一種改進(jìn)型網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議在TDCS/CTC系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張友鵬，張 珊，王 鋒，蘭 麗

(蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

時間的同步性和精確性在鐵路運(yùn)輸中占有十分重要的地位[1]。首先，調(diào)度指揮系統(tǒng)、供電遠(yuǎn)動系統(tǒng)、計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、TDCS/CTC系統(tǒng)、客運(yùn)旅客服務(wù)系統(tǒng)等均需要精確而同步的時間，尤其當(dāng)事故發(fā)生時，分析事故發(fā)生的原因極其重要。因為事故發(fā)生的先后時間順序是分析事故的基礎(chǔ)，只有具備精確而同步的時間才能正確分析出事故的原因。其次，鐵路系統(tǒng)需要一個精確而統(tǒng)一的時間來實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動性[2]。因此，時間同步對于鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)營以及行車安全具有非常重要的意義。

TDCS/CTC系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)中非常重要的組成部分，其工作狀態(tài)直接影響運(yùn)輸效率和行車安全。由于鐵路信號設(shè)備中各信號子系統(tǒng)均從TDCS/CTC系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時間信息，因此，TDCS/CTC系統(tǒng)的時間同步及其精度對于鐵路信號系統(tǒng)極其重要[3]。

由于時間同步機(jī)制在鐵路系統(tǒng)中一直未建立，傳統(tǒng)的TDCS/CTC系統(tǒng)校時方法大多依賴于機(jī)器自身的時鐘，人為修改時間、初始化時間不準(zhǔn)、運(yùn)行累計誤差、病毒等都會造成當(dāng)前系統(tǒng)的時間偏差，使得時間同步精度較低，難以滿足對于時間同步的要求[2，3]。因此，本文提出一種改進(jìn)型NTP協(xié)議對TDCS/CTC系統(tǒng)進(jìn)行時間同步，較好地解決了TDCS/CTC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時間同步問題。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁擠，網(wǎng)絡(luò)延遲明顯，且網(wǎng)絡(luò)往返延遲的不對稱性使系統(tǒng)誤差增大而影響同步精度的情況下，能夠滿足系統(tǒng)對于精度的要求。

NTP協(xié)議是一種用于使計算機(jī)時間同步化的協(xié)議，近年來被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)時間同步中。文獻(xiàn)[4]在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)往返延遲相等的基礎(chǔ)上采用NTP協(xié)議對控制系統(tǒng)進(jìn)行時間同步研究。文獻(xiàn)[5]對局域網(wǎng)環(huán)境下的NTP性能進(jìn)行測試，分析了系統(tǒng)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對NTP性能的影響。文獻(xiàn)[6，7]在采用NTP協(xié)議進(jìn)行時間同步時，提出采用冗余NTP服務(wù)器以保證大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的對時可靠性。本文基于以上研究提出了一種改進(jìn)型NTP，從提高同步精度的角度對TDCS/CTC系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 NTP協(xié)議簡介

NTP也稱作網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，由美國德拉瓦大學(xué)的MILLS D L教授提出，是用于將計算機(jī)客戶端或服務(wù)器端的時間同步到另一個服務(wù)器端或標(biāo)準(zhǔn)參考時間源的Internet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NTP協(xié)議不僅可以估算封包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲，而且還可獨立估算計算機(jī)的時鐘偏差，從而實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的高精度計算機(jī)校時[8，9]。

1.1 工作原理

NTP協(xié)議支持3種對時工作模式：主從模式Sever/Client Mode、廣播模式Multicast/Broadcast Mode、對稱模式Symmetric Mode，其精確對時主要是在主從工作方式下實現(xiàn)的[7]。NTP需要根據(jù)服務(wù)器端與客戶端接收和發(fā)送時間報文的時間來確定兩地的時間差值，以及時間報文在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的延遲[10]。

圖1 服務(wù)器和客戶端對時過程

( 1 )

T4-T3=δ2-θ

( 2 )

δ1+δ2=δ

( 3 )

式中：T1為客戶機(jī)發(fā)送時間請求信息包的時刻；T2為服務(wù)器收到時間請求信息包的時刻；T3為服務(wù)器響應(yīng)時間信息包的時刻；T4為客戶機(jī)收到響應(yīng)信息包的時刻；θ為客戶端和時間服務(wù)器之間的時間偏差；δ為對時過程中的網(wǎng)絡(luò)路徑延時。

假設(shè)客戶端到服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)延遲等于服務(wù)器端到客戶端的網(wǎng)絡(luò)延遲，則有

( 4 )

( 5 )

綜上可以求出

( 6 )

δ=(T4-T1)-(T3-T2)

( 7 )

1.2 NTP算法

NTP校時過程中會涉及到4個核心算法：濾波算法、選擇算法、合并算法和時間校正算法[8，9]。算法處理流程如圖2所示。

圖2 NTP算法處理流程

濾波算法是為了在和一個固定時鐘源進(jìn)行多次對時時，從多次對時結(jié)果中選出最佳時間偏差采樣值。選擇算法是從一組可對時的時鐘源里選出誤差較小、對時較精確的時鐘源。合并算法是將多個較精確時間源的最佳時間偏差值進(jìn)行加權(quán)合并，進(jìn)而得到最終的均值作為調(diào)整本地時間的偏差值[11]。時間校正算法是將最終得到的時間偏差值用于對本地客戶機(jī)時間的調(diào)整和校正[12，13]。

2 TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步

圖3為既有線TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步方案，圖4為客專CTC系統(tǒng)時間同步方案。

TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步采用三級主從同步組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一級時間同步節(jié)點設(shè)置在鐵路總公司調(diào)度中心，二級節(jié)點設(shè)置在各鐵路局調(diào)度所/客專調(diào)度所，三級節(jié)點設(shè)置在各站、段、所。每一級節(jié)點既可作為上一級節(jié)點的客戶機(jī)，又可作為下一級節(jié)點的時間服務(wù)器。采用主從同步模式，客戶機(jī)節(jié)點可以被服務(wù)器節(jié)點所同步，而服務(wù)器節(jié)點不能被客戶機(jī)節(jié)點所同步。鐵路信號系統(tǒng)其他子系統(tǒng)通過各接口服務(wù)器統(tǒng)一從TDCS/CTC系統(tǒng)獲取唯一的標(biāo)準(zhǔn)時間信息。

圖3 既有線TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步方案

如圖3所示，在鐵路總公司TDCS/CTC中心、鐵路局既有線TDCS/CTC中心設(shè)置衛(wèi)星授時儀，并設(shè)置高性能服務(wù)器作為TDCS/CTC中心時間服務(wù)器，中心時間服務(wù)器直接與衛(wèi)星授時儀進(jìn)行時間同步，是整個系統(tǒng)的一級時間源。中心時間服務(wù)器接收到時間信息后，向鐵路總公司TDCS/CTC中心所有應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、工作站等設(shè)備提供時間同步信息，并將時間信息傳送給鐵路局既有線TDCS/CTC中心。

在鐵路局既有線TDCS/CTC中心設(shè)置通信前置服務(wù)器作為車站設(shè)備時間服務(wù)器，在鐵路局中心接收到時間信息后，向所轄TDCS/CTC車站設(shè)備提供二級時間同步信息，進(jìn)而達(dá)到整個系統(tǒng)的時間同步。

客專CTC時間同步方案與既有線TDCS/CTC類似，如圖4所示。二者的不同點是在既有線鐵路局中心通過對外時鐘服務(wù)器向信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提供時間信息，而在客專路局中心除向信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提供信息外，還通過接口服務(wù)器向TSRS系統(tǒng)和RBC系統(tǒng)提供時間信息。

圖4 客專CTC系統(tǒng)時間同步方案

3 改進(jìn)型NTP協(xié)議

鐵路TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步關(guān)系到信號系統(tǒng)的正常運(yùn)營并直接影響/威脅行車安全，因此TDCS/CTC系統(tǒng)對于時間同步的精度要求較高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時，必然會使時間同步受到制約和影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)往返延遲不對稱誤差增大。因此為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)同步精度以更好地滿足TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步的實際需求，并能夠滿足當(dāng)未來列車速度進(jìn)一步提高時對于時間同步精度的要求，本文提出了一種改進(jìn)型NTP協(xié)議。

在進(jìn)行正常系統(tǒng)時間同步之前，增加對于服務(wù)器的篩選算法及重排序算法，使TDCS/CTC系統(tǒng)在進(jìn)行時間同步時，能夠?qū)崟r自主選擇性能最優(yōu)的時間服務(wù)器進(jìn)行同步，進(jìn)而提高時間同步精度。改進(jìn)后的NTP協(xié)議同步過程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)NTP協(xié)議同步算法實現(xiàn)過程

由圖5可知，系統(tǒng)在利用NTP協(xié)議原有核心算法進(jìn)行時間同步之前，先進(jìn)行服務(wù)器的篩選，形成時間服務(wù)器候選列表，再從候選列表中選出同步精度較高、穩(wěn)定性較好、網(wǎng)絡(luò)延遲較小的服務(wù)器形成本地服務(wù)器列表，然后對本地服務(wù)器列表重排序，選出性能較優(yōu)的服務(wù)器，為后續(xù)進(jìn)行濾波算法、選擇算法、合并算法做準(zhǔn)備。可以保證系統(tǒng)在同步過程中總能選擇到性能最佳的服務(wù)器，并與之同步，從而提高TDCS/CTC系統(tǒng)同步精度。

3.1 生成本地時間服務(wù)器候選列表

由于TDCS/CTC系統(tǒng)采用主從同步方式，因此只能是上級同步下級，而下級不能同步上級。客戶端對上一級時間服務(wù)器列表中的服務(wù)器進(jìn)行過濾篩選，選取其中可用的時間服務(wù)器，用以形成本地服務(wù)器候選列表。首先，客戶端向列表中的時間服務(wù)器發(fā)送時間同步請求報文，若能夠接收到時間響應(yīng)報文，則判斷該時間服務(wù)器為可用，將該服務(wù)器放入本地服務(wù)器候選列表；反之，若不能接收到時間響應(yīng)報文，則判斷該時間服務(wù)器為不可用，丟棄該時間服務(wù)器。其次，在進(jìn)行同步的過程中，還要對是否有新的時間服務(wù)器可供使用進(jìn)行判斷，并更新時間服務(wù)器候選列表。由于時間服務(wù)器列表中可能包含很多可用服務(wù)器，因此在進(jìn)行該篩選過程時會耗費(fèi)一些時間，但由于該篩選過程僅會在NTP服務(wù)初始化啟動時運(yùn)行，因此，加入篩選算法并不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其流程圖如圖6所示。

圖6 生成本地服務(wù)器候選列表流程圖

3.2 生成本地時間服務(wù)器列表

對上一級時間服務(wù)器列表進(jìn)行篩選，生成本地服務(wù)器候選列表后，按照本地同步策略再從本地服務(wù)器候選列表中進(jìn)行篩選，選出一些性能較好的時間服務(wù)器，生成本地服務(wù)器列表。

由于時間的準(zhǔn)確度通常與時間源的置入時間、固有誤差以及網(wǎng)絡(luò)往返時延等因素有關(guān)，因此在篩選出性能較好的時間服務(wù)器過程中，綜合考慮了時間源的固有誤差ε、置入時間t以及同步距離d等因素。為提高TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步精度，令以上3個參數(shù)的取值如下：ε<16；t<1 024 s；d<30 ms。若參數(shù)滿足以上要求，則將該服務(wù)器放入時間服務(wù)器列表，否則拋棄該時間服務(wù)器。圖7為生成本地服務(wù)器列表的流程圖。

圖7 生成本地服務(wù)器列表流程圖

客戶機(jī)首先讀取服務(wù)器候選列表，向候選列表中的服務(wù)器發(fā)送同步請求報文，候選列表中的服務(wù)器在收到請求報文后，向客戶機(jī)發(fā)送同步響應(yīng)報文，若接收不到響應(yīng)報文，則重新讀取服務(wù)器候選列表。根據(jù)客戶機(jī)和服務(wù)器接收及發(fā)送報文的時間信息，客戶機(jī)可以得出與該服務(wù)器的時間偏差值和網(wǎng)絡(luò)延時值等。根據(jù)時間源固有誤差ε、置入時間t以及同步距離d的值，對時間服務(wù)器候選列表中的服務(wù)器進(jìn)行篩選，將滿足條件的服務(wù)器放入本地時間服務(wù)器列表。將該列表按同步距離由小到大的順序排列，優(yōu)先選擇同步距離較小的服務(wù)器。生成本地服務(wù)器列表后則可進(jìn)行正常情況下的NTP同步操作，為下一步執(zhí)行濾波算法、選擇算法和合并算法做準(zhǔn)備。

4 仿真與分析

在OPNET軟件中建立TDCS/CTC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進(jìn)程模型，仿真TDCS/CTC系統(tǒng)的時間同步過程。

4.1 TDCS/CTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

TDCS/CTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖8所示。該網(wǎng)絡(luò)模型為三級結(jié)構(gòu)的三局十五站系統(tǒng)，第一級為鐵路總公司時間同步節(jié)點，第二級為鐵路局時間同步節(jié)點，第三級為各路局所管轄的車站時間同步節(jié)點。鐵路總公司和每個鐵路局分別包含4個時間服務(wù)器節(jié)點，管轄5個車站客戶機(jī)。由于TDCS/CTC系統(tǒng)在時間同步過程中，采用點對點方式傳送NTP時間信號[2]，因此，網(wǎng)絡(luò)模型中鏈路采用點對點的通信方式。

圖8 TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)模型

4.2 鐵路總公司節(jié)點模型和進(jìn)程模型

鐵路總公司節(jié)點模型和進(jìn)程模型如圖9、圖10所示。

圖9 鐵路總公司節(jié)點模型

圖10 鐵路總公司進(jìn)程模型

鐵路總公司節(jié)點的主要功能是作為鐵路局的時間服務(wù)器，收到的信息只能是鐵路局發(fā)送的時間同步請求報文信息。如圖9所示，鐵路總公司節(jié)點模型包含12個收信機(jī)trcv和12個發(fā)信機(jī)txmt，每個收信機(jī)用于接收一個鐵路局節(jié)點發(fā)送的NTP請求報文，而每一個發(fā)信機(jī)用于發(fā)送NTP響應(yīng)報文給相應(yīng)的鐵路局節(jié)點。

如圖10所示，鐵路總公司進(jìn)程模型包含兩種狀態(tài)，一種是初始化狀態(tài)init(設(shè)為強(qiáng)制狀態(tài))，一種是等待狀態(tài)idle(設(shè)為非強(qiáng)制狀態(tài))。當(dāng)進(jìn)行同步過程時，系統(tǒng)由init狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到idle狀態(tài)，等待由鐵路局發(fā)送的NTP請求報文，并記錄請求報文的到達(dá)時間以及響應(yīng)報文的傳送時間，即進(jìn)程模型中所對應(yīng)的TRCV_ARRVL條件滿足時，執(zhí)行rcv0()函數(shù)。若進(jìn)程異常接收到其他中斷，則狀態(tài)找不到轉(zhuǎn)移條件會導(dǎo)致出錯，因此創(chuàng)建了一個指向idle自身的default(其他條件不滿足則該條件滿足)轉(zhuǎn)移線。

4.3 鐵路局節(jié)點模型和進(jìn)程模型

鐵路局節(jié)點模型和進(jìn)程模型如圖11、圖12所示。鐵路局節(jié)點模型包含9個收信機(jī)，1個src0源模塊和9個發(fā)信機(jī)。其中：4個收信機(jī)和4個發(fā)信機(jī)用于和鐵路總公司節(jié)點通信，接收和發(fā)送NTP響應(yīng)報文和請求報文；另外5個收信機(jī)和發(fā)信機(jī)用于和該鐵路局所管轄的車站節(jié)點通信，接收和發(fā)送NTP請求報文和響應(yīng)報文；src0源模塊是用于鐵路局定時產(chǎn)生NTP請求報文。

鐵路局收到的信息有3種，第一種是來自鐵路總公司的響應(yīng)報文(在進(jìn)程模型中對應(yīng)為LTRCV_ARRVL)，收到該信息時，執(zhí)行rcv1()函數(shù)，記錄鐵路局接收NTP響應(yīng)報文的時間并計算鐵路局和鐵路總公司的時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時。第二種是來自車站的時間同步請求報文(在進(jìn)程模型中對應(yīng)為LCRCV_ARRVL)，收到該信息時，執(zhí)行rcv2()函數(shù)，發(fā)送響應(yīng)報文并記錄接收NTP請求報文和發(fā)送響應(yīng)報文的時間。第三種是來自鐵路局源模塊src0的定時時間請求報文(在進(jìn)程模型中對應(yīng)為SRC0_ARRVL)，收到該信息時，執(zhí)行xmt1()函數(shù)，將信息發(fā)送給鐵路總公司節(jié)點并記錄請求報文的發(fā)送時間。可見，鐵路局節(jié)點的主要功能有兩個，一個是作為鐵路總公司的客戶機(jī)，通過src0源模塊定時地向總公司發(fā)送請求報文并接收總公司發(fā)回的響應(yīng)報文，計算鐵路總公司與鐵路局之間的時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時；另一個是作為車站的服務(wù)器，接收并響應(yīng)車站的請求報文。

圖11 鐵路局節(jié)點模型

圖12 鐵路局進(jìn)程模型

4.4 車站節(jié)點模型和進(jìn)程模型

車站節(jié)點模型和進(jìn)程模型如圖13、圖14所示。車站節(jié)點模型共包括4個收信機(jī)，1個src1源模塊和4個發(fā)信機(jī)。4個收信機(jī)和4個發(fā)信機(jī)用于和鐵路局節(jié)點進(jìn)行通信，接收和發(fā)送NTP響應(yīng)報文和NTP請求報文；src1源模塊用于車站定時產(chǎn)生NTP請求報文。

圖13 車站節(jié)點模型

圖14 車站進(jìn)程模型

車站收到的信息有兩種，一種是來自鐵路局的響應(yīng)報文(進(jìn)程模型中對應(yīng)LCRCV1_ARRVL)，收到該信息執(zhí)行rcv3()函數(shù)，記錄車站接收響應(yīng)報文的時間并計算車站和鐵路局的時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時；另一種是來自車站src1定時向鐵路局發(fā)送的同步請求報文(進(jìn)程模型中對應(yīng)SRC1_ARRVL)。可見，車站節(jié)點的主要功能是作為鐵路局客戶機(jī)，通過src1模塊定時向鐵路局發(fā)送請求報文并接收鐵路局響應(yīng)報文，計算鐵路局與車站的時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時。

4.5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)定，TDCS/CTC系統(tǒng)時間同步間隔應(yīng)不超過5min[3]。同步間隔越小，同步精度越高，但同步間隔過小會引起網(wǎng)絡(luò)延時增加，擁塞程度加重，同步偏差值逐漸增加，造成時間同步困難[9]，因此設(shè)置合適的同步間隔對同步精度有較大影響。設(shè)置鐵路局src0模塊和車站src1模塊的發(fā)包間隔分別為1 min、2 min、3 min、4 min，并觀察總公司和鐵路局之間以及鐵路局和車站之間的網(wǎng)絡(luò)延時，設(shè)置仿真時間為15 h，得到的延時結(jié)果如圖15、圖16所示。

由圖15可知，當(dāng)src0間隔時間t0為1 min、2 min、3 min時，網(wǎng)絡(luò)延時峰值均約為550 ms，而當(dāng)t0為4 min時，網(wǎng)絡(luò)延時峰值約為440 ms，網(wǎng)絡(luò)性能良好，因此設(shè)置鐵路局每隔4 min向鐵路總公司發(fā)送一次同步請求。由圖16可知，src1間隔時間t1為1 min 和2 min時，網(wǎng)絡(luò)延時峰值均接近1 s，網(wǎng)絡(luò)擁塞程度嚴(yán)重，當(dāng)t1為3 min和4 min時，網(wǎng)絡(luò)峰值均為880 ms 左右且達(dá)到峰值的次數(shù)相差不大，因此，為了得到更精確的時間同步精度，設(shè)置車站每隔3 min向鐵路局發(fā)送一次同步請求。

圖15 鐵路總公司和路局之間的網(wǎng)絡(luò)延時

圖16 路局和車站之間的網(wǎng)絡(luò)延時

設(shè)置src0模塊每隔4 min向鐵路總公司發(fā)送時間請求報文，src1模塊每隔3 min向鐵路局發(fā)送時間請求報文，得出鐵路總公司和鐵路局之間(即上級)以及鐵路局和車站之間(即下級)的時間偏差值如圖17～圖20所示，對應(yīng)的偏差結(jié)果見表1。

圖17 NTP同步偏差(上級)

圖18 NTP同步偏差(下級)

圖20 改進(jìn)NTP同步偏差(下級)

表1 同步偏差結(jié)果 ms

由圖17、圖18可知，由于車站數(shù)量較多，會產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)延遲，因此，鐵路局和車站之間的時間偏差值較鐵路總公司和鐵路局之間的時間偏差值略大。由圖17～圖20可知，改進(jìn)后NTP協(xié)議時間偏差的抖動幅度較小，穩(wěn)定性較高。由圖17、圖19可知，鐵路總公司和鐵路局在使用改進(jìn)前的NTP協(xié)議進(jìn)行同步時，其時間偏差值最大約為700 ms，最小約為300 ms，平均為500 ms，使用改進(jìn)后的NTP協(xié)議進(jìn)行同步時，其時間偏差值最大約為610 ms，最小約為220 ms，平均為390 m，減小了110 ms。由圖18、圖20可知，鐵路局和車站在使用改進(jìn)前的NTP協(xié)議進(jìn)行同步時，其時間偏差值最大約為770 ms，最小約為350 ms，平均為550 ms，使用改進(jìn)后的NTP協(xié)議進(jìn)行同步時，其時間偏差值最大約為630 ms，最小約為250 ms，平均為425 ms，減小了125 ms。

5 結(jié)束語

對于TDCS/CTC系統(tǒng)，改進(jìn)后的NTP協(xié)議時間同步精度與原NTP協(xié)議相比有了較大提高。通過增加篩選算法以及重排序算法使得系統(tǒng)在進(jìn)行時間同步過程中可以選擇到性能最優(yōu)的服務(wù)器，進(jìn)而使得時間偏差減小了120 ms，明顯提高了系統(tǒng)的同步精度和穩(wěn)定性。

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