，按照数值大小顺序排列成顺序抽样列R_(i)，即

R₍₁₎≤R₍₂₎≤……≤R₍₁₀₎；

构造检验高端异常值R_(n)和低端异常值R₍₁₎的统计量，根据样本容量不同，构造方式如下：

(样本容量3≤n≤7)；

(样本容量8≤n≤10)；

其中，r₁₁为检验高端异常值R_(n)的统计量，r′₁₁为检验低端异常值R₍₁₎的统计量。将往返时延数据带入上式分别计算高端异常值统计量和低端异常值统计量。

其中Dixon临界值表，如下表所示。

在显著性水平α＝0.01、样本容量n＝10的条件下，临界值r₀(n,α)＝0.597。将路径延时数据的高端异常值统计量和低端异常值统计量分别与临界值比较，若大于临界值，则认为是粗大误差，应予以剔除。

然后，对剩余数据重新排列抽样列，重复以上粗差剔除计算步骤，直到所有往返时延R_i中的粗大误差被剔除完毕为止。

步骤S403，利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差。

在剔除往返时延的粗大数据后，将剩余往返时延数据对应的时差值数据再进行粗差剔除分析。仍然应用Dixon准则剔除粗差，方法如下。

设剔除路径延时粗差数据后剩余样本容量为n，将对应的时差数据D_i(i＝1,2,……,n)，按照数值大小顺序排列成顺序抽样列D_(i)，即

D₍₁₎≤D₍₂₎≤……≤D_(n)

构造检验高端异常值D_(n)和低端异常值D₍₁₎的统计量，根据样本容量不同，构造方式如下：

(样本容量3≤n≤7)；

(样本容量8≤n≤10)；

其中，r₁₁为检验高端异常值D_(n)的统计量，r′₁₁为检验低端异常值D₍₁₎的统计量。将时差数据带入上式分别计算高端异常值统计量和低端异常值统计量。然后，查Dixon临界值表判断并剔除粗差数据，再对剩余数据重新排列抽样列，重复粗差剔除计算步骤，直到所有粗大误差被剔除完毕为止。

步骤S404，计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i(i＝1,2,……,m)计算算数平均值，

表示时差数据均值。

步骤S5，客户端根据所述时差数据均值校准客户端时间；

步骤S6，显示校准后的所述客户端时间。

图6为NTP数据格式图表。

客户端发出的NTP时间戳查询信息包应符合NTP协议要求的数据格式。如图6所示，NTP时间戳查询信息包的文件头信息包含128bit数据，其中，LI表示闰秒信息(2bit)，VN表示NTP协议版本信息(3bit)，Mode表示信息包传输模式(3bit)，Stratum表示本地时钟层级(8bit)，Poll表示轮询间隔(8bit)，Precision表示本地时钟精度(8bit)，Root Delay表示基准参考源的总路径延迟(32bit)，Root Dispersion表示相对于基准参考源的最大误差(32bit)，Reference Identifier表示特定参考钟的代码(32bit)；接下来是4个时间戳数据，Reference Timestamp表示最新设置或修正后的本地时钟时间(64bit)，OriginateTimestamp表示查询信息包离开客户端的本地时间(64bit)，Receive Timestamp表示查询信息包到达时间服务器的本地时间(64bit)，Transmit Timestamp表示应答信息包离开时间服务器的本地时间。如若需要，在数据最后还可以加入96bit的认证信息(Authenticator)。

图7为本发明所述网络时间同步嵌入的系统结构图。

根据上述网络时间同步嵌入的方法，对应如图7所示的一种网络时间同步嵌入的系统，一种网络时间同步嵌入的系统，包括客户端和最优时间服务器，客户端和最优时间服务器之间根据TCP/IP网络通信协议通过网络接口进行有线或者无线方式的网络通信及网络传输，所述客户端包括最优时间服务器选择模块、NTP时间戳查询信息包生成模块、NTP时间戳应答信息包接收模块、重复判断模块、信息包过滤算法模块、校准模块和显示模块。

所述最优时间服务器选择模块用于根据最优时间服务器算法选择最优时间服务器；所述NTP时间戳查询信息包生成模块用于生成NTP时间戳查询信息包，并发送给所述最优时间服务器；所述NTP时间戳应答信息包接收模块用于接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；所述重复判断模块用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成模块和所述NTP时间戳应答信息包接收模块重复执行的次数是否达到N，其中重复次数为N，5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；所述信息包过滤算法模块用于采用信息包过滤算法计算时差数据均值；所述校准模块用于根据所述时差数据均值校准客户端时间；所述显示模块用于显示校准后的所述客户端时间。所述校准模块可以是具有一定时间保持精度的时钟晶振芯片，既可以提供客户端时间信息，也可以校准客户端时间，目前，能够实现以上功能的时钟芯片也较为普遍，可以使用市售的实时时钟芯片成品来搭建系统；所述显示模块用于显示校准后的所述客户端时间。显示模块可以包括家里的挂钟、床头的闹钟、公共场所的电子时间显示屏、停车场的时间显示设备等。

图8为本发明所述最优时间服务器选择模块的具体结构图。

如图8所示，所述最优时间服务器选择模块包括NTP时间戳查询信息包生成单元、NTP时间戳应答信息包接收单元、第一重复判断单元、往返时延计算单元、第一往返时延粗大误差剔除单元、往返时延算数平均值计算单元、第二重复判断单元和最优时间服务器选择单元。

所述NTP时间戳查询信息包生成单元用于在K个时间服务器中，针对其中一个时间服务器，生成NTP时间戳查询信息包并发送给所述时间服务器，其中K＞1；所述NTP时间戳应答信息包接收单元用于接收所述时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；所述第一重复判断单元用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成单元和所述NTP时间戳应答信息包接收单元的重复执行次数是否达到M，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；所述往返时延计算单元用于计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；假设M次重复中，第j次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成单元发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；所述NTP时间戳应答信息包接收单元接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；所述第一往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；所述往返时延算数平均值计算单元用于对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；所述第二重复判断单元用于判断是否计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；所述最优时间服务器选择单元用于选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

图9为本发明所述信息包过滤算法模块的具体结构图。

如图9所示，所述信息包过滤算法模块包括时差值和往返时延计算单元、第二往返时延粗大误差剔除单元、时差值粗大误差剔除单元和时差数据均值计算单元。

所述时差值和往返时延计算单元用于计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；假设N次重复中，第i次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成模块发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；所述NTP时间戳应答信息包接收模块接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；当客户端在某一较短时段内从某一固定时间服务器获得校时数据时，在网络非拥堵的理想状态下，往返路径延时数据具有较好的一致性，因此假设所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与时间服务器发出的NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延。

所述第二往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差；所述时差值粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差；所述时差数据均值计算单元用于计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i计算算数平均值，

其中，表示时差数据均值，0＜m≤N，i＝1,2,……,m。

以下列举公共场所数字显示时钟实施案例。

基于单片机制作网络时间同步嵌入式系统电路板，将NTP协议和时差优化算法烧入单片机。由于本案例是对已有数显时钟进行改造，需选择与数显时钟匹配的显示接口和电源接口，并将数显时钟的显示驱动烧入单片机。本数显时钟将放置于楼宇内，且楼宇天花板中可以走网络电缆，因此，网络时间同步嵌入式系统的网络接口选择有线网络接口。打开设备机壳，将网络时间同步嵌入式系统电路板固定于机壳背板，并在机壳背板上开槽以便露出网络接口。将网络时间同步嵌入式系统的电源和显示接口与数显时钟内部相应接口相连。安装设备机壳，连接网络电缆，接通电源，数显时钟显示网络时间同步嵌入式系统提供的时间。根据使用要求，设置单片机发送校时请求的时间间隔为1小时，则此数显时钟将每1小时对网络时间同步嵌入式系统的时钟模块进行校准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种网络时间同步嵌入的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，客户端生成NTP时间戳查询信息包，并发送给最优时间服务器；所述最优时间服务器为客户端根据最优时间服务器算法选择的时间服务器；

步骤S2，客户端接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

步骤S3，重复步骤S1-步骤S2，当重复次数为N时，执行步骤S4，其中5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；

步骤S4，客户端采用信息包过滤算法计算时差数据均值；

步骤S5，客户端根据所述时差数据均值校准客户端时间；

步骤S6，客户端显示校准后的所述客户端时间；

其中：所述信息包过滤算法包括以下步骤：

步骤S401，计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

假设N次重复中，第i次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；在所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同的情况下，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

步骤S402，利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差；

步骤S403，利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差；

步骤S404，计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i计算算数平均值，

其中，表示时差数据均值，0＜m≤N，i＝1,2,……,m。

2.根据权利要求1所述的网络时间同步嵌入的方法，其特征在于，步骤S1中，所述最优时间服务器算法包括以下步骤：

步骤S101，选择K个时间服务器，针对其中一个时间服务器，客户端生成NTP时间戳查询信息包并发送给时间服务器，其中K＞1；

步骤S102，客户端接收时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

步骤S103，重复步骤101-步骤102，当重复次数为M时，执行步骤S104，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；

步骤S104，计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

假设M次重复中，第j次重复时，客户端发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；客户端接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

步骤S105，利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；

步骤S106，对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；

步骤S107，重复步骤S101-步骤S106,直到计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；

步骤S108，选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

3.根据权利要求1所述的网络时间同步嵌入的方法，其特征在于，所述NTP时间戳查询信息包符合NTP协议要求的数据格式。

4.根据权利要求2所述的网络时间同步嵌入的方法，其特征在于，当最优时间服务器失效时，客户端将选择按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表中次于最优时间服务器的时间服务器进行校时。

5.一种网络时间同步嵌入的系统，其特征在于，包括客户端和最优时间服务器，所述客户端包括最优时间服务器选择模块、NTP时间戳查询信息包生成模块、NTP时间戳应答信息包接收模块、重复判断模块、信息包过滤算法模块、校准模块和显示模块；

所述最优时间服务器选择模块用于根据最优时间服务器算法选择最优时间服务器；

所述NTP时间戳查询信息包生成模块用于生成NTP时间戳查询信息包，并发送给所述最优时间服务器；

所述NTP时间戳应答信息包接收模块用于接收最优时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

所述重复判断模块用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成模块和所述NTP时间戳应答信息包接收模块重复执行的次数是否达到N，其中重复次数为N，5≤N≤10，重复间隔时间为t，10s≤t≤30s；

所述信息包过滤算法模块用于采用信息包过滤算法计算时差数据均值；

所述校准模块用于根据所述时差数据均值校准客户端时间；

所述显示模块用于显示校准后的所述客户端时间；

其中：所述信息包过滤算法模块包括时差值和往返时延计算单元、第二往返时延粗大误差剔除单元、时差值粗大误差剔除单元和时差数据均值计算单元；

所述时差值和往返时延计算单元用于计算N次重复中，每一次重复时客户端与最优时间服务器的时差值以及客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

假设N次重复中，第i次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成模块发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1i；最优时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2i；最优时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3i；所述NTP时间戳应答信息包接收模块接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4i；其中i＝1,2,3，…，N；在所述NTP时间戳查询信息包在网络传播所消耗的时间与所述NTP时间戳应答信息包在网络传播所消耗的时间相同的情况下，则

其中D_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器的时差值，R_i表示第i次重复时客户端与最优时间服务器之间用于网络传输的往返时延；

所述第二往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_i中的粗大误差；

所述时差值粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除剩余往返时延R_i对应的时差值D_i中的粗大误差；

所述时差数据均值计算单元用于计算剩余的时差值的算术平均值，假设粗大误差剔除后，剩余的时差值样本容量为m，对时差值D_i计算算数平均值，

其中，表示时差数据均值，0＜m≤N，i＝1,2,……,m。

6.根据权利要求5所述的网络时间同步嵌入的系统，其特征在于，所述最优时间服务器选择模块包括NTP时间戳查询信息包生成单元、NTP时间戳应答信息包接收单元、第一重复判断单元、往返时延计算单元、第一往返时延粗大误差剔除单元、往返时延算数平均值计算单元、第二重复判断单元和最优时间服务器选择单元；

所述NTP时间戳查询信息包生成单元用于在K个时间服务器中，针对其中一个时间服务器，生成NTP时间戳查询信息包并发送给所述时间服务器，其中K＞1；

所述NTP时间戳应答信息包接收单元用于接收所述时间服务器根据所述NTP时间戳查询信息包生成的NTP时间戳应答信息包；

所述第一重复判断单元用于判断所述NTP时间戳查询信息包生成单元和所述NTP时间戳应答信息包接收单元的重复执行次数是否达到M，其中5≤M≤10，重复间隔时间为p，10s≤p≤30s；

所述往返时延计算单元用于计算每一次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

假设M次重复中，第j次重复时，所述NTP时间戳查询信息包生成单元发送所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_1j；时间服务器接收到所述NTP时间戳查询信息包的时刻值为T_2j；时间服务器发送所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_3j；所述NTP时间戳应答信息包接收单元接收到所述NTP时间戳应答信息包的时刻值为T_4j；其中，j＝1,2,3，…，M；计算R_j＝(T_4j-T_1j)-(T_3j-T_2j)；其中R_j表示第j次重复时客户端与时间服务器之间的往返时延；

所述第一往返时延粗大误差剔除单元用于利用Dixon准则剔除往返时延R_j中的粗大误差；

所述往返时延算数平均值计算单元用于对剔除粗大误差后的剩余往返时延计算往返时延算数平均值；

所述第二重复判断单元用于判断是否计算出K个时间服务器中每一个时间服务器的往返时延算数平均值；

所述最优时间服务器选择单元用于选择往返时延算数平均值最小的时间服务器为最优时间服务器。

7.根据权利要求5所述的网络时间同步嵌入的系统，其特征在于，所述NTP时间戳查询信息包符合NTP协议要求的数据格式。

8.根据权利要求6所述的网络时间同步嵌入的系统，其特征在于，当最优时间服务器失效时，客户端将选择按照往返时延平均值的大小进行顺序排列的时间服务器列表中次于最优时间服务器的时间服务器进行校时。