张高兴的 .NET IoT 入门指南:(八)基于 GPS 的 NTP 时间同步服务器

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所属分类:.NET技术
摘要

时间究竟是什么?这既可以是一个哲学问题,也可以是一个物理问题。古人对太阳进行观测,利用太阳的投影发明了日晷,定义了最初的时间。随着科技的发展,天文观测的精度也越来越准确,人们发现地球的自转并不是完全一致的,这就导致每天经过的时间是不一样的。这点误差对于基本生活基本没有影响,但是对于股票交易、火箭发射等等要求高精度时间的场景就无法忍受了。科学家们开始把观测转移到了微观世界,找到了一种运动高度稳定的原子——铯,最终定义出了准确的时间:铯原子电子跃迁 9192631770 个周期所持续的时间长度定义为 1 秒。基于这个定义制造出了高度稳定的原子钟。

时间究竟是什么?这既可以是一个哲学问题,也可以是一个物理问题。古人对太阳进行观测,利用太阳的投影发明了日晷,定义了最初的时间。随着科技的发展,天文观测的精度也越来越准确,人们发现地球的自转并不是完全一致的,这就导致每天经过的时间是不一样的。这点误差对于基本生活基本没有影响,但是对于股票交易、火箭发射等等要求高精度时间的场景就无法忍受了。科学家们开始把观测转移到了微观世界,找到了一种运动高度稳定的原子——铯,最终定义出了准确的时间:铯原子电子跃迁 9192631770 个周期所持续的时间长度定义为 1 秒。基于这个定义制造出了高度稳定的原子钟。

时间在计算机中又是如何定义的呢?通常使用 Unix 时间戳进行表示,记录的是自公元 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒以来的秒数。计算机为了维持时钟的走时,硬件层面使用晶体振荡器保障时钟的精确性(也是石英钟的原理),操作系统层面使用时钟中断去更新时间的流逝。现代计算机的硬件设计通常有独立的时钟(RTC),这源于 Intel 和微软创立的标准 High Precision Event Timer(HPET),标准指定了 10 MHz 的时钟速度,因此时钟可以获得 100 纳秒的分辨率。这也是 .NET 时间有关的类型中 Ticks 属性的由来,1秒 = 10000000 Ticks。虽然计算机的时钟已经足够精准,但也会受到环境温度的影响造成过快或者过慢的问题。为了对计算机的时钟进行校准,通常使用 NTP 协议与网络中的时间服务器进行同步。时间服务器的时间又会使用 GPS 接收机、无线电或者是原子钟进行校准。

本文将从 GPS 时间的获取、NTP 报文的编写实现一个“玩具”级别的时间同步服务器,使用 .NET 6 编写一个控制台应用程序,通过本文你可以学到:

  1. 串口 SerialPort 类的使用;
  2. 使用 Socket 类实现 UDP 的监听与回复;
  3. 在程序中使用 Process 类执行命令行指令;
  4. 了解 GPS 数据报文的 NMEA-0183 协议;
  5. 了解 NTP 协议报文。

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硬件需求

名称 描述 数量
计算机 可以是运行 Linux 的开发板,也可以是运行 Windows 的电脑 x1
NEO-6M GPS 模块 x1
USB 串口 可选,使用 USB 串口将 GPS 模块与计算机相连 x1
杜邦线 传感器与开发板的连接线 若干

电路

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传感器 接口 开发板接口
NEO-6M TX 开发板或 USB 串口的RX
RX 开发板或 USB 串口的TX
VCC 5V
GND GND

GPS 数据报文的 NMEA-0183 协议

NMEA-0183 是 GPS 设备输出信息的标准格式,是由美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)定制的标准。NMEA-0183 有多种不同的数据报文,每种都是独立的 ASCII 字符串,使用逗号隔开数据,数据流长度从 30-100 字符不等,通常以每秒间隔选择输出。NMEA-0183 协议定义的语句非常多,但是常用的或者说兼容性最广的语句只有 $GPGGA$GPGSA$GPGSV$GPRMC$GPVTG 等。下面给出这些常用 NMEA-0183 语句的解释。

帧名称 说明 最大帧长
$GPGGA 全球定位数据 72
$GPGSA 卫星 PRN 数据 65
$GPGSV 卫星状态信息 210
$GPRMC 推荐最小数据 70
$GPVTG 地面速度信息 34

由于我们只需要从 GPS 中获取时间信息,选择包含时间信息的 “$GPRMC 推荐最小数据”帧进行解析:

$GPRMC <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12>*<13>
帧头 UTC 时间 定位状态 纬度 纬度半球 经度 经度半球 地面速率 地面航向 UTC 日期 磁偏角 磁偏角方向 模式 * 校验和

下面以一个真实的数据帧为例 $GPRMC,013717.00,A,3816.57392,N,10708.73951,E,0.467,,050722,,,A*78

$GPRMC 013717.00 A 3816.57392 N 10708.73951 E 0.467 050722 A*78
帧头 UTC 时间 01:37:17 A=有效定位,V=无效定位 纬度 38 度 16.57392 分 北纬 经度 107 度 8.73951 分 东经 地面速率 0.467 节 航向 度 UTC 日期 2022/07/05 磁偏角 度 磁偏角方向 A=自主定位,N=数据无效

因此,通过串口读取 $GPRMC 数据帧后,需要解析 <1><9> 字段的值,并将其转换为 UTC 时间。

细心的你也许会发现获取到的时间信息只精确到秒,GPS 明明使用的是原子钟,这是为什么?仔细观察手中的 GPS 模块,还有一个 PPS 针脚没有使用。PPS(Pulse Per Second)是秒脉冲,一般是由 GPS 接收机或原子钟按秒发出的、宽度小于1秒、有着急升或突降边沿的脉冲信号,通常用于精确计时和测量时间。PPS 信号能精确地(亚毫秒级)指示每一秒的开始时间,但不能指示对应现实时间的哪一秒,因此只能作为辅助信号,与卫星导航信息组合使用,提供低延迟、低抖动的授时服务。很遗憾,.NET 目前没法直接操作 PPS 引脚,我们只能实现一个“玩具”级的时间同步服务器了。

NTP 协议报文

NTP(Network Time Protocol),网络时间协议,是一种使用 UDP 的计算机之间进行时间同步的网络协议,位于 OSI 7 层网络模型中的应用层,默认使用的端口为 123。那么使用 NTP 是如何进行时间同步的呢?简单的说将发送的报文打上本机的时间戳,配合报文来回传输的时延修正本机的时间。如下图所示,可以计算出网络传输时延 (delta),以及客户端与服务端的时间偏移 (theta)

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(delta=(t_3-t_0)-(t_2-t_1))

(theta=frac{(t_1-t_0)+(t_2-t_3)}{2})

其中,(t_0) 是请求报文传输的客户端时间戳,(t_1) 是请求报文接收的服务器时间戳,(t_2) 是回复报文传输的服务器时间戳,(t_3) 是回复报文接收的客户端时间戳。客户端和服务端都有一个时间轴,分别代表着各自系统的时间,当客户端想要同步服务端的时间时,客户端会构造一个 NTP 报文发送到服务端,客户端会记下此时发送的时间 (t_0),经过一段网络延时传输后,服务器在 (t_1) 时刻收到报文,经过一段时间处理后在 (t_2) 时刻向客户端返回报文,再经过一段网络延时传输后客户端在 (t_3) 时刻收到服务器报文。这样客户端就可以校准自己的本机时间了。

在了解 NTP 同步时间的过程后,下面解析 NTP 报文具体包含的字段,一般的 NTP 报文长度为 48 字节:

字段 说明
LI 闰秒指示,2bit
Version NTP 版本,3bit
Mode 工作模式,3bit ,客户端=0b011,服务器=0b100
Stratum 时钟层数,8bit,层数为 0 的设备为高精度的时钟(如原子钟),层数为 1 的设备与层数 0 的设备直接相连,……
Poll Interval 轮询时间,8bit,连续 NTP 报文之间的最大时间间隔
Precision 时钟精度,8bit
Root Delay 根时延,32bit,表示在主参考源之间往返的总共时延
Root Dispersion 根离散,32bit,相对于主参考源的标称误差
Reference ID 参考源的标识,32bit,4 个字符或 IP 地址
Reference Timestamp 参考时间戳,64bit,本地时钟最后一次被更新的时间

| Originate Timestamp | 原始时间戳 (t_0),64bit,客户端发送的时间 |
| Receive Timestamp | 接受时间戳 (t_1),64bit,服务端接受到的时间 |
| Transmit Timestamp | 传送时间戳 (t_2),64bit,服务端发送的时间 |

其中要注意的是 NTP 时间戳的起始时间是 1900-01-01 00:00:00,而不是 Unix 时间戳的起始时间 1970-01-01 00:00:00

下面是使用 Wireshark 抓取的 Windows 时钟同步的 NTP 报文:

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编写代码

项目地址:https://github.com/ZhangGaoxing/gps-ntp

项目结构

创建一个控制台应用和类库,项目结构如下:

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项目依赖

添加如下 NuGet 包引用:

<ItemGroup>    <PackageReference Include="System.IO.Ports" Version="6.0.0" /> </ItemGroup> 

配置串口读取 GPS 数据

绝大部分 GPS 模块每秒会通过串口输出 NMEA-0183 协议报文,因此我们只需要通过串口读取需要的时间数据即可。此环节包含 3 个步骤:

  1. 初始化串口;
  2. 读取 $GPRMC 数据帧的内容,提取时间信息;
  3. 更新系统时间。

初始化串口

使用串口时最重要的属性是波特率,请查阅对应 GPS 模块的数据手册,这里使用的 NEO-6M 模块的波特率是 9600。串口的名称取决于你的连接方式,在 Linux 中串口对应的驱动文件在 /dev 目录下,使用内置串口可能的文件名称为 ttySx,使用 USB 串口可能的文件名称为 ttyUSBx,在 Windows 中串口的名称为 COMx,其中 x 表示的是数字编号。

// 使用的串口名称 const string SERIAL_NAME = "/dev/ttyUSB0"; using SerialPort gps = new SerialPort(SERIAL_NAME) {     BaudRate = 9600,     Encoding = Encoding.UTF8,     ReadTimeout = 500,     WriteTimeout = 500, }; 

从串口中获取数据

从串口中读取数据时使用的是 SerialPort 类中的 DataReceived 事件。事件(event)可以理解为一种广播,当完成某种操作后向外发送通知。即串口接收到数据后,触发数据处理事件。

gps.DataReceived += GpsFrameReceived;  /// <summary> /// GPS 报文处理 /// </summary> void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {     // TODO:读取 `$GPRMC` 数据帧;提取时间;更新系统时间 } 

由于 GPS 模块输出的不只有 $GPRMC 数据帧,因此需要在处理事件中判断帧头以及帧的有效性。

void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {     string frame = gps.ReadLine();      if (frame.StartsWith("$GPRMC"))     {         // $GPRMC,UTC 时间,定位状态,纬度,纬度半球,经度,经度半球,速度,航向,UTC 日期,磁偏角,磁偏角方向,指示模式*校验和         // $GPRMC,013717.00,A,3816.57392,N,10708.73951,E,0.467,,050722,,,A*78         string[] field = frame.Split(',');          // 帧数据有效         if (!field[12].StartsWith("N"))         {             // TODO:提取时间;更新系统时间         }     } } 

在验证 $GPRMC 数据帧有效后,根据帧解析提取对应字段的时间信息。

void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {     string frame = gps.ReadLine();      if (frame.StartsWith("$GPRMC"))     {         string[] field = frame.Split(',');          if (!field[12].StartsWith("N"))         {             // 获取 GPS 时间             string time = field[1][0..6];             string date = field[9];             DateTime utcNow = DateTime.ParseExact($"{date}{time}", "ddMMyyHHmmss", CultureInfo.InvariantCulture);              // TODO:更新系统时间         }     } } 

更新系统时间

由于 .NET 并不提供修改系统时间的操作,因此我们要使用间接的方式修改系统时间。一种方式是使用 P/Invoke 调用 C++ 的函数,这种方式可以精确的修改时间,但涉及引用、数据类型转换,过于复杂,和本入门指南不符。这里使用的是运行命令行指令的方式修改系统的时间,但修改时间的精度只能精确到秒。在 Windows 中使用 PowerShellSet-Date 命令,在 Linux 中使用 date 命令。

/// <summary> /// 更新系统时间 /// </summary> void UpdateSystemTime(DateTime time) {     ProcessStartInfo processInfo;     if (RuntimeInformation.IsOSPlatform(OSPlatform.Windows))     {         processInfo = new ProcessStartInfo         {             FileName = "powershell.exe",             Arguments = $"Set-Date """{time.ToLocalTime().ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")}"""",             RedirectStandardOutput = true,             UseShellExecute = false,             CreateNoWindow = true,         };     }     else     {         processInfo = new ProcessStartInfo         {             FileName = "date",             Arguments = $"-s "{time.ToLocalTime().ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")}"",             RedirectStandardOutput = true,             UseShellExecute = false,             CreateNoWindow = true,         };     }      var process = Process.Start(processInfo);     process.WaitForExit(); } 

最终报文处理事件由以下代码构成:

void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {     string frame = gps.ReadLine();      if (frame.StartsWith("$GPRMC"))     {         string[] field = frame.Split(',');          if (!field[12].StartsWith("N"))         {             string time = field[1][0..6];             string date = field[9];             DateTime utcNow = DateTime.ParseExact($"{date}{time}", "ddMMyyHHmmss", CultureInfo.InvariantCulture);              UpdateSystemTime(utcNow);              // 记录时钟最后一次被更新的时间             lastUpdatedTime = utcNow;         }     } } 

使用 gps.Open(); 打开串口后就可以获取时间数据了。

实现 NTP 服务

下面使用 Socket 类实现一个简单的 UDP 服务器,用于监听和回复 NTP 报文。

初始化 UDP 服务

// NTP 服务初始化 using Socket ntpServer = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp); IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 123); ntpServer.Bind(ip); 

监听和回复 NTP 报文

在后台新建一个进程用于监听 NTP 请求报文:

new Thread(NtpFrameReceived) {     IsBackground = true }.Start();  /// <summary> /// NTP 报文接收与回复 /// </summary> void NtpFrameReceived() {     // 存储接收到的 NTP 请求报文     Span<byte> receiveFrame = stackalloc byte[48];      while (true)     {         // 接收请求报文         EndPoint clientPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);         ntpServer.ReceiveFrom(receiveFrame, ref clientPoint);         DateTime receiveTime = DateTime.UtcNow;          // TODO:回复 NTP 报文     } } 

根据帧解析生成 NTP 回复报文:

/// <summary> /// 生成 NTP 报文 /// </summary> Span<byte> GenerateNtpFrame(Span<byte> receivedFrame, DateTime receiveTime) {     Span<byte> ntpFrame = stackalloc byte[48]     {         0x1c, 0x01, 0x11, 0xe9, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,         0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,         0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,         0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,         0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,         0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,     };      // Client Transmit Timestamp => Server Origin Timestamp     for (int i = 0; i < 8; i++)     {         ntpFrame[24 + i] = receivedFrame[40 + i];     }      // 本机时钟最后更新时间     long referenceTicks = (lastUpdatedTime - ntpStart).Ticks;     uint referenceTimeInt = (uint)(referenceTicks / TICK_2_SECOND);     uint referenceTimeFract = (uint)(referenceTicks % TICK_2_SECOND);     var referenceTimeIntByte = BitConverter.GetBytes(referenceTimeInt);     var referenceTimeFractByte = BitConverter.GetBytes(referenceTimeFract);      // 接收报文时间     long receiveTicks = (receiveTime - ntpStart).Ticks;     uint receiveTimeInt = (uint)(receiveTicks / TICK_2_SECOND);     uint receiveTimeFract = (uint)(receiveTicks % TICK_2_SECOND);     var receiveTimeIntByte = BitConverter.GetBytes(receiveTimeInt);     var receiveTimeFractByte = BitConverter.GetBytes(receiveTimeFract);      // 发送报文时间     long transmitTicks = (DateTime.UtcNow - ntpStart).Ticks;     uint transmitTimeInt = (uint)(receiveTicks / TICK_2_SECOND);     uint transmitTimeFract = (uint)(receiveTicks % TICK_2_SECOND);     var transmitTimeIntByte = BitConverter.GetBytes(receiveTimeInt);     var transmitTimeFractByte = BitConverter.GetBytes(receiveTimeFract);      if (BitConverter.IsLittleEndian)     {         for (int i = 0; i < 4; i++)         {             ntpFrame[19 - i] = referenceTimeIntByte[i];             ntpFrame[23 - i] = referenceTimeFractByte[i];              ntpFrame[35 - i] = receiveTimeIntByte[i];             ntpFrame[39 - i] = receiveTimeFractByte[i];              ntpFrame[43 - i] = transmitTimeIntByte[i];             ntpFrame[47 - i] = transmitTimeFractByte[i];         }     }     else     {         for (int i = 0; i < 4; i++)         {             ntpFrame[16 + i] = referenceTimeIntByte[i];             ntpFrame[20 + i] = referenceTimeFractByte[i];              ntpFrame[32 + i] = receiveTimeIntByte[i];             ntpFrame[36 + i] = receiveTimeFractByte[i];              ntpFrame[40 + i] = transmitTimeIntByte[i];             ntpFrame[44 + i] = transmitTimeFractByte[i];         }     }      return ntpFrame.ToArray(); } 

最终报文请求与回复由以下代码构成:

void NtpFrameReceived() {     Span<byte> receiveFrame = stackalloc byte[48];      while (true)     {         EndPoint clientPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);         ntpServer.ReceiveFrom(receiveFrame, ref clientPoint);         DateTime receiveTime = DateTime.UtcNow;          // 回复 NTP 报文         Span<byte> sendFrame = GenerateNtpFrame(receiveFrame, DateTime.UtcNow);         ntpServer.SendTo(sendFrame, clientPoint);         DateTime sendTime = DateTime.UtcNow;     } } 

将上述代码进行整合就构成了基于 GPS 的 NTP 时间同步服务器。

部署应用

发布到文件

  1. 切换到 GpsNtp 项目运行发布命令:
dotnet publish -c release -r linux-x64 --no-self-contained 
  1. 将发布后的文件通过 FTP 等方式复制到 Linux 开发板;
  2. GpsNtp 文件增加可执行权限
sudo chmod +x GpsNtp 
  1. 运行程序
sudo ./GpsNtp 

构建 Docker 镜像

  1. 在项目的根目录中创建 Dockerfile,并将整个项目复制到 Linux 开发板中:
FROM mcr.microsoft.com/dotnet/core/sdk:6.0-focal AS build WORKDIR /app  # publish app COPY src . WORKDIR /app/GpsNtp RUN dotnet restore RUN dotnet publish -c release -r linux-arm -o out  # run app FROM mcr.microsoft.com/dotnet/core/runtime:6.0-focal AS runtime WORKDIR /app COPY --from=build /app/GpsNtp/out ./  ENTRYPOINT ["dotnet", "GpsNtp.dll"] 
  1. 切换到项目目录,构建镜像:
docker build -t gps-ntp -f Dockerfile . 
  1. 运行镜像:
docker run --rm -it --device /dev/ttySx gps-ntp 

程序运行后,使用 Windows 时间同步服务进行一下测试。

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