張高興的 .NET IoT 入門指南：（八）基於 GPS 的 NTP 時間同步伺服器

語言: CN / TW / HK
時間 2022-08-05 18:38:00

時間究竟是什麼？這既可以是一個哲學問題，也可以是一個物理問題。古人對太陽進行觀測，利用太陽的投影發明了日晷，定義了最初的時間。隨著科技的發展，天文觀測的精度也越來越準確，人們發現地球的自轉並不是完全一致的，這就導致每天經過的時間是不一樣的。這點誤差對於基本生活基本沒有影響，但是對於股票交易、火箭發射等等要求高精度時間的場景就無法忍受了。科學家們開始把觀測轉移到了微觀世界，找到了一種運動高度穩定的原子——銫，最終定義出了準確的時間：銫原子電子躍遷 9192631770 個週期所持續的時間長度定義為 1 秒。基於這個定義製造出了高度穩定的原子鐘。

時間在計算機中又是如何定義的呢？通常使用 Unix 時間戳進行表示，記錄的是自公元 1970 年 1 月 1 日 0 時 0 分 0 秒以來的秒數。計算機為了維持時鐘的走時，硬體層面使用晶體振盪器保障時鐘的精確性（也是石英鐘的原理），作業系統層面使用時鐘中斷去更新時間的流逝。現代計算機的硬體設計通常有獨立的時鐘（RTC），這源於 Intel 和微軟創立的標準 High Precision Event Timer（HPET），標準指定了 10 MHz 的時鐘速度，因此時鐘可以獲得 100 納秒的解析度。這也是 .NET 時間有關的型別中 Ticks 屬性的由來，1秒 = 10000000 Ticks。雖然計算機的時鐘已經足夠精準，但也會受到環境溫度的影響造成過快或者過慢的問題。為了對計算機的時鐘進行校準，通常使用 NTP 協議與網路中的時間伺服器進行同步。時間伺服器的時間又會使用 GPS 接收機、無線電或者是原子鐘進行校準。

本文將從 GPS 時間的獲取、NTP 報文的編寫實現一個“玩具”級別的時間同步伺服器，使用 .NET 6 編寫一個控制檯應用程式，通過本文你可以學到：

SerialPort
Socket
Process
NMEA-0183

  • 硬體需求
  • 電路
  • GPS 資料報文的 NMEA-0183 協議
  • NTP 協議報文
  • 編寫程式碼
    • 專案結構
    • 專案依賴
    • 配置串列埠讀取 GPS 資料
    • 實現 NTP 服務
  • 部署應用
    • 釋出到檔案
    • 構建 Docker 映象
  • 後續工作

硬體需求

名稱 描述 數量
計算機 可以是執行 Linux 的開發板，也可以是執行 Windows 的電腦 x1
NEO-6M GPS 模組 x1
USB 串列埠 可選，使用 USB 串列埠將 GPS 模組與計算機相連 x1
杜邦線 感測器與開發板的連線線 若干

電路

感測器 介面 開發板介面
NEO-6M TX 開發板或 USB 串列埠的RX
RX 開發板或 USB 串列埠的TX
VCC 5V
GND GND

GPS 資料報文的 NMEA-0183 協議

NMEA-0183 是 GPS 裝置輸出資訊的標準格式，是由美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association）定製的標準。NMEA-0183 有多種不同的資料報文，每種都是獨立的 ASCII 字串，使用逗號隔開資料，資料流長度從 30-100 字元不等，通常以每秒間隔選擇輸出。NMEA-0183 協議定義的語句非常多，但是常用的或者說相容性最廣的語句只有 $GPGGA 、 $GPGSA 、 $GPGSV 、 $GPRMC 、 $GPVTG 等。下面給出這些常用 NMEA-0183 語句的解釋。

幀名稱 說明 最大幀長
$GPGGA 全球定位資料 72
$GPGSA 衛星 PRN 資料 65
$GPGSV 衛星狀態資訊 210
$GPRMC 推薦最小資料 70
$GPVTG 地面速度資訊 34

由於我們只需要從 GPS 中獲取時間資訊，選擇包含時間資訊的 “ $GPRMC 推薦最小資料”幀進行解析：

$GPRMC <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12>*<13>
幀頭 UTC 時間 定位狀態 緯度 緯度半球 經度 經度半球 地面速率 地面航向 UTC 日期 磁偏角 磁偏角方向 模式 * 校驗和

下面以一個真實的資料幀為例 $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
幀頭 UTC 時間 01:37:17 A=有效定位，V=無效定位 緯度 38 度 16.57392 分 北緯 經度 107 度 8.73951 分 東經 地面速率 0.467 節 航向 度 UTC 日期 2022/07/05 磁偏角 度 磁偏角方向 A=自主定位，N=資料無效

因此，通過串列埠讀取 $GPRMC 資料幀後，需要解析 <1> 和 <9> 欄位的值，並將其轉換為 UTC 時間。

細心的你也許會發現獲取到的時間資訊只精確到秒，GPS 明明使用的是原子鐘，這是為什麼？仔細觀察手中的 GPS 模組，還有一個 PPS 針腳沒有使用。PPS（Pulse Per Second）是秒脈衝，一般是由 GPS 接收機或原子鐘按秒發出的、寬度小於1秒、有著急升或突降邊沿的脈衝訊號，通常用於精確計時和測量時間。PPS 訊號能精確地（亞毫秒級）指示每一秒的開始時間，但不能指示對應現實時間的哪一秒，因此只能作為輔助訊號，與衛星導航資訊組合使用，提供低延遲、低抖動的授時服務。很遺憾，.NET 目前沒法直接操作 PPS 引腳，我們只能實現一個“玩具”級的時間同步伺服器了。

NTP 協議報文

NTP（Network Time Protocol），網路時間協議，是一種使用 UDP 的計算機之間進行時間同步的網路協議，位於 OSI 7 層網路模型中的應用層，預設使用的埠為 123。那麼使用 NTP 是如何進行時間同步的呢？簡單的說將傳送的報文打上本機的時間戳，配合報文來回傳輸的時延修正本機的時間。如下圖所示，可以計算出網路傳輸時延 \(\delta\) ，以及客戶端與服務端的時間偏移 \(\theta\) ：

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

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

其中， \(t_0\) 是請求報文傳輸的客戶端時間戳， \(t_1\) 是請求報文接收的伺服器時間戳， \(t_2\) 是回覆報文傳輸的伺服器時間戳， \(t_3\) 是回覆報文接收的客戶端時間戳。客戶端和服務端都有一個時間軸，分別代表著各自系統的時間，當客戶端想要同步服務端的時間時，客戶端會構造一個 NTP 報文傳送到服務端，客戶端會記下此時傳送的時間 \(t_0\) ，經過一段網路延時傳輸後，伺服器在 \(t_1\) 時刻收到報文，經過一段時間處理後在 \(t_2\) 時刻向客戶端返回報文，再經過一段網路延時傳輸後客戶端在 \(t_3\) 時刻收到伺服器報文。這樣客戶端就可以校準自己的本機時間了。

在瞭解 NTP 同步時間的過程後，下面解析 NTP 報文具體包含的欄位，一般的 NTP 報文長度為 48 位元組：

欄位 說明
LI 閏秒指示，2bit
Version NTP 版本，3bit
Mode 工作模式，3bit ，客戶端=0b011，伺服器=0b100
Stratum 時鐘層數，8bit，層數為 0 的裝置為高精度的時鐘（如原子鐘），層數為 1 的裝置與層數 0 的裝置直接相連，……
Poll Interval 輪詢時間，8bit，連續 NTP 報文之間的最大時間間隔
Precision 時鐘精度，8bit
Root Delay 根時延，32bit，表示在主參考源之間往返的總共時延
Root Dispersion 根離散，32bit，相對於主參考源的標稱誤差
Reference ID 參考源的標識，32bit，4 個字元或 IP 地址
Reference Timestamp 參考時間戳，64bit，本地時鐘最後一次被更新的時間

| Originate Timestamp | 原始時間戳 \(t_0\) ，64bit，客戶端傳送的時間 |

| Receive Timestamp | 接受時間戳 \(t_1\) ，64bit，服務端接受到的時間 |

| Transmit Timestamp | 傳送時間戳

\(t_2\)

，64bit，服務端傳送的時間 |

其中要注意的是 NTP 時間戳的起始時間是 1900-01-01 00:00:00 ，而不是 Unix 時間戳的起始時間 1970-01-01 00:00:00 。

下面是使用 Wireshark 抓取的 Windows 時鐘同步的 NTP 報文：

編寫程式碼

專案地址： https://github.com/ZhangGaoxing/gps-ntp

專案結構

建立一個控制檯應用和類庫，專案結構如下：

專案依賴

新增如下 NuGet 包引用：

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

配置串列埠讀取 GPS 資料

絕大部分 GPS 模組每秒會通過串列埠輸出 NMEA-0183 協議報文，因此我們只需要通過串列埠讀取需要的時間資料即可。此環節包含 3 個步驟：

$GPRMC

初始化串列埠

使用串列埠時最重要的屬性是波特率，請查閱對應 GPS 模組的資料手冊，這裡使用的 NEO-6M 模組的波特率是 9600。串列埠的名稱取決於你的連線方式，在 Linux 中串列埠對應的驅動檔案在 /dev 目錄下，使用內建串列埠可能的檔名稱為 ttySx ，使用 USB 串列埠可能的檔名稱為 ttyUSBx ，在 Windows 中串列埠的名稱為 COMx ，其中 x 表示的是數字編號。 

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

從串列埠中獲取資料

從串列埠中讀取資料時使用的是 SerialPort 類中的 DataReceived 事件。事件（event）可以理解為一種廣播，當完成某種操作後向外發送通知。即串列埠接收到資料後，觸發資料處理事件。 

gps.DataReceived += GpsFrameReceived;

/// <summary>
/// GPS 報文處理
/// </summary>
void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    // TODO：讀取 `$GPRMC` 資料幀；提取時間；更新系統時間
}

由於 GPS 模組輸出的不只有 $GPRMC 資料幀，因此需要在處理事件中判斷幀頭以及幀的有效性。 

void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    string frame = gps.ReadLine();

    if (frame.StartsWith("$GPRMC"))
    {
        // $GPRMC,UTC 時間,定位狀態,緯度,緯度半球,經度,經度半球,速度,航向,UTC 日期,磁偏角,磁偏角方向,指示模式*校驗和
        // $GPRMC,013717.00,A,3816.57392,N,10708.73951,E,0.467,,050722,,,A*78
        string[] field = frame.Split(',');

        // 幀資料有效
        if (!field[12].StartsWith("N"))
        {
            // TODO：提取時間；更新系統時間
        }
    }
}

在驗證 $GPRMC 資料幀有效後，根據幀解析提取對應欄位的時間資訊。 

void GpsFrameReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    string frame = gps.ReadLine();

    if (frame.StartsWith("$GPRMC"))
    {
        string[] field = frame.Split(',');

        if (!field[12].StartsWith("N"))
        {
            // 獲取 GPS 時間
            string time = field[1][0..6];
            string date = field[9];
            DateTime utcNow = DateTime.ParseExact($"{date}{time}", "ddMMyyHHmmss", CultureInfo.InvariantCulture);

            // TODO：更新系統時間
        }
    }
}

更新系統時間

由於 .NET 並不提供修改系統時間的操作，因此我們要使用間接的方式修改系統時間。一種方式是使用 P/Invoke 呼叫 C++ 的函式，這種方式可以精確的修改時間，但涉及引用、資料型別轉換，過於複雜，和本入門指南不符。這裡使用的是執行命令列指令的方式修改系統的時間，但修改時間的精度只能精確到秒。在 Windows 中使用 PowerShell 的 Set-Date 命令，在 Linux 中使用 date 命令。 

/// <summary>
/// 更新系統時間
/// </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();
}

最終報文處理事件由以下程式碼構成：

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);

            // 記錄時鐘最後一次被更新的時間
            lastUpdatedTime = utcNow;
        }
    }
}

使用 gps.Open(); 開啟串列埠後就可以獲取時間資料了。

實現 NTP 服務

下面使用 Socket 類實現一個簡單的 UDP 伺服器，用於監聽和回覆 NTP 報文。

初始化 UDP 服務

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

監聽和回覆 NTP 報文

在後臺新建一個程序用於監聽 NTP 請求報文：

new Thread(NtpFrameReceived)
{
    IsBackground = true
}.Start();

/// <summary>
/// NTP 報文接收與回覆
/// </summary>
void NtpFrameReceived()
{
    // 儲存接收到的 NTP 請求報文
    Span<byte> receiveFrame = stackalloc byte[48];

    while (true)
    {
        // 接收請求報文
        EndPoint clientPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
        ntpServer.ReceiveFrom(receiveFrame, ref clientPoint);
        DateTime receiveTime = DateTime.UtcNow;

        // TODO：回覆 NTP 報文
    }
}

根據幀解析生成 NTP 回覆報文：

/// <summary>
/// 生成 NTP 報文
/// </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];
    }

    // 本機時鐘最後更新時間
    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);

    // 接收報文時間
    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);

    // 傳送報文時間
    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();
}

最終報文請求與回覆由以下程式碼構成：

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;

        // 回覆 NTP 報文
        Span<byte> sendFrame = GenerateNtpFrame(receiveFrame, DateTime.UtcNow);
        ntpServer.SendTo(sendFrame, clientPoint);
        DateTime sendTime = DateTime.UtcNow;
    }
}

將上述程式碼進行整合就構成了基於 GPS 的 NTP 時間同步伺服器。

部署應用

釋出到檔案

  1. 切換到 GpsNtp 專案執行釋出命令： 
dotnet publish -c release -r linux-x64 --no-self-contained
GpsNtp

sudo chmod +x GpsNtp
  1. 執行程式
sudo ./GpsNtp

構建 Docker 映象

  1. 在專案的根目錄中建立 Dockerfile ，並將整個專案複製到 Linux 開發板中： 
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. 切換到專案目錄，構建映象：
docker build -t gps-ntp -f Dockerfile .
  1. 執行映象：
docker run --rm -it --device /dev/ttySx gps-ntp

程式執行後，使用 Windows 時間同步服務進行一下測試。

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