汽车电子 -- 时间同步

时间同步有两种形式，一种是NTP的网络校准时间，一种是可以CAN通信的时间同步。

一、NTP时间同步

参看：什么是NTP？
参看：NTP协议详解及C语言实现

网络时间协议NTP（Network Time Protocol）是TCP/IP协议族里面的一个应用层协议，用来使客户端和服务器之间进行时钟同步，提供高精准度的时间校正。NTP服务器从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC，客户端再从服务器请求和接收时间。

1、为什么时钟同步很重要？

出于诸多原因，精确的时间对于网络至关重要，比如：

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。
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。
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。
因此有一个统一的标准时间对于网络而言意义重大。

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。

2、NTP同步原理

NTP最典型的授时方式是Client/Server方式，如下图所示。
在这里插入图片描述
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;
1. 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；
1. 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：
NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。
在这里插入图片描述
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。

3、NTP 的数据格式

NTP 定义了两种数据格式：时间戳（timestamp）和日期戳（datestamp）。它们分别提供不同范围的时间表示法。

时间戳长 64 位，前 32 位表示从时代起点（era epoch，目前起点为 1900/1/1 00:00:00）开始的秒数，后 32 位表示秒数的小数部分。这样的时间表示具有 232 皮秒（即 232×10-12 秒）的精度。但这种表示法只能表示有限范围内的时间，因此时间戳存在一个 136 年的周期，一个周期称为一个 NTP 的时代（era）。下一个时代的起点在 2036 年。
在这里插入图片描述

日期戳长 128 位，前 32 位表示时代编号（从 0 开始），后 96 位是一个时间戳，分别为 32 位的秒数和 64 位的小数部分。容易发现，日期戳能表示的时间范围更广，精度也更高，它的跨度长于宇宙的年龄，精度小于光通过一个原子的时间。

时间戳常用于通信时的数据包中，而日期戳一般只在实现内部使用。

扩展：

几个时间相关的概念

GMT时间： Greenwich Mean Time，格林尼治平时，又称格林尼治平均时间或格林尼治标准时间。是指位于英国伦敦郊区的皇家格林尼治天文台的标准时间。
GMT存在较大误差，因此现在已不再被作为标准时间使用。现在的标准时间，是由原子钟报时的协调世界时（UTC）
UTC时间： Universal Time Coordinated，中文名称：世界标准时间或世界协调时。
UTC时间可以理解为全世界都公用的一个时间。它实际上反映了一种约定，即为全世界所认可的一个统一时间，而不是某特定地区的时间。
中国人常用的北京时间比UTC时间快8个小时。也即UTC时间凌晨0点时，北京时间已经是早上8点，这就是为啥全世界人往往不直接用UTC时间计时原因。
CST时间： China Standard Time，即中国标准时间。在时区划分上，属东八区，比协调世界时早8小时，记为UTC+8。
UNIX时间戳（timestamp）： 计算机中的UNIX时间戳，是以GMT/UTC时间1970-01-01T00:00:00为起点，到当前具体时间的秒数(不考虑闰秒)。这样做的目的，主要是通过“整数计算”来简化计算机对时间操作的复杂度。

UTC时间和UNIX时间戳转换工具：
在这里插入图片描述
这部分之前都写了好几篇文章了。
参看：STM32开发 – UTC、UNIX时间戳、北京时间之间的转换