民航通信網(wǎng)的授時服務(wù)

趙可欣

（中國民用航空華北地區(qū)空中交通管局通信網(wǎng)絡(luò)中心 北京市 100621）

民航通信網(wǎng)是覆蓋民航局、地區(qū)管理局、監(jiān)管局，民航空管系統(tǒng)，民航運輸機場及航空公司的專用通信網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)華北地區(qū)雷達(dá)、甚高頻和ADS_B等空管業(yè)務(wù)的接入。

民航通信網(wǎng)系統(tǒng)包括核心服務(wù)器、匯聚服務(wù)器及信號接入設(shè)備。由于民航通信網(wǎng)在設(shè)計之初，并未設(shè)置統(tǒng)一的授時服務(wù)器，民航通信網(wǎng)網(wǎng)管監(jiān)控系統(tǒng)提示告警信息的時間只能是各臺站接入設(shè)備內(nèi)部時鐘的時間。在排查故障時，值班人員只能根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)提示的告警時間與實際時間的差值來推算故障準(zhǔn)確時間，不利于設(shè)備故障的定位和排查，增加了民航通信網(wǎng)系統(tǒng)的運行維護成本。為了提高民航通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運維服務(wù)質(zhì)量，縮短故障響應(yīng)時間，使各類空管業(yè)務(wù)能夠更加平穩(wěn)的運行，需要在網(wǎng)絡(luò)中引入獨立的授時服務(wù)器，為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備提供準(zhǔn)確的時鐘信號。

1 同步時鐘系統(tǒng)簡介

北京地區(qū)節(jié)點的MTS620D同步時鐘系統(tǒng)建成于2018年4月，曾經(jīng)主要應(yīng)用于通過室外天線對HCT8810儀表進行校時。該系統(tǒng)采用了完全模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、時間信息和管理信息的網(wǎng)絡(luò)化和多時間源輸入工作方式，為網(wǎng)絡(luò)中的計算機進行NTP網(wǎng)絡(luò)授時，同時還支持UDP時間廣播、SNMP網(wǎng)管等功能。

同步時鐘系統(tǒng)的時間源可分為兩類，一類為來自設(shè)備自帶功能模塊接收的衛(wèi)星時間源，如美國的GPS、中國的北斗。另一類是來自其它校時設(shè)備的時間源。前者稱為自接收時間源，后者稱為外接時間源。外接時間源可以是接入的串口信號，IRIG-B（B碼）信號，或來自網(wǎng)絡(luò)的NTP時間信號等。外接時間源的精度取決于時間源供給設(shè)備，自接收時間源精度取決于接收模塊中衛(wèi)星接收板的精度。

所有時間源的數(shù)據(jù)更新周期為1秒。如果外接時間源的數(shù)據(jù)更新周期不為1秒，則對應(yīng)的接收模塊會將其轉(zhuǎn)換為1秒。當(dāng)同步時鐘系統(tǒng)的所有時間源都丟失時，設(shè)備會使用自帶的原子鐘或高精度晶體震蕩電路，維持時間的輸出，這一功能稱為守時。因衛(wèi)星接收電路存在著氣候影響和電磁干擾等因素。它很難保證長時間的接收穩(wěn)定性。所以原則來講，所有的無線接收時間源都應(yīng)與守時電路配合使用。當(dāng)同步時鐘系統(tǒng)的時間源有效時，當(dāng)前使用的時間源會同時對原子鐘或高精度晶體振蕩器進行校準(zhǔn)，直至所有時間源丟失。

守時電路為同步時鐘系統(tǒng)提供了一個內(nèi)部振蕩器，這使設(shè)備同時可以對時間源的精度進行測量。因同步時鐘系統(tǒng)并非專用的時間源測試設(shè)備，所以對時間源的監(jiān)測功能只限于在時間源明顯存在問題時采取相應(yīng)措施。

2 NTP授時的可行性

NTP是用于網(wǎng)絡(luò)中時間同步的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其用途是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間同步到某一時間標(biāo)準(zhǔn)。

NTP以GPS時間代碼傳送的時間消息為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用了Server/Client結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的靈活性，可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。NTP不僅能夠矯正現(xiàn)行時間，而且可以持續(xù)跟蹤時間的變化并自動進行時間調(diào)節(jié)，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，也能維持時間的穩(wěn)定。

2.1 NTP工作原理

NTP有兩種不同類型的報文，一種是時鐘同步報文，封裝在UDP報文中。另一種是控制報文，對于時鐘同步功能來說并不是必需的。

圖1：授時系統(tǒng)整體功能框架

NTP的每次通信過程，需要2個UDP數(shù)據(jù)包?？蛻舳税l(fā)送一個請求數(shù)據(jù)包，服務(wù)器接收后回復(fù)一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包，2個數(shù)據(jù)包都帶有時間戳。NTP根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)包攜帶的時間戳來確定時間誤差。在傳輸數(shù)據(jù)包時，有客戶端和服務(wù)器一對一的P2P方式，還有多個客戶端對一臺服務(wù)器的廣播/組播方式。兩者工作原理基本相同。處于兩種方式下的客戶端在初始時和服務(wù)器進行類似P2P的簡短信息交換，據(jù)此對往返延時進行量化判斷。此后廣播/組播客戶端只接收廣播/組播消息，并根據(jù)第一次信息交換的判斷值來修正時間。

在廣播/組播方式下，一臺授時服務(wù)器可以為民航通信網(wǎng)中的所有客戶端（即核心、匯聚服務(wù)器，接入/落地設(shè)備）提供時鐘信號。

2.2 NTP的技術(shù)優(yōu)勢

NTP采用UDP協(xié)議，端口號設(shè)定為123。由于占用的網(wǎng)絡(luò)資源開銷和通信帶寬相對較小，在民航通信網(wǎng)內(nèi)和眾多接入設(shè)備與匯聚、核心服務(wù)器進行授時服務(wù)通信時，不會占用民航通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，有利于避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。NTP數(shù)據(jù)包的凈長度在網(wǎng)絡(luò)層僅為76～84字節(jié)。如果通信方式設(shè)置為廣播模式，服務(wù)器以固定的間隔向客戶端廣播發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，通信間隔可在指定的范圍內(nèi)變化（64秒～1024秒），同步情況越好，時間間隔也會相應(yīng)增長。

3 同步時鐘系統(tǒng)為民航通信網(wǎng)進行授時的接入方式

北京地區(qū)節(jié)點同步時鐘系統(tǒng)采用的模塊化結(jié)構(gòu)，是指類似于工業(yè)PC機一樣的母板和插卡式結(jié)構(gòu)。同步時鐘的所有功能，被分為不同的功能模塊由母板將它們連接起來構(gòu)成完整的設(shè)備。設(shè)備的相關(guān)功能板卡可提供1路100M NTP網(wǎng)口輸出提供NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議輸出。此外，MTS620D同步時鐘系統(tǒng)還具有簡潔的觸摸屏操作界面，可直接對相關(guān)功能板卡進行配置，配置的IP地址作為授時服務(wù)器地址使用。

民航通信網(wǎng)的網(wǎng)管交換機為三層交換機，可以實現(xiàn)端口VLAN劃分的功能。配置完畢后，NTP服務(wù)器就可以接入到民航通信網(wǎng)中。

3.1 直接接入

NTP授時服務(wù)器地址配置完畢后，可將相關(guān)功能板卡用網(wǎng)線直接接入民航通信網(wǎng)網(wǎng)管交換機，通過廣播方式實現(xiàn)授時功能。

3.2 劃分VLAN接入

但是，如果采用簡單的廣播方式授時，NTP服務(wù)器和民航通信網(wǎng)的各個設(shè)備將處于同一廣播域。當(dāng)NTP服務(wù)器通過發(fā)送廣播幀的方式對民航通信網(wǎng)中的各臺設(shè)備進行授時，由于民航通信網(wǎng)本身設(shè)備較多，二層廣播流量的增長會影響到網(wǎng)絡(luò)的運行效率。且今后隨著民航通信網(wǎng)的擴展，廣播流量的問題會愈加突出。

既要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)授時，又要避免廣播流量產(chǎn)生的問題，需要將NTP授時服務(wù)器和民航通信網(wǎng)設(shè)備分別配置成不同的網(wǎng)段，進行廣播域隔離。VLAN技術(shù)可將一個物理局域網(wǎng)在邏輯上劃分成多個廣播域，即多個VLAN，不同VLAN之間的設(shè)備處于不同的廣播域，不能直接實現(xiàn)二層互通。這樣，NTP服務(wù)器發(fā)出的廣播報文就被限制在自身的VLAN中，不但減輕了民航通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)壓力，同時也提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

4 技術(shù)原理簡介

VLAN技術(shù)即虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network)，是一種將物理局域網(wǎng)在邏輯上劃分成不同網(wǎng)段的技術(shù)，每個邏輯網(wǎng)段(VLAN) 相當(dāng)于一個小型局域網(wǎng)，在同一個VLAN中的設(shè)備可以通過傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換技術(shù)實現(xiàn)通信，不同VLAN的設(shè)備之間的通信需要通過三層交換機或路由器等網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備才能實現(xiàn)。

為適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)場景和需求，民航通信網(wǎng)網(wǎng)管交換機采用的華為交換機定義了三種接口類型，分別是Access接口、Trunk接口和Hybrid接口（缺?。?，這三種接口連接的對象以及對收發(fā)數(shù)據(jù)幀的處理都不同。

針對民航通信網(wǎng)和同步時鐘系統(tǒng)自身的特點，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（核心服務(wù)器、匯聚服務(wù)器、接入設(shè)備）位置比較固定，可以根據(jù)交換機的端口編號來劃分VLAN，將交換機的單個或多個接口劃分到某一個VLAN，這些接口可以不連續(xù)，甚至可以位于不同的交換機上；交換機的Access接口只能被劃分到一個VLAN中，而Trunk和Hybrid 接口可以被劃分到多個VLAN 中。當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀進入交換機時，如果沒有攜帶VLAN 標(biāo)簽，該數(shù)據(jù)幀就會被打上接口缺省VLAN的標(biāo)簽，然后數(shù)據(jù)幀將在該缺省VLAN中傳輸。如果數(shù)據(jù)幀帶VLAN標(biāo)簽，則比較該VLAN 和接口的缺省VLAN，如果一樣則接收，否則會丟棄。

5 時鐘同步配置

5.1 授時服務(wù)器設(shè)置

MTS620D同步時鐘系統(tǒng)可通過觸摸屏，打開相關(guān)功能板卡配置菜單，直接設(shè)置板卡的IP地址（該地址即授時服務(wù)器的IP地址，和民航通信網(wǎng)中的設(shè)備LOOPBACK地址處于同一網(wǎng)段）、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)，然后通過以太網(wǎng)口遠(yuǎn)程登陸打開啟鐘同步服務(wù)。

telnet X.X.X.X 9999 //遠(yuǎn)程登錄授時服務(wù)器，9999端口號是授時服務(wù)器專門用于遠(yuǎn)程管理的TCP端口。

在系統(tǒng)主菜單下選擇NTP服務(wù)設(shè)置→開啟NTP服務(wù)→保存并返回。

這時，NTP服務(wù)器已設(shè)置完畢，可以對外進行授時服務(wù)了。

5.2 客戶端時鐘同步配置

僅僅是將配置好的授時服務(wù)器接入民航通信網(wǎng)、，還不能直接為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備授時，還要對各臺傳輸設(shè)備進行配置。華為系列設(shè)備缺省情況下，未配置NTP服務(wù)器模式，可用ntp-service unicast-server命令用來配置。

通過網(wǎng)管可登錄到傳輸設(shè)備上，進行相關(guān)配置。

顯示synchronized證明設(shè)備時鐘已同步至授時服務(wù)器，配置已生效。通過一系列后續(xù)工作，已逐步將民航通信網(wǎng)內(nèi)各個匯聚、接入和落地設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置為向授時服務(wù)器獲取時鐘信號的同步方式，華北地區(qū)全網(wǎng)統(tǒng)一采用NTP服務(wù)器授時。

6 小結(jié)

2021年初民航通信網(wǎng)引入NTP授時服務(wù)器，并在網(wǎng)內(nèi)各臺設(shè)備完成時鐘模式配置后，經(jīng)半年試運行，未發(fā)生設(shè)備時鐘不同步的情況。目前民航通信網(wǎng)網(wǎng)管監(jiān)控系統(tǒng)提示告警信息的時間與實際時間相符，實現(xiàn)了民航通信網(wǎng)全網(wǎng)時鐘同步，提高了民航通信網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)故障排查的準(zhǔn)確性。同時，由于VLAN技術(shù)的應(yīng)用，將繼續(xù)為今后的民航通信網(wǎng)擴展網(wǎng)絡(luò)提供授時服務(wù)，也為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的更多應(yīng)用提供了可能性。