基於 NTP 的航天測控網絡對時系統研究論文

0 引言

隨着我國航天技術的快速發展，在系統內已經形成了多種業務種類、多種網絡拓撲結構的航天網絡設備體系。例如衞星發射和測控系統需要依靠高可靠性和高精確度的計算機來控制關鍵節點工作。這類應用對系統內部各設備的時鐘統一性和精確度要求很高，必須對用户設備進行時間同步，以保持航天器與測控系統各用户設備時間和頻率的高度一致。網絡時間協議(network time protocol，NTP)採用主動對時方法，克服了網絡競爭機制對系統校時精度的影響，能實現系統時鐘的一致和精確;因此，採用 NTP 協議實現網絡對時系統，可以有效解決這一問題。筆者對 NTP 基本原理、工作模式等進行研究，建立了在航天測控網絡上的 NTP 對時系統構架，設計並編程實現了 NTP 網絡對時系統。

1 NTP 的基本概念

1.1 NTP 協議

NTP 協議是美國 Delaware 大學的 Mills 教授在1985 年提出的，可以實現時間服務器或精確的`時鐘源(如石英鐘、GPS 等)同計算機的時鐘同步。NTP協議適用於在擁塞的網絡環境下提供精確和健壯的對時服務，把計算機的時間同步到標準時鍾源上，可實現在局域網上誤差小於 1 ms，廣域網上幾十毫秒的高精度時間校準，同時其加密認證的模式可防止惡意的協議攻擊，具有廣泛的應用前景。

1.2 NTP 基本原理

NTP協議主要以客户端/服務器方式進行對時，而且適用於性能差異大的客户端及服務器，每次對時共需2個數據包。假設客户端發送對時請求的本地時間為T1，服務器端接收對時請求的服務器時間為T2，服務器端返回對時請求的服務器時間為T3，客户端收到返回請求的本地時間為T4為客户端和服務器端的時間偏差，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 在航天測控網絡中的系統架構

目前，航天測控網絡的主要設備使用直接連接時鐘源的方式來實現時間同步，如以銣原子鐘為高精度時鐘源，IRIG-B 為串行時間同步碼(該碼可以實現高精度對時，具有標準化接口等特點)。這樣每台設備都需配置 PCI 時統卡來解 B(DC)碼，造成系統成本高且增加了系統的複雜性。而未配置 PCI 時統卡的設備時鐘大多靠人工手動來調整，鑑於人工手動調整引起的誤差以及各個設備內部時鐘的性能差異等因素，會造成整個網絡中設備時間的不統一。

3 網絡對時系統的設計實現

筆者以 Visual C++6.0 為開發平台，運用 Winsock網絡編程技術，實現了 NTP 報文的收發功能。

3.1 服務器軟件設計

服務器軟件設計流程如圖 3 所示。服務器運行後，通過對串口接收數據，自動判斷上級時鐘源的類型，計算出 UTC 時間;根據工作模式的設置可以定時向客户端廣播時間報文，或接收客户端的時間同步請求，調用本地時鐘查詢函數來添加請求報文的到達時間戳 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，則再次調用系統時間並添加返回給客户端的時間戳 T3，並同時將時間報文送回客户端。

3.2 客户端軟件實現

客户端軟件主要功能有：定時向 NTP 時間服務器發送時間同步請求並接收時間服務器返回的帶有時間戳的 NTP 報文，計算時間偏差、網絡延遲和調整本地系統時間;能夠通過廣播方式接收報文並直接調整本地系統時間;提供對時請求函數接口為其他應用程序調用。

4 結束語

實踐結果證明：該系統能把全網中的設備時間偏差精度控制在 1 ms 以內，實現了高精度對時，確保了航天測控網絡系統內時間的準確性和一致性。