應用網絡時間協議的衛星綜合測試時間同步系統

史志敏 張鑫 王海英 魏振超

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

應用網絡時間協議的衛星綜合測試時間同步系統

史志敏 張鑫 王海英 魏振超

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

針對廣域網環境下衛星綜合測試系統存在的測試設備之間時間不同步問題，提出應用網絡時間協議（NTP）構建衛星綜合測試時間同步系統。該系統以NTP作為時間同步協議，以GPS或“北斗”導航設備終端作為高精度時間源，以用戶數據包協議（UDP）組播形式實現同網段內各測試設備之間的時間同步，以UDP客戶機/服務器形式實現跨網段測試設備之間的時間同步。文章提出的時間同步系統，可解決廣域網衛星綜合測試系統時間不同步問題，也能滿足綜合測試系統對時間精度的要求。

衛星綜合測試系統；時間同步；網絡時間協議

1 引言

為了滿足航天事業對衛星平臺和有效載荷發展提出的更多需求，我國建設了新的航天試驗驗證基地和發射基地。衛星綜合測試人員須要對位于研制、試驗、發射場所的衛星進行測試，因此有必要建立基于廣域網的衛星綜合測試系統，實現整星的遠程測試。在基于廣域網的衛星綜合測試系統中，測試設備分布在各個場所，容易導致測試設備之間時間的不一致問題，產生測試數據時間戳混亂，從而影響測試數據的存儲和測試結果的判讀。為保證綜合測試的正常進行，必須對整個衛星綜合測試系統進行時間同步，以實現廣域網狀態下各場所測試設備之間的時間一致。

我國現有衛星綜合測試系統是在局域網技術的基礎上構建的分布式系統，系統中采用客戶機/服務器模式的時間同步軟件完成局域網內各測試設備之間的時間同步功能。時間同步軟件系統應用用戶數據包協議（UDP）組播技術及自定義時間協議，實現同網段測試設備之間的時間同步。由于UDP組播常常會受到路由設備的限制，跨網段實現測試設備的時間同步需要專門的數據網關軟件支持。上述方式雖然可以實現時間同步信息在局域網上的傳遞，但是未考慮信息在網絡上的延遲問題，不適用于廣域網環境下測試設備之間的時間同步，因而須要采用新的技術手段解決廣域網環境下的綜合測試系統時間同步問題。

網絡時間協議（NTP）是廣泛應用于互聯網的時間同步標準協議，同時被應用于美國軍用設施中，如美國海軍天文臺應用包括NTP的一系列協議建設了網絡時間同步服務器，并向公眾開放［1］，美國海軍戰斗系統艦上時間同步系統采用NTP進行時間派發［2］。近年來，NTP在我國也被廣泛應用于銀行、電力［3］等行業中，并被研究應用于航天測控計算機系統［4］和裝備管理信息系統［5］中。

根據廣域網環境下衛星綜合測試系統的特點，本文提出構建應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統，以GPS或“北斗”導航衛星終端作為高精度時間源，可解決衛星綜合測試系統跨網段、跨地域的時間同步問題，同時能滿足綜合測試系統對時間精度的要求，實現廣域網的衛星綜合測試系統各測試設備之間的時間一致。

2 衛星綜合測試時間同步技術研究

2.1 NTP時間同步技術

根據適用范圍不同，目前采用的時間同步技術主要包括：GPS時間同步技術，短波授時和長波授時時間同步技術，電話撥號時間同步技術，數字數據網（DDN）專線時間同步技術，同步數字體系（SDH）網絡時間同步技術，以太網時間同步技術等［6］。基于網絡的時間同步協議包括：時間協議（Time Protocol）、日時協議（Daytime Protocol）、NTP，以及僅用于用戶端的簡單網絡時間協議（SNTP）和精確時間協議（PTP）。其中：時間協議和日時協議沒有考慮網絡延時，能表示到秒級。NTP是一種基于TCP/IP的時間傳遞協議，能實現毫秒級的時間精度。SNTP是精簡版的NTP［7］，主要對NTP涉及有關訪問安全、服務器自動遷移部分進行縮減，其理論精度為秒級。PTP是一個能夠在測量和控制系統中實現高精度時鐘同步的精確時間協議［8］，基于以太網的數據同步和管理，以及延時的自動校正等特點，具有亞微秒級同步精度，主要適用于本地網絡。由于新的衛星綜合測試系統是一個基于廣域網的分布式系統，地面測試設備均通過TCP/IP網絡進行連接，且考慮到衛星綜合測試系統測試設備對時間精度的要求，本文重點研究NTP應用技術。

NTP是一種同步網絡設備和服務器時鐘的動態、穩定和容錯的標準協議，實現因特網上高精確和健壯的時間同步服務［9］，最新的正式版本為 V4［10］。該協議可以獨立地估算同步信息包在網絡上的往返延遲及計算機時鐘偏差，實現局域網上同步時間與標準時間差小于1 ms，而廣域網上同步時間與標準時間差為幾十毫秒［11］。

NTP服務器通過組播、對等及客戶機/服務器3種方式與其他時間服務器或客戶機進行時間同步。組播方式主要適用于同一局域網的環境，時間服務器以組播方式將時間信息傳送給其他客戶機實現時間同步。對等方式適用于配置冗余的時間服務器，即同層的時間服務器之間可以互相作為時間服務器進行時間同步。客戶機/服務器方式適用于時間服務器與上層時間服務器的時間同步，并為下層同步客戶機提供時間同步服務。

NTP時間同步原理如下：在客戶機和服務器點對點連接情況下，客戶機向服務器發送同步請求時間包，服務器接收到請求包后向客戶機發送響應包。在這個過程中，記錄下請求包離開客戶機的時間戳T1和到達服務器的時間戳T2，以及響應包離開服務器的時間戳T3和到達客戶機的時間戳T4。設請求包和響應包在網上傳播的時間分別為δ1和δ2，客戶機與服務器之間的時鐘偏差為θ，數據包交換的往返延遲為δ，則

假設請求包和響應包在網上傳播的時間相同，即δ1=δ2，則可解得

因此，客戶機用T1，T2，T3，T4這4個時間戳就能夠計算出θ及δ這兩個關鍵參數。由式（2）可以看出，θ和δ只與T2-T1和T4-T3相關，而與T3-T2無關，即與服務器處理請求所需的時間無關。客戶機可通過計算出的時鐘偏差θ去調整客戶機的本地時鐘，使之與服務器時鐘同步。

2.2 基于廣域網的衛星綜合測試系統

基于廣域網的衛星綜合測試系統（見圖1）是在云計算技術基礎上建立的系統，是對現有局域網測試系統的一個擴展。基于廣域網的衛星綜合測試系統由位于衛星研制基地云測試服務中心的云計算服務器集群和云存儲集群、位于儀器設備間的測試設備、位于操作區的自動化測試實施設備和位于各場所測試工位的綜合測試前端設備組成，可實現測試建模與設計、遠程自動化測試、智能化判讀與故障檢測、綜合測試過程管理、測試數據集成與分析等功能。其中：云測試服務中心由刀片服務器、存儲設備及虛擬化管理軟件組成，為云計算和云存儲提供硬件資源，并采用虛擬化技術對硬件設備資源進行統一管理，將一臺硬件服務器虛擬化為多個可調度的服務器，供多個衛星測試服務器軟件共享使用。儀器設備間內部署各分系統后端專用或通用測試設備。測試操作人員通過自動化測試實施設備遠程控制綜合測試系統，以實現對各測試工位衛星的自動化測試。

基于廣域網的綜合測試系統分布于衛星研制區、衛星試驗區、衛星發射區等各處，容易產生各處測試設備之間時間不一致問題。因此，為保證衛星綜合測試工作能夠正常順利地進行，需要一個時間同步系統來保證各處測試設備之間時間一致。

圖1 基于廣域網的衛星綜合測試系統Eig.1 Satellite integration test system based on wide area network

2.3 應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統

由于NTP能夠實現因特網環境下精度達到幾十毫秒的時間同步能力，為保證基于廣域網的綜合測試系統能夠實現各測試設備之間的時間同步，并考慮到綜合測試系統對時間精度的要求，選擇NTP作為衛星綜合測試時間同步系統協議標準，并給出該時間同步系統的方案。

衛星綜合測試時間同步系統依托廣域網衛星綜合測試系統網絡和測試設備建立。整個系統網絡結構為樹狀層次結構，其網絡結構如圖2所示。在系統網絡中，時間同步服務器分為一級、二級和三級。根據同步網絡實際情況，時間服務器還可以繼續擴展到四級或五級，等等。

圖2 應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統網絡結構Eig.2 Net framework of satellite integration test time synchronization system based on NTP

在應用NTP的衛星綜合測試系統中，各測試設備之間的時間同步依據NTP標準進行。除一級同步服務器之外，每個同步服務器均以UDP組播的模式將時間同步信息發送給下一級時間同步客戶機，同時也能以UDP客戶機/服務器的模式實現上、下兩級時間同步服務器之間的時間同步。由于同網段內數據包傳輸的網絡延遲較小，在客戶機與服務器之間的時間同步時可以忽略，因此同網段內客戶機和服務器之間以UDP組播的形式進行。上、下級同步服務器之間的時間同步信息可能會跨越不同網段，因此這些服務器之間的時間同步須采用客戶機/服務器的模式，并以NTP時間同步原理為依據。在不同網段間時間同步時，客戶機向服務器發送同步請求時間包，記錄請求包離開客戶機的時間戳。當服務器接收到請求包時，記錄包到達的時間戳，生成響應包，并記錄響應包離開服務器的時間戳，然后再發送給客戶機。客戶機在接收到響應包時記錄當時的時間戳。最后，客戶機根據式（2）計算出客戶機與服務器的時間偏差，并以該偏差去調整客戶機的本地時鐘，實現客戶機和服務器之間的時鐘同步。

考慮到整個廣域網綜合測試系統網絡結構特征，以及衛星綜合測試的實際需求，本文的時間同步系統選擇綜合測試系統云測試服務中心的一臺計算機作為一級同步服務器。該服務器和一臺GPS或“北斗”導航系統的授時終端設備相連，授時終端設備作為時間源為一級同步服務器提供協調世界時（UTC），一級同步服務器將獲取的UTC時間轉化為北京時間，并提供給二級同步服務器。由于云測試服務中心各虛擬服務器均配置在同一個網段下并形成集群，因此可以選擇集群管理服務器作為一個二級同步服務器，集群中的其他成員均作為該二級同步服務器的客戶機。每個儀器設備間的測試設備均配置在同一個網段下，因此可以選擇一臺計算機作為一個二級同步服務器，該儀器設備間的其他測試設備均作為該二級同步服務器的客戶機。如果某儀器設備間的測試設備比較多，需要占用多個網段，那么該儀器設備間要根據網段配置多個二級同步服務器，為各自網段的測試設備提供時間服務。由于二級同步服務器較多會導致一級同步服務器負載過重，因此可以將一些網段配置為三級時間同步網絡。每個測試工位放置的前端測試設備，處在和儀器設備間設備及云測試服務中心各服務器均不相同的網段內，因此要為測試大廳各網段配置二級或三級時間同步服務器。

應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統基于軟件技術實現，如圖3所示，從軟件體系結構上看，可以劃分為三個層次三種類型。三個層次即一級同步服務器層、次級同步服務器層和同步客戶機層，三種類型的軟件包括一級同步服務器軟件、次級同步服務器軟件和同步客戶機軟件。次級同步服務器和同步客戶機均作為同一個上級同步服務器的時間同步節點，處于同一層次。三種軟件之間的時間信息流向由圖3中箭頭標示。

圖3 應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統軟件方案Eig.3 Software architecture of satellite integration test time synchronization system based on NTP

本文提出的應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統，依據基于廣域網的衛星綜合測試系統搭建，且具有和基于廣域網的衛星綜合測試系統類似的網絡層次結構。由于本文的時間同步系統的網絡環境和結構與互聯網環境相比相對獨立和簡單，數據傳輸路徑相對單一，因此不考慮對通信過程中網絡設備所造成的時間偏差進行校正，且時間同步服務器全部采用單一服務器的形式。

3 可行性與優勢分析

1）可行性分析

本文時間同步系統采用的NTP為成熟的網絡時間同步協議，在國外廣泛應用于互聯網軟件系統中，國內被銀行、通信、電力等各行業所采用，并被研究應用于航天測控計算機系統和裝備管理信息系統中，技術成熟度高。文中所采用的UDP，是網絡通信中的一個經常被采用的重要國際標準化組織（ISO）標準協議，且被現有綜合測試系統及網絡校時軟件所采用。另外，就軟件結構來說，本文所采用的客戶機/服務器型層次結構，能夠繼承現有綜合測試系統校時軟件的相關技術。綜上所述，建立應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統方案是可行的，能夠滿足廣域網條件下的綜合測試設備之間的時間同步要求。

2）優勢分析

應用NTP的衛星綜合測試時間同步系統，通過GPS或“北斗”導航設備終端獲取高精度時間信息，并將該時間信息作為時間源提供給廣域網綜合測試系統，能夠保證廣域網綜合測試系統時間源的精度。同時，以UDP組播形式實現同網段內各測試設備之間的時間同步，應用NTP時間同步原理并以UDP客戶機/服務器形式實現跨網段測試設備之間的時間同步，既考慮了系統運行的效率問題，又滿足了衛星綜合測試系統時間精確到毫秒的要求，可有效解決現有綜合測試系統校時軟件所不能實現的廣域網環境下綜合測試系統的時間同步問題。

4 結束語

基于局域網的測試設備網絡校時系統未考慮時間同步信息網絡延遲，無法滿足廣域網情況下測試系統的時間同步要求。為此，本文根據廣域網條件下衛星綜合測試系統的特點，提出了應用NTP構建衛星綜合測試時間同步系統。此系統首先從GPS或“北斗”導航衛星的終端設備獲得高精度時間，分別采用UDP組播方式及UDP客戶機/服務器方式，完成同網段內或跨網段測試設備之間的時間同步。該系統既能滿足衛星綜合測試系統時間同步信息的精度要求，同時又可解決廣域網環境下綜合測試系統的時間同步問題。

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（編輯：夏光）

Time Synchronization System of Satellite Integration Test Using NTP

SHI Zhimin ZHANG Xin WANG Haiying WEI Zhenchao
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

In order to resolve the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN（wide area net）environment，the paper puts forward a time synchronization system of satellite integration test based on NTP.This system uses NTP as time synchronization standard，and uses a GPS or Beidou navigation equipment as high precision time source.Time of test equipments in one net segment is synchronized by UDP group broadcast，and time of test equipments in different net segments is synchronized by UDP client/server.The system proposed can not only solve the problem of the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN environment，but also satisfy the time precision requirement of satellite integration test system.

satellite integration test system；time synchronization；network time protocol

V416.8

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.019

2014-06-18；

2014-09-29

國家重大航天工程

史志敏，女，工程師，從事衛星綜合測試工作。Email：iamtree@126.com。