網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

辛鵬飛 張玉 王錚

摘要：在分布式電子信息系統(tǒng)中，為保障系統(tǒng)時(shí)間精度，在系統(tǒng)內(nèi)部分布式布設(shè)多臺(tái)GNSS授時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議（NTP）時(shí)間服務(wù)器，以保障服務(wù)精度、降低單一服務(wù)器壓力及增加系統(tǒng)可靠性。若NTP服務(wù)器出現(xiàn)時(shí)間異常、不響應(yīng)等故障，將直接影響系統(tǒng)工作狀態(tài)，因此網(wǎng)絡(luò)NTP服務(wù)器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)評(píng)估就尤為重要。設(shè)計(jì)了一種NTP服務(wù)監(jiān)測(cè)模塊，其實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和一對(duì)多的NTP服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，針對(duì)其工作性能進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了NTP服務(wù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作性能。

關(guān)鍵詞：NTP;在線監(jiān)測(cè);網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器;北斗授時(shí)

0引言

在信息系統(tǒng)中，由于NTP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)受信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、地理分布及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩赜绊懀话悴捎梅?wù)器/客戶端工作模式和分層式網(wǎng)絡(luò)體系，設(shè)備時(shí)鐘等級(jí)由時(shí)間服務(wù)器所處的層級(jí)決定，直接跟蹤衛(wèi)星參考源服務(wù)器等級(jí)（stratum）為“0”，伴隨時(shí)間服務(wù)器時(shí)間傳遞關(guān)系逐步增大，該層級(jí)結(jié)構(gòu)可分為15級(jí)，受信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、時(shí)間服務(wù)精度要求，一般不大于6級(jí)。

為評(píng)估系統(tǒng)時(shí)間運(yùn)行情況，增強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)間傳遞穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備布設(shè)至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，直接接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)獲取時(shí)間，通過(guò)NTP時(shí)間同步協(xié)議實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部NTP服務(wù)器及NTP客戶端時(shí)間同步精度及網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)狀況，為系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)、恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。該設(shè)備可有效減少系統(tǒng)時(shí)間失步檢測(cè)時(shí)間、加快系統(tǒng)故障定位、故障恢復(fù)速度。

1 NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)原理

NTP是互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，目前應(yīng)用較為廣泛的有NTPv3協(xié)議（RFC 1305）、NTPv4協(xié)議（RFC 5905）和SNTP協(xié)議（RFC 1769），其中NTPv4協(xié)議兼容NTPv3與SNTP協(xié)議。NTP服務(wù)器與NTP客戶端間依據(jù)NTP協(xié)議規(guī)定的報(bào)文格式進(jìn)行報(bào)文交互，并在記錄報(bào)文發(fā)送和接收時(shí)間戳信息，依據(jù)時(shí)間戳信息可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲與服務(wù)器、客戶端時(shí)間的偏差，客戶端可依據(jù)時(shí)間偏差修正自身時(shí)間，達(dá)到時(shí)間同步的目的。NTP協(xié)議報(bào)文交互過(guò)程如圖1所示。

同步過(guò)程由客戶端發(fā)起，客戶端向NTP服務(wù)器發(fā)送NTPclient報(bào)文，并記錄報(bào)文發(fā)送時(shí)間T1，服務(wù)器接收?qǐng)?bào)文時(shí)，同時(shí)記錄報(bào)文接收時(shí)間戳T2，處理后發(fā)出NTP Servcr報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間戳T3，將T2、T3填入NTP server報(bào)文發(fā)送至客戶端，客戶端記錄報(bào)文接收時(shí)間戳T4，T為主從時(shí)鐘間時(shí)間偏差量，Delaya、Delay為主從報(bào)文傳輸時(shí)延，可由以上時(shí)間戳建立如下方程：

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)NTP協(xié)議棧，與標(biāo)準(zhǔn)NTP客戶端的區(qū)別是設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)通過(guò)北斗導(dǎo)航接收機(jī)直接獲取，通過(guò)模仿NTP客戶端訪問(wèn)網(wǎng)內(nèi)的NTP服務(wù)器及客戶端獲取鐘差及路徑延遲作為被監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)間偏差，同時(shí)將偏差值上報(bào)至上層軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備總體架構(gòu)如圖2所示，包括以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)物理層芯片、天線、北斗接收機(jī)、FPGA芯片、恒溫警惕振蕩器、DA轉(zhuǎn)換器及電源等。

設(shè)備有1000BASE-X光接口、1000BASE-T電接口2種，具備1000 M/100M/10M自適應(yīng)能力。以太網(wǎng)物理層芯片采用MARVELL公司的88E1512-NNP2芯片，該芯片完成網(wǎng)絡(luò)線上信號(hào)到GMII信號(hào)的接口轉(zhuǎn)換。MAC核、時(shí)鐘處理模塊、ARM核均集成在FPGA芯片內(nèi)部，F(xiàn)PGA芯片采用xilinx公司的ZYNQ系列XC72020芯片，晶體振蕩器采用遠(yuǎn)東通信公司生產(chǎn)的OC5SC20WS02恒溫晶振。

3實(shí)驗(yàn)仿真

為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)不確定度，實(shí)驗(yàn)使用齊微公司的KW2200網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器作為被測(cè)設(shè)備，采用網(wǎng)線直連進(jìn)行了NTP數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析可見(jiàn)，時(shí)間偏差的平均值為96.9μs，時(shí)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)方差值為16.4μs，擴(kuò)展不確定度為49.2μ。

為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備處理能力，使用5臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝虛擬機(jī)模擬20臺(tái)NTP服務(wù)器工作，當(dāng)監(jiān)測(cè)頻度設(shè)置成1Hz時(shí)，通過(guò)24h烤機(jī)數(shù)據(jù)無(wú)丟包。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步質(zhì)量評(píng)估，設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境對(duì)該設(shè)備時(shí)間監(jiān)測(cè)不確定度及同步監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備直連線監(jiān)測(cè)不確定度優(yōu)于100 us，最大同步可監(jiān)測(cè)數(shù)量達(dá)到20臺(tái)。可有效針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為故障定位、故障恢復(fù)提供監(jiān)測(cè)手段及數(shù)據(jù)支撐。