網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備設(shè)計

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)時間精度，在系統(tǒng)內(nèi)部分布式布設(shè)多臺GNSS授時網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議（NTP）時間服務(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)測評估就尤為重要。設(shè)計了一種NTP服務(wù)監(jiān)測模塊，其實現(xiàn)方式簡單、可靠性高，可實現(xiàn)遠程和一對多的NTP服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測，針對其工作性能進行了測試，驗證了NTP服務(wù)監(jiān)測設(shè)備的工作性能。

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

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?，一般采用服?wù)器/客戶端工作模式和分層式網(wǎng)絡(luò)體系，設(shè)備時鐘等級由時間服務(wù)器所處的層級決定，直接跟蹤衛(wèi)星參考源服務(wù)器等級（stratum）為“0”，伴隨時間服務(wù)器時間傳遞關(guān)系逐步增大，該層級結(jié)構(gòu)可分為15級，受信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、時間服務(wù)精度要求，一般不大于6級。

為評估系統(tǒng)時間運行情況，增強系統(tǒng)時間傳遞穩(wěn)定性，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)在線監(jiān)測設(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)航信號獲取時間，通過NTP時間同步協(xié)議實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部NTP服務(wù)器及NTP客戶端時間同步精度及網(wǎng)絡(luò)波動狀況，為系統(tǒng)故障監(jiān)測、恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。該設(shè)備可有效減少系統(tǒng)時間失步檢測時間、加快系統(tǒng)故障定位、故障恢復(fù)速度。

1 NTP網(wǎng)絡(luò)時間在線監(jiān)測原理

NTP是互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)時間同步的標(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)定的報文格式進行報文交互，并在記錄報文發(fā)送和接收時間戳信息，依據(jù)時間戳信息可計算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲與服務(wù)器、客戶端時間的偏差，客戶端可依據(jù)時間偏差修正自身時間，達到時間同步的目的。NTP協(xié)議報文交互過程如圖1所示。

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

網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備運行標(biāo)準(zhǔn)NTP協(xié)議棧，與標(biāo)準(zhǔn)NTP客戶端的區(qū)別是設(shè)備的時間基準(zhǔn)通過北斗導(dǎo)航接收機直接獲取，通過模仿NTP客戶端訪問網(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)測設(shè)備的時間偏差，同時將偏差值上報至上層軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)方案

網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(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、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)線上信號到GMII信號的接口轉(zhuǎn)換。MAC核、時鐘處理模塊、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，晶體振蕩器采用遠東通信公司生產(chǎn)的OC5SC20WS02恒溫晶振。

3實驗仿真

為檢測網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測不確定度，實驗使用齊微公司的KW2200網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器作為被測設(shè)備，采用網(wǎng)線直連進行了NTP數(shù)據(jù)監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)如圖3所示，通過數(shù)據(jù)處理分析可見，時間偏差的平均值為96.9μs，時間偏差的標(biāo)準(zhǔn)方差值為16.4μs，擴展不確定度為49.2μ。

為驗證網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備處理能力，使用5臺計算機安裝虛擬機模擬20臺NTP服務(wù)器工作，當(dāng)監(jiān)測頻度設(shè)置成1Hz時，通過24h烤機數(shù)據(jù)無丟包。

4結(jié)束語

本文針對網(wǎng)絡(luò)時間同步質(zhì)量評估，設(shè)計了一款網(wǎng)絡(luò)時間同步在線監(jiān)測設(shè)備，并構(gòu)建了實驗驗證環(huán)境對該設(shè)備時間監(jiān)測不確定度及同步監(jiān)測能力進行了實驗。實驗結(jié)果表明，該設(shè)備直連線監(jiān)測不確定度優(yōu)于100 us，最大同步可監(jiān)測數(shù)量達到20臺。可有效針對網(wǎng)絡(luò)時間同步狀況進行在線監(jiān)測，為故障定位、故障恢復(fù)提供監(jiān)測手段及數(shù)據(jù)支撐。