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：

串口 SerialPort 类的使用；
使用 Socket 类实现 UDP 的监听与回复；
在程序中使用 Process 类执行命令行指令；
了解 GPS 数据报文的 NMEA-0183 协议；
了解 NTP 协议报文。
在这里插入图片描述

硬件需求
电路
GPS 数据报文的 NMEA-0183 协议
NTP 协议报文
编写代码
项目结构
项目依赖
配置串口读取 GPS 数据
实现 NTP 服务
部署应用
发布到文件
构建 Docker 镜像
后续工作
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

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 $GPGG A 、$ GPGSA、 $GPGS V 、$ 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
$GP V TG 地面速度信息 34 由于我们只需要从 GPS 中获取时间信息，选择包含时间信息的 “$ 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,A78：

$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> 和 <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 δ，以及客户端与服务端的时间偏移 θ：

在这里插入图片描述

δ=(t3−t0)−(t2−t1)

θ=(t1−t0)+(t2−t3)2

其中，t0 是请求报文传输的客户端时间戳，t1 是请求报文接收的服务器时间戳，t2 是回复报文传输的服务器时间戳，t3 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 t0，经过一段网络延时传输后，服务器在 t1 时刻收到报文，经过一段时间处理后在 t2 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 t3 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 t0，64bit，客户端发送的时间 |
| Receive Timestamp | 接受时间戳 t1，64bit，服务端接受到的时间 |
| Transmit Timestamp | 传送时间戳 t2，64bit，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：

在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述

项目依赖
添加如下 NuGet 包引用：

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：

初始化串口；
读取 $GPRMC 数据帧的内容，提取时间信息；
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;

///
/// GPS 报文处理
///
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 PowerShell 的 Set-Date 命令，在 Linux 中使用 date 命令。

///
/// 更新系统时间
///
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();

///
/// NTP 报文接收与回复
///
void NtpFrameReceived()
{
// 存储接收到的 NTP 请求报文
Span 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：

///
/// 生成 NTP 报文
///
Span GenerateNtpFrame(Span receivedFrame, DateTime receiveTime)
{
Span 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 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
切换到 GpsNtp 项目运行发布命令：
dotnet publish -c release -r linux-x64 --no-self-contained
将发布后的文件通过 FTP 等方式复制到 Linux 开发板；
为 GpsNtp 文件增加可执行权限
sudo chmod +x GpsNtp
运行程序
sudo ./GpsNtp
构建 Docker 镜像
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”]
切换到项目目录，构建镜像：
docker build -t gps-ntp -f Dockerfile .
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。

在这里插入图片描述

基于 GPS 的 NTP 时间同步服务器

publish app

run app

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