基于 NTP 的航天測控網(wǎng)絡(luò)對時系統(tǒng)研究論文

　　0 引言

　　隨著我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，在系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)形成了多種業(yè)務(wù)種類、多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的航天網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系。例如衛(wèi)星發(fā)射和測控系統(tǒng)需要依靠高可靠性和高精確度的計算機(jī)來控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工作。這類應(yīng)用對系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備的時鐘統(tǒng)一性和精確度要求很高，必須對用戶設(shè)備進(jìn)行時間同步，以保持航天器與測控系統(tǒng)各用戶設(shè)備時間和頻率的高度一致。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(network time protocol，NTP)采用主動對時方法，克服了網(wǎng)絡(luò)競爭機(jī)制對系統(tǒng)校時精度的影響，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的一致和精確;因此，采用 NTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對時系統(tǒng)，可以有效解決這一問題。筆者對 NTP 基本原理、工作模式等進(jìn)行研究，建立了在航天測控網(wǎng)絡(luò)上的 NTP 對時系統(tǒng)構(gòu)架，設(shè)計并編程實(shí)現(xiàn)了 NTP 網(wǎng)絡(luò)對時系統(tǒng)。

　　1 NTP 的基本概念

　　1.1 NTP 協(xié)議

　　NTP 協(xié)議是美國 Delaware 大學(xué)的 Mills 教授在1985 年提出的，可以實(shí)現(xiàn)時間服務(wù)器或精確的時鐘源(如石英鐘、GPS 等)同計算機(jī)的時鐘同步。NTP協(xié)議適用于在擁塞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供精確和健壯的對時服務(wù)，把計算機(jī)的時間同步到標(biāo)準(zhǔn)時鐘源上，可實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)上誤差小于 1 ms，廣域網(wǎng)上幾十毫秒的高精度時間校準(zhǔn)，同時其加密認(rèn)證的模式可防止惡意的協(xié)議攻擊，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　1.2 NTP 基本原理

　　NTP協(xié)議主要以客戶端/服務(wù)器方式進(jìn)行對時，而且適用于性能差異大的客戶端及服務(wù)器，每次對時共需2個數(shù)據(jù)包。假設(shè)客戶端發(fā)送對時請求的本地時間為T1，服務(wù)器端接收對時請求的服務(wù)器時間為T2，服務(wù)器端返回對時請求的服務(wù)器時間為T3，客戶端收到返回請求的本地時間為T4為客戶端和服務(wù)器端的時間偏差，T1到T2的路徑延遲為1，T3到T4的路徑延遲為2總路徑延遲。

　　2 NTP 在航天測控網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)架構(gòu)

　　目前，航天測控網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備使用直接連接時鐘源的方式來實(shí)現(xiàn)時間同步，如以銣原子鐘為高精度時鐘源，IRIG-B 為串行時間同步碼(該碼可以實(shí)現(xiàn)高精度對時，具有標(biāo)準(zhǔn)化接口等特點(diǎn))。這樣每臺設(shè)備都需配置 PCI 時統(tǒng)卡來解 B(DC)碼，造成系統(tǒng)成本高且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而未配置 PCI 時統(tǒng)卡的設(shè)備時鐘大多靠人工手動來調(diào)整，鑒于人工手動調(diào)整引起的.誤差以及各個設(shè)備內(nèi)部時鐘的性能差異等因素，會造成整個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備時間的不統(tǒng)一。

　　3 網(wǎng)絡(luò)對時系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

　　筆者以 Visual C++6.0 為開發(fā)平臺，運(yùn)用 Winsock網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 NTP 報文的收發(fā)功能。

　　3.1 服務(wù)器軟件設(shè)計

　　服務(wù)器軟件設(shè)計流程如圖 3 所示。服務(wù)器運(yùn)行后，通過對串口接收數(shù)據(jù)，自動判斷上級時鐘源的類型，計算出 UTC 時間;根據(jù)工作模式的設(shè)置可以定時向客戶端廣播時間報文，或接收客戶端的時間同步請求，調(diào)用本地時鐘查詢函數(shù)來添加請求報文的到達(dá)時間戳 T2，將上述報文保存在表中，接收下一個時間同步請求;如果此時沒有新的請求，則再次調(diào)用系統(tǒng)時間并添加返回給客戶端的時間戳 T3，并同時將時間報文送回客戶端。

　　3.2 客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

　　客戶端軟件主要功能有：定時向 NTP 時間服務(wù)器發(fā)送時間同步請求并接收時間服務(wù)器返回的帶有時間戳的 NTP 報文，計算時間偏差、網(wǎng)絡(luò)延遲和調(diào)整本地系統(tǒng)時間;能夠通過廣播方式接收報文并直接調(diào)整本地系統(tǒng)時間;提供對時請求函數(shù)接口為其他應(yīng)用程序調(diào)用。

　　4 結(jié)束語

　　實(shí)踐結(jié)果證明：該系統(tǒng)能把全網(wǎng)中的設(shè)備時間偏差精度控制在 1 ms 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高精度對時，確保了航天測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)時間的準(zhǔn)確性和一致性。

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