應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)

史志敏 張鑫 王海英 魏振超

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)

史志敏 張鑫 王海英 魏振超

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

針對廣域網(wǎng)環(huán)境下衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)存在的測試設(shè)備之間時間不同步問題，提出應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）構(gòu)建衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)以NTP作為時間同步協(xié)議，以GPS或“北斗”導(dǎo)航設(shè)備終端作為高精度時間源，以用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）組播形式實現(xiàn)同網(wǎng)段內(nèi)各測試設(shè)備之間的時間同步，以UDP客戶機/服務(wù)器形式實現(xiàn)跨網(wǎng)段測試設(shè)備之間的時間同步。文章提出的時間同步系統(tǒng)，可解決廣域網(wǎng)衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)時間不同步問題，也能滿足綜合測試系統(tǒng)對時間精度的要求。

衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)；時間同步；網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議

1 引言

為了滿足航天事業(yè)對衛(wèi)星平臺和有效載荷發(fā)展提出的更多需求，我國建設(shè)了新的航天試驗驗證基地和發(fā)射基地。衛(wèi)星綜合測試人員須要對位于研制、試驗、發(fā)射場所的衛(wèi)星進行測試，因此有必要建立基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)，實現(xiàn)整星的遠程測試。在基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中，測試設(shè)備分布在各個場所，容易導(dǎo)致測試設(shè)備之間時間的不一致問題，產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)時間戳混亂，從而影響測試數(shù)據(jù)的存儲和測試結(jié)果的判讀。為保證綜合測試的正常進行，必須對整個衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)進行時間同步，以實現(xiàn)廣域網(wǎng)狀態(tài)下各場所測試設(shè)備之間的時間一致。

我國現(xiàn)有衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)是在局域網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用客戶機/服務(wù)器模式的時間同步軟件完成局域網(wǎng)內(nèi)各測試設(shè)備之間的時間同步功能。時間同步軟件系統(tǒng)應(yīng)用用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）組播技術(shù)及自定義時間協(xié)議，實現(xiàn)同網(wǎng)段測試設(shè)備之間的時間同步。由于UDP組播常常會受到路由設(shè)備的限制，跨網(wǎng)段實現(xiàn)測試設(shè)備的時間同步需要專門的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)軟件支持。上述方式雖然可以實現(xiàn)時間同步信息在局域網(wǎng)上的傳遞，但是未考慮信息在網(wǎng)絡(luò)上的延遲問題，不適用于廣域網(wǎng)環(huán)境下測試設(shè)備之間的時間同步，因而須要采用新的技術(shù)手段解決廣域網(wǎng)環(huán)境下的綜合測試系統(tǒng)時間同步問題。

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）是廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)的時間同步標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時被應(yīng)用于美國軍用設(shè)施中，如美國海軍天文臺應(yīng)用包括NTP的一系列協(xié)議建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)時間同步服務(wù)器，并向公眾開放［1］，美國海軍戰(zhàn)斗系統(tǒng)艦上時間同步系統(tǒng)采用NTP進行時間派發(fā)［2］。近年來，NTP在我國也被廣泛應(yīng)用于銀行、電力［3］等行業(yè)中，并被研究應(yīng)用于航天測控計算機系統(tǒng)［4］和裝備管理信息系統(tǒng)［5］中。

根據(jù)廣域網(wǎng)環(huán)境下衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的特點，本文提出構(gòu)建應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)，以GPS或“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星終端作為高精度時間源，可解決衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)跨網(wǎng)段、跨地域的時間同步問題，同時能滿足綜合測試系統(tǒng)對時間精度的要求，實現(xiàn)廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)各測試設(shè)備之間的時間一致。

2 衛(wèi)星綜合測試時間同步技術(shù)研究

2.1 NTP時間同步技術(shù)

根據(jù)適用范圍不同，目前采用的時間同步技術(shù)主要包括：GPS時間同步技術(shù)，短波授時和長波授時時間同步技術(shù)，電話撥號時間同步技術(shù)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）專線時間同步技術(shù)，同步數(shù)字體系（SDH）網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)，以太網(wǎng)時間同步技術(shù)等［6］?；诰W(wǎng)絡(luò)的時間同步協(xié)議包括：時間協(xié)議（Time Protocol）、日時協(xié)議（Daytime Protocol）、NTP，以及僅用于用戶端的簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）和精確時間協(xié)議（PTP）。其中：時間協(xié)議和日時協(xié)議沒有考慮網(wǎng)絡(luò)延時，能表示到秒級。NTP是一種基于TCP/IP的時間傳遞協(xié)議，能實現(xiàn)毫秒級的時間精度。SNTP是精簡版的NTP［7］，主要對NTP涉及有關(guān)訪問安全、服務(wù)器自動遷移部分進行縮減，其理論精度為秒級。PTP是一個能夠在測量和控制系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度時鐘同步的精確時間協(xié)議［8］，基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)同步和管理，以及延時的自動校正等特點，具有亞微秒級同步精度，主要適用于本地網(wǎng)絡(luò)。由于新的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)是一個基于廣域網(wǎng)的分布式系統(tǒng)，地面測試設(shè)備均通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進行連接，且考慮到衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)測試設(shè)備對時間精度的要求，本文重點研究NTP應(yīng)用技術(shù)。

NTP是一種同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器時鐘的動態(tài)、穩(wěn)定和容錯的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實現(xiàn)因特網(wǎng)上高精確和健壯的時間同步服務(wù)［9］，最新的正式版本為 V4［10］。該協(xié)議可以獨立地估算同步信息包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲及計算機時鐘偏差，實現(xiàn)局域網(wǎng)上同步時間與標(biāo)準(zhǔn)時間差小于1 ms，而廣域網(wǎng)上同步時間與標(biāo)準(zhǔn)時間差為幾十毫秒［11］。

NTP服務(wù)器通過組播、對等及客戶機/服務(wù)器3種方式與其他時間服務(wù)器或客戶機進行時間同步。組播方式主要適用于同一局域網(wǎng)的環(huán)境，時間服務(wù)器以組播方式將時間信息傳送給其他客戶機實現(xiàn)時間同步。對等方式適用于配置冗余的時間服務(wù)器，即同層的時間服務(wù)器之間可以互相作為時間服務(wù)器進行時間同步?？蛻魴C/服務(wù)器方式適用于時間服務(wù)器與上層時間服務(wù)器的時間同步，并為下層同步客戶機提供時間同步服務(wù)。

NTP時間同步原理如下：在客戶機和服務(wù)器點對點連接情況下，客戶機向服務(wù)器發(fā)送同步請求時間包，服務(wù)器接收到請求包后向客戶機發(fā)送響應(yīng)包。在這個過程中，記錄下請求包離開客戶機的時間戳T1和到達服務(wù)器的時間戳T2，以及響應(yīng)包離開服務(wù)器的時間戳T3和到達客戶機的時間戳T4。設(shè)請求包和響應(yīng)包在網(wǎng)上傳播的時間分別為δ1和δ2，客戶機與服務(wù)器之間的時鐘偏差為θ，數(shù)據(jù)包交換的往返延遲為δ，則

假設(shè)請求包和響應(yīng)包在網(wǎng)上傳播的時間相同，即δ1=δ2，則可解得

因此，客戶機用T1，T2，T3，T4這4個時間戳就能夠計算出θ及δ這兩個關(guān)鍵參數(shù)。由式（2）可以看出，θ和δ只與T2-T1和T4-T3相關(guān)，而與T3-T2無關(guān)，即與服務(wù)器處理請求所需的時間無關(guān)?？蛻魴C可通過計算出的時鐘偏差θ去調(diào)整客戶機的本地時鐘，使之與服務(wù)器時鐘同步。

2.2 基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)

基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)（見圖1）是在云計算技術(shù)基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)，是對現(xiàn)有局域網(wǎng)測試系統(tǒng)的一個擴展。基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)由位于衛(wèi)星研制基地云測試服務(wù)中心的云計算服務(wù)器集群和云存儲集群、位于儀器設(shè)備間的測試設(shè)備、位于操作區(qū)的自動化測試實施設(shè)備和位于各場所測試工位的綜合測試前端設(shè)備組成，可實現(xiàn)測試建模與設(shè)計、遠程自動化測試、智能化判讀與故障檢測、綜合測試過程管理、測試數(shù)據(jù)集成與分析等功能。其中：云測試服務(wù)中心由刀片服務(wù)器、存儲設(shè)備及虛擬化管理軟件組成，為云計算和云存儲提供硬件資源，并采用虛擬化技術(shù)對硬件設(shè)備資源進行統(tǒng)一管理，將一臺硬件服務(wù)器虛擬化為多個可調(diào)度的服務(wù)器，供多個衛(wèi)星測試服務(wù)器軟件共享使用。儀器設(shè)備間內(nèi)部署各分系統(tǒng)后端專用或通用測試設(shè)備。測試操作人員通過自動化測試實施設(shè)備遠程控制綜合測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)對各測試工位衛(wèi)星的自動化測試。

基于廣域網(wǎng)的綜合測試系統(tǒng)分布于衛(wèi)星研制區(qū)、衛(wèi)星試驗區(qū)、衛(wèi)星發(fā)射區(qū)等各處，容易產(chǎn)生各處測試設(shè)備之間時間不一致問題。因此，為保證衛(wèi)星綜合測試工作能夠正常順利地進行，需要一個時間同步系統(tǒng)來保證各處測試設(shè)備之間時間一致。

圖1 基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)Eig.1 Satellite integration test system based on wide area network

2.3 應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)

由于NTP能夠?qū)崿F(xiàn)因特網(wǎng)環(huán)境下精度達到幾十毫秒的時間同步能力，為保證基于廣域網(wǎng)的綜合測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各測試設(shè)備之間的時間同步，并考慮到綜合測試系統(tǒng)對時間精度的要求，選擇NTP作為衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并給出該時間同步系統(tǒng)的方案。

衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)依托廣域網(wǎng)衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和測試設(shè)備建立。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為樹狀層次結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，時間同步服務(wù)器分為一級、二級和三級。根據(jù)同步網(wǎng)絡(luò)實際情況，時間服務(wù)器還可以繼續(xù)擴展到四級或五級，等等。

圖2 應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Eig.2 Net framework of satellite integration test time synchronization system based on NTP

在應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中，各測試設(shè)備之間的時間同步依據(jù)NTP標(biāo)準(zhǔn)進行。除一級同步服務(wù)器之外，每個同步服務(wù)器均以UDP組播的模式將時間同步信息發(fā)送給下一級時間同步客戶機，同時也能以UDP客戶機/服務(wù)器的模式實現(xiàn)上、下兩級時間同步服務(wù)器之間的時間同步。由于同網(wǎng)段內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲較小，在客戶機與服務(wù)器之間的時間同步時可以忽略，因此同網(wǎng)段內(nèi)客戶機和服務(wù)器之間以UDP組播的形式進行。上、下級同步服務(wù)器之間的時間同步信息可能會跨越不同網(wǎng)段，因此這些服務(wù)器之間的時間同步須采用客戶機/服務(wù)器的模式，并以NTP時間同步原理為依據(jù)。在不同網(wǎng)段間時間同步時，客戶機向服務(wù)器發(fā)送同步請求時間包，記錄請求包離開客戶機的時間戳。當(dāng)服務(wù)器接收到請求包時，記錄包到達的時間戳，生成響應(yīng)包，并記錄響應(yīng)包離開服務(wù)器的時間戳，然后再發(fā)送給客戶機?？蛻魴C在接收到響應(yīng)包時記錄當(dāng)時的時間戳。最后，客戶機根據(jù)式（2）計算出客戶機與服務(wù)器的時間偏差，并以該偏差去調(diào)整客戶機的本地時鐘，實現(xiàn)客戶機和服務(wù)器之間的時鐘同步。

考慮到整個廣域網(wǎng)綜合測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征，以及衛(wèi)星綜合測試的實際需求，本文的時間同步系統(tǒng)選擇綜合測試系統(tǒng)云測試服務(wù)中心的一臺計算機作為一級同步服務(wù)器。該服務(wù)器和一臺GPS或“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的授時終端設(shè)備相連，授時終端設(shè)備作為時間源為一級同步服務(wù)器提供協(xié)調(diào)世界時（UTC），一級同步服務(wù)器將獲取的UTC時間轉(zhuǎn)化為北京時間，并提供給二級同步服務(wù)器。由于云測試服務(wù)中心各虛擬服務(wù)器均配置在同一個網(wǎng)段下并形成集群，因此可以選擇集群管理服務(wù)器作為一個二級同步服務(wù)器，集群中的其他成員均作為該二級同步服務(wù)器的客戶機。每個儀器設(shè)備間的測試設(shè)備均配置在同一個網(wǎng)段下，因此可以選擇一臺計算機作為一個二級同步服務(wù)器，該儀器設(shè)備間的其他測試設(shè)備均作為該二級同步服務(wù)器的客戶機。如果某儀器設(shè)備間的測試設(shè)備比較多，需要占用多個網(wǎng)段，那么該儀器設(shè)備間要根據(jù)網(wǎng)段配置多個二級同步服務(wù)器，為各自網(wǎng)段的測試設(shè)備提供時間服務(wù)。由于二級同步服務(wù)器較多會導(dǎo)致一級同步服務(wù)器負載過重，因此可以將一些網(wǎng)段配置為三級時間同步網(wǎng)絡(luò)。每個測試工位放置的前端測試設(shè)備，處在和儀器設(shè)備間設(shè)備及云測試服務(wù)中心各服務(wù)器均不相同的網(wǎng)段內(nèi)，因此要為測試大廳各網(wǎng)段配置二級或三級時間同步服務(wù)器。

應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)基于軟件技術(shù)實現(xiàn)，如圖3所示，從軟件體系結(jié)構(gòu)上看，可以劃分為三個層次三種類型。三個層次即一級同步服務(wù)器層、次級同步服務(wù)器層和同步客戶機層，三種類型的軟件包括一級同步服務(wù)器軟件、次級同步服務(wù)器軟件和同步客戶機軟件。次級同步服務(wù)器和同步客戶機均作為同一個上級同步服務(wù)器的時間同步節(jié)點，處于同一層次。三種軟件之間的時間信息流向由圖3中箭頭標(biāo)示。

圖3 應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)軟件方案Eig.3 Software architecture of satellite integration test time synchronization system based on NTP

本文提出的應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)，依據(jù)基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)搭建，且具有和基于廣域網(wǎng)的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)類似的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)。由于本文的時間同步系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和結(jié)構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境相比相對獨立和簡單，數(shù)據(jù)傳輸路徑相對單一，因此不考慮對通信過程中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所造成的時間偏差進行校正，且時間同步服務(wù)器全部采用單一服務(wù)器的形式。

3 可行性與優(yōu)勢分析

1）可行性分析

本文時間同步系統(tǒng)采用的NTP為成熟的網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，在國外廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)中，國內(nèi)被銀行、通信、電力等各行業(yè)所采用，并被研究應(yīng)用于航天測控計算機系統(tǒng)和裝備管理信息系統(tǒng)中，技術(shù)成熟度高。文中所采用的UDP，是網(wǎng)絡(luò)通信中的一個經(jīng)常被采用的重要國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，且被現(xiàn)有綜合測試系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)校時軟件所采用。另外，就軟件結(jié)構(gòu)來說，本文所采用的客戶機/服務(wù)器型層次結(jié)構(gòu)，能夠繼承現(xiàn)有綜合測試系統(tǒng)校時軟件的相關(guān)技術(shù)。綜上所述，建立應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)方案是可行的，能夠滿足廣域網(wǎng)條件下的綜合測試設(shè)備之間的時間同步要求。

2）優(yōu)勢分析

應(yīng)用NTP的衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)，通過GPS或“北斗”導(dǎo)航設(shè)備終端獲取高精度時間信息，并將該時間信息作為時間源提供給廣域網(wǎng)綜合測試系統(tǒng)，能夠保證廣域網(wǎng)綜合測試系統(tǒng)時間源的精度。同時，以UDP組播形式實現(xiàn)同網(wǎng)段內(nèi)各測試設(shè)備之間的時間同步，應(yīng)用NTP時間同步原理并以UDP客戶機/服務(wù)器形式實現(xiàn)跨網(wǎng)段測試設(shè)備之間的時間同步，既考慮了系統(tǒng)運行的效率問題，又滿足了衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)時間精確到毫秒的要求，可有效解決現(xiàn)有綜合測試系統(tǒng)校時軟件所不能實現(xiàn)的廣域網(wǎng)環(huán)境下綜合測試系統(tǒng)的時間同步問題。

4 結(jié)束語

基于局域網(wǎng)的測試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)校時系統(tǒng)未考慮時間同步信息網(wǎng)絡(luò)延遲，無法滿足廣域網(wǎng)情況下測試系統(tǒng)的時間同步要求。為此，本文根據(jù)廣域網(wǎng)條件下衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的特點，提出了應(yīng)用NTP構(gòu)建衛(wèi)星綜合測試時間同步系統(tǒng)。此系統(tǒng)首先從GPS或“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的終端設(shè)備獲得高精度時間，分別采用UDP組播方式及UDP客戶機/服務(wù)器方式，完成同網(wǎng)段內(nèi)或跨網(wǎng)段測試設(shè)備之間的時間同步。該系統(tǒng)既能滿足衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)時間同步信息的精度要求，同時又可解決廣域網(wǎng)環(huán)境下綜合測試系統(tǒng)的時間同步問題。

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（編輯：夏光）

Time Synchronization System of Satellite Integration Test Using NTP

SHI Zhimin ZHANG Xin WANG Haiying WEI Zhenchao
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

In order to resolve the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN（wide area net）environment，the paper puts forward a time synchronization system of satellite integration test based on NTP.This system uses NTP as time synchronization standard，and uses a GPS or Beidou navigation equipment as high precision time source.Time of test equipments in one net segment is synchronized by UDP group broadcast，and time of test equipments in different net segments is synchronized by UDP client/server.The system proposed can not only solve the problem of the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN environment，but also satisfy the time precision requirement of satellite integration test system.

satellite integration test system；time synchronization；network time protocol

V416.8

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.019

2014-06-18；

2014-09-29

國家重大航天工程

史志敏，女，工程師，從事衛(wèi)星綜合測試工作。Email：iamtree@126.com。