空管自動化系統中NTP服務優化探究

孟祥玉

一 引言

空管自動化系統為民航空管部門的核心，可為管制員提供準確的信息、幫助提高整體空域的可視性、加強與飛行員之間溝通效率。而對空管自動化系統而言，精確可靠的時鐘源是系統進行數據采集監測、航跡計劃分析處理的基礎，是各系統安全運行的重要組成部分。

目前烏魯木齊空管中心所使用的自動化系統為南京萊斯公司所研發的NUMEN3000自動化系統，其所引接的時鐘源信號為北京東進公司生產的MTS620D系列網絡時間服務器。因此本文將基于對NTP協議工作原理、NTP服務器工作方式和NTP 的網絡結構的認識，并以NUMEN3000自動化系統為例進行探究并提出相應優化方案。

二 工作原理

若計算機不引接外部時鐘源，而以BIOS內部的晶振為主要的時間依據，其晶振實際頻率是受外界多種因素（溫度、電壓、老化等）影響，對于任何晶振其實際工作頻率都是不穩定統一的。經過一段時間的積累，各類計算機將會出現較大的時間偏差，且在一定范圍內很難保證各計算機之間的時間是同步的。因此在1985年由美國德拉瓦大學的DavidLMils提出一種在網絡范圍內使不同的計算機維持相同時間通信協議。NTP網絡時間協議（Network Time Protocol，簡稱NTP），其采用規定的端口123作為其端口號，并采用TCP/IP中UDP方式進行數據通信。其最終目的是將網絡內各個計算機的時間同步至協調世界時（Universal Time Coordinated，UTC）。

其同步工作原理大致為：在內部網絡中客戶端A向時鐘服務器B發送查詢請求時間包，該請求包中有離開客戶時的時間戳 T1，以客戶端A時間系統為參照。當時鐘服務器B接收到該請求包時，依次填入該包到達的時間戳 T2 以及離開時的時間戳 T3，之后返回給客戶端A，以時鐘服務器B時間系統為參照。客戶端A在接收到響應包時再填入包，回到客戶端A的時間戳，以客戶端A時間系統為參照。客戶端A利用這4 個時間戳就能夠計算出兩個關鍵的參數：數據包交換的往返延遲η，以及客戶端與服務器之間的時鐘偏差。

客戶端A通過上述參數后即可對本地時鐘進行補償。再通過計算獲得其中偏差后，對計算結果進行統計，經過多次采樣后，對時間源（NTP服務器）進行分析比較，選擇時間穩定度高的作為可信時間源，經過濾波處理，消除網絡引起的時間波動，當客戶計算機時間大于128毫秒時，采用設置當前時間T+ 平均offset進行step對時。在小于128毫秒時，以服務器時間為基準，對客戶計算機的時間晶體振蕩器進行測量，得出和服務器間的頻率偏差，使用操作系統提供的時鐘控制電路，對時間頻率進行修正，保持和服務器同步。

三 自動化系統中的時鐘同步

3.1系統時鐘同步方案

空管自動化時鐘同步整體由NTP時間網絡系統構成，其包括時間參考源、一級節點核心時間服務器、二級節點時間服務器、三級節點需要時間統一的服務器、計算機終端及網絡設備。其中NTP時間服務器和各種需要時間同步的計算機和網絡終端設備通過以太網互連，使用TCP/IP協議通信，通過NTP或SNTP協議實現時間同步。NTP時間網絡的授時精度在局域網內一般1毫秒至10毫秒。

一級時間服務器為系統核心節點，其通過接受GPS天線接收GPS衛星發送的協調世界時（UTC）信號作為外部時間基準信號，輸出時間精度為 0.1μ S的1PPS（即1Pulse Per Second）脈沖。并通過 RS232串行口向服務器中心處理單元輸送國際標準時間、日期和接收單元所處地理位置（經緯度）等信息。相關信息經過中心處理單元處理后，發送對時報文。對時報文以每秒1幀的輸出頻率，通過RJ45網口形式向下級節點輸送NTP網絡對時信號。

二級節點為區管中心SDP（監視數據處理）服務器，該節點通過網口與時鐘服務器直連，采用NTP協議將該服務器系統時間與一級節點進行對時校準。

三級節點為空管自動化系統內各服務器工作站主機，其通過局域網核心交換機與二級節點相連接。在系統整體設計上第n+1層的機器向第n層的機器請求同步，第0層的機器與高精度計時設備相連。在使用時，客戶機的NTP服務可以使用冗余服務器和多條網絡路徑來獲得時間的高準確性和高可靠性，即使客戶機在長時間無法與某一時間服務器相聯系的情況下，仍有備份冗余節點服務器可提供高準確度時間。

3.2節點配置方案及優化

一級節點網絡時間校時模塊出廠IP地址為192.168.0.5。將用于校時模塊參數設置的客戶端計算機設為與一級節點相同的網段，在 windows 的 run 菜單里輸入“telnet 192.168.0. 5 9999"進行遠程設置。進入設置界面輸入初始密碼，選擇服務器配置，并設置一級節點規劃的的IP地址、子網掩碼及廣播地址，最后保存配置方案并退出。

選擇空管自動化系統SDP（監視數據處理）服務器作為系統的二級節點，進入二級節點客戶端linux系統，選擇root用戶登錄。使用vim編輯器打開/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并將規劃的一級節點時鐘服務器IP填入文件。其后使用命令servicentpdstop命令停止二級節點服務器ntp服務，使用ntpdate命令將二級節點強制向一級節點立刻對時校準，其后使用servicentpdrestart 命令恢復二級節點ntp服務。配置系統時間同步，但服務器工作站系統硬件晶振時間并未更新，當各種原因導致和一級時間服務器間的網絡斷開后，系統利用晶振時間保持時間統一。因此可采取固定每日特定時間將服務器硬件時間刷新為對時后的系統時間此種優化方案，來保持服務器工作站系統硬件時間同步。

添加系統定時處理任務，撰寫crontab系統定時腳本，使用hwclock -systohc命令將二級節點的系統硬件時間進行同步刷新至最新網絡協調時。當采取上述優化后，系統將在每日特定時間進行硬件時間刷新。三級節點各服務器工作站亦修改/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并將規劃的二級節SDP服務器IP填入文件，并更改系統定時腳本，刷新各自系統硬件時間。在完成上述配置后，登錄一級節點，使用/home/bin/zlcmd腳本執行ntpq命令，查看系統時鐘整體同步情況。

四結語

通過搭建NTP協議的時鐘同步網，可消除空管自動化系統各計算機因晶振時鐘、及人為原因手動校時的差錯，使本系統內部網絡中各計算機設備的時間同步，保證了全網時鐘信息的精確統一。因此大幅度提高了系統內部各信息流轉的時效性和記錄的和準確性。

參考文獻

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