時間同步在災難備份系統(tǒng)中的實現(xiàn)

楊艷波 魏 巍

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

自911以來，安全問題成為國內(nèi)外諸信息系統(tǒng)的關(guān)注點。從長遠發(fā)展以及確保其安全、連續(xù)和穩(wěn)定運行等方面考慮，建設信息系統(tǒng)災難備份中心以保證其數(shù)據(jù)安全和業(yè)務連續(xù)性，有利于增強抵御風險能力，提高服務水平。

按照GB/T20988規(guī)定[1]，災難備份中心是用于災難發(fā)生后接替主系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和支持關(guān)鍵業(yè)務功能運作的場所，可提供災難備份系統(tǒng)、備用的基礎(chǔ)設計和專業(yè)技術(shù)支持及運行維護管理能力。災難備份系統(tǒng)由數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、備用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和備用的網(wǎng)絡系統(tǒng)組成的信息系統(tǒng)。

災難備份系統(tǒng)建設的終極目標是實現(xiàn)“零數(shù)據(jù)丟失”、“業(yè)務無間斷連續(xù)運行”。要實現(xiàn)時間無間隙災難備份，高精度時間同步實現(xiàn)是必須考慮的問題。網(wǎng)絡測量與控制系統(tǒng)的精密時間同步標準-精密時間協(xié)議（Precision Time Protocol,PTP），可在網(wǎng)絡中不同設備間實現(xiàn)亞微秒級的同步精度。文章主要介紹基于PTP協(xié)議災備系統(tǒng)時間同步的具體實現(xiàn)。

2 時間同步原理

PTP基本原理的同步過程如圖1所示。

圖1 PTP同步過程圖

從時鐘偏移量的修正和傳輸時延的修正，需要用到4種報文：①同步報文Sync；②跟隨報文Follow_Up；③延時請求Delay_Req報文；④延時回應Delay_Resp報文[2]。主時鐘周期性地向網(wǎng)絡上廣播發(fā)送同步Sync報文，與此同時，主時鐘監(jiān)視上述同步報文實際發(fā)送的時間T1作為同步報文的精確時間戳，并在隨后的Follow Up報文中攜帶T1。網(wǎng)絡中的所有其它從時鐘在收到Sync同步報文后，首先記下報文的精確到達時間T2，然后在T3m時刻接收到Follow Up報文，從Follow Up報文中取出時間戳T1。

為了得到主從時鐘的傳輸時延，網(wǎng)絡中的所有從時鐘以單播方式向主時鐘發(fā)送延時請求Delay_Req報文，同時記錄該報文在網(wǎng)絡接口處的實際發(fā)送時間T3。主時鐘每次接收到延時請求報文時都會記下此報文的精確到達時間T4，并在隨后的Delay Resp報文中發(fā)送T4給相應的從時鐘，從時鐘接受到Delay Resp報文后，并取出時間戳T4。

Sync報文在主從時鐘的時間差為：

Delay_Req報文在從主時鐘的時間差為：

若系統(tǒng)鏈路對稱均勻，則主從時鐘間的偏移量TOffset和傳輸延遲TDelay為：

通過TOffset和TDelay修正從時鐘的本地時間，從而與主時鐘實現(xiàn)時間同步[3]。

3 時間同步技術(shù)方案

在災備系統(tǒng)中，需要時間同步的設備有若干計算機，被網(wǎng)絡設備和安全設備分隔成多個子網(wǎng)，呈網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。采用主從式算法[4]，如圖2所示。

圖2 容災系統(tǒng)主從算法原理圖

①主校時服務器位于根，與外部時間資源采用直接時間傳遞技術(shù)連接或利用本機的時鐘作為整個系統(tǒng)的時間基準。當進行時間同步時，主校時服務器的時鐘信號傳遞給子網(wǎng)校時服務器，子網(wǎng)校時服務器的時鐘信號傳遞給子網(wǎng)各設備；

②主校時服務器與子網(wǎng)校時服務基于PTP完成網(wǎng)絡時間標準的時間同步，子網(wǎng)校時服務與校時代理完成子網(wǎng)內(nèi)設備的時間同步。系統(tǒng)的時間同步全部采用軟件實現(xiàn)報文由報文頭、報文主體及擴展字段等部分組成，在以太網(wǎng)中，按照TCP/IP協(xié)議模型，數(shù)據(jù)報文封裝在UDP中；

③主校時服務器可選擇網(wǎng)絡中一臺性能高的機器，亦可獨立部署一臺高性能計算機。本方案中選擇獨立部署一臺微機服務器[5]，通過直連主交換機經(jīng)由主交換機與各子網(wǎng)交換機網(wǎng)絡連接。操作系統(tǒng)為Windows系統(tǒng)，安裝主校時服務軟件；

④子網(wǎng)校時服務選擇各子網(wǎng)中一臺負載較小機器，安裝子網(wǎng)校時服務軟件；

⑤其余設備均部署校時代理軟件。

4 軟件設計實現(xiàn)

容災備份系統(tǒng)時間同步軟件工作流程如圖3所示。

圖3 時間同步軟件工作流程

⑴主校時服務軟件與子網(wǎng)校時服務軟件的時間同步工作流程

①主校時服務軟件通過界面輸入（或外部接口）獲取標準時間源的標準時間，進行本地校時；②主校時服務軟件通過讀取System.DateTime的Now屬性，獲取本地時間；③主校時服務軟件生成主時鐘同步報文并發(fā)送；④主校時服務軟件生成主時鐘跟隨報文并發(fā)送；⑤子網(wǎng)校時服務軟件接收同步報文，記錄接收時間，解析報文內(nèi)容；⑥子網(wǎng)校時服務軟件接收主時鐘跟隨報文，解析報文內(nèi)容，獲取時間戳；⑦子網(wǎng)校時服務軟件獲取本地時間，生成并發(fā)送從時鐘延時請求報文；⑧主校時服務軟件接收延時請求報文；⑨主校時服務軟件獲取本地時間，生成延時回應報文并發(fā)送；⑩子網(wǎng)校時服務軟件接收延時回應報文，解析報文，子網(wǎng)校時服務軟件計算偏移量和傳輸時延，修正本地時間。

⑵子網(wǎng)校時服務軟件與校時代理軟件的時間同步工作流程

①子網(wǎng)校時服務軟件通過JNI接口，獲取本地時間，子網(wǎng)校時服務軟件生成主時鐘同步報文并發(fā)送；②子網(wǎng)校時服務軟件生成主時鐘跟隨報文并發(fā)送；校時代理軟件接收同步報文，記錄接收時間，解析報文內(nèi)容，校時代理軟件接收主時鐘跟隨報文，解析報文內(nèi)容，獲取時間戳；③校時代理軟件獲取本地時間，生成并發(fā)送從時鐘延時請求報文。子網(wǎng)校時服務軟件接收延時請求報文；④子網(wǎng)校時服務軟件獲取本地時間，生成延時回應報文并發(fā)送，校時代理軟件接收延時回應報文，解析報文，校時代理務軟件計算校正值，通過SetLocal-Time接口函數(shù)設置本地時間；⑤主校時服務軟件完成標準時間獲取、本地校時、本地時間獲取、同步報文生成、跟隨報文生成、延時回應報文生成、延時請求報文生成、報文發(fā)送等功能模塊；⑥子網(wǎng)校時服務軟件完成同步報文、跟隨報文、延時回應報文接收與解析、計算修正值、本地校時以及本地時間獲取、同步報文生成、跟隨報文生成、延時回應報文生成、延時請求報文接收及解析、報文發(fā)送等功能模塊；⑦校時代理軟件完成同步報文、跟隨報文、延時回應報文接收與解析、計算修正值、本地校時等功能模塊；⑧時間同步軟件系統(tǒng)按照10次/s的頻率周期進行處理[6]，對5個子網(wǎng)（其中一個子網(wǎng)邊界有阻隔措施）、42臺計算機進行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果為時間同步精度達到秒級，子網(wǎng)時間同步精度可達到0.1 s。

5 結(jié)束語

基于PTP協(xié)議進行容災備份系統(tǒng)時間同步設計實現(xiàn)，可以完成不同子網(wǎng)、不同設備的時間同步問題。且本項目中考慮實際局域網(wǎng)的子網(wǎng)分隔，進行主從算法時間同步，可以更好保證子網(wǎng)的時間一致性。

[1]G B/T 20988,信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)災難恢復規(guī)范[S].

[2]劉 高,金施群.基于I EEE1588協(xié)議的局域網(wǎng)精確時鐘同步研究[J].現(xiàn)代顯示,2012(135)：24-28.

[3]陳 宜,劉 偉,宜 鑫,等.I EEE1588時鐘同步技術(shù)在330kV延安變智能改造中的應用[J].信息系統(tǒng)工程,2012(8):98-100.

[4]賀 鵬,李 菁.計算機網(wǎng)絡時間同步技術(shù)研究[J].三峽大學學報,2003,25(4):319-323.

[5]雷小青.局域網(wǎng)統(tǒng)一授時系統(tǒng)的設想[J].信息與電腦,2012:72-73.

[6]徐海龍,羅雙喜.精密時間同步協(xié)議研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2012,33(7):2591-2595.