時(shí)間同步在災(zāi)難備份系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

楊艷波 魏 巍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

自911以來(lái)，安全問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外諸信息系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展以及確保其安全、連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行等方面考慮，建設(shè)信息系統(tǒng)災(zāi)難備份中心以保證其數(shù)據(jù)安全和業(yè)務(wù)連續(xù)性，有利于增強(qiáng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力，提高服務(wù)水平。

按照GB/T20988規(guī)定[1]，災(zāi)難備份中心是用于災(zāi)難發(fā)生后接替主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和支持關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能運(yùn)作的場(chǎng)所，可提供災(zāi)難備份系統(tǒng)、備用的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和專業(yè)技術(shù)支持及運(yùn)行維護(hù)管理能力。災(zāi)難備份系統(tǒng)由數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、備用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和備用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的信息系統(tǒng)。

災(zāi)難備份系統(tǒng)建設(shè)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“零數(shù)據(jù)丟失”、“業(yè)務(wù)無(wú)間斷連續(xù)運(yùn)行”。要實(shí)現(xiàn)時(shí)間無(wú)間隙災(zāi)難備份，高精度時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)是必須考慮的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與控制系統(tǒng)的精密時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)-精密時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol,PTP），可在網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的同步精度。文章主要介紹基于PTP協(xié)議災(zāi)備系統(tǒng)時(shí)間同步的具體實(shí)現(xiàn)。

2 時(shí)間同步原理

PTP基本原理的同步過(guò)程如圖1所示。

圖1 PTP同步過(guò)程圖

從時(shí)鐘偏移量的修正和傳輸時(shí)延的修正，需要用到4種報(bào)文：①同步報(bào)文Sync；②跟隨報(bào)文Follow_Up；③延時(shí)請(qǐng)求Delay_Req報(bào)文；④延時(shí)回應(yīng)Delay_Resp報(bào)文[2]。主時(shí)鐘周期性地向網(wǎng)絡(luò)上廣播發(fā)送同步Sync報(bào)文，與此同時(shí)，主時(shí)鐘監(jiān)視上述同步報(bào)文實(shí)際發(fā)送的時(shí)間T1作為同步報(bào)文的精確時(shí)間戳，并在隨后的Follow Up報(bào)文中攜帶T1。網(wǎng)絡(luò)中的所有其它從時(shí)鐘在收到Sync同步報(bào)文后，首先記下報(bào)文的精確到達(dá)時(shí)間T2，然后在T3m時(shí)刻接收到Follow Up報(bào)文，從Follow Up報(bào)文中取出時(shí)間戳T1。

為了得到主從時(shí)鐘的傳輸時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)中的所有從時(shí)鐘以單播方式向主時(shí)鐘發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求Delay_Req報(bào)文，同時(shí)記錄該報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)接口處的實(shí)際發(fā)送時(shí)間T3。主時(shí)鐘每次接收到延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文時(shí)都會(huì)記下此報(bào)文的精確到達(dá)時(shí)間T4，并在隨后的Delay Resp報(bào)文中發(fā)送T4給相應(yīng)的從時(shí)鐘，從時(shí)鐘接受到Delay Resp報(bào)文后，并取出時(shí)間戳T4。

Sync報(bào)文在主從時(shí)鐘的時(shí)間差為：

Delay_Req報(bào)文在從主時(shí)鐘的時(shí)間差為：

若系統(tǒng)鏈路對(duì)稱均勻，則主從時(shí)鐘間的偏移量TOffset和傳輸延遲TDelay為：

通過(guò)TOffset和TDelay修正從時(shí)鐘的本地時(shí)間，從而與主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步[3]。

3 時(shí)間同步技術(shù)方案

在災(zāi)備系統(tǒng)中，需要時(shí)間同步的設(shè)備有若干計(jì)算機(jī)，被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備分隔成多個(gè)子網(wǎng)，呈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用主從式算法[4]，如圖2所示。

圖2 容災(zāi)系統(tǒng)主從算法原理圖

①主校時(shí)服務(wù)器位于根，與外部時(shí)間資源采用直接時(shí)間傳遞技術(shù)連接或利用本機(jī)的時(shí)鐘作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，主校時(shí)服務(wù)器的時(shí)鐘信號(hào)傳遞給子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)器，子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)器的時(shí)鐘信號(hào)傳遞給子網(wǎng)各設(shè)備；

②主校時(shí)服務(wù)器與子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)基于PTP完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步，子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)與校時(shí)代理完成子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的時(shí)間同步。系統(tǒng)的時(shí)間同步全部采用軟件實(shí)現(xiàn)報(bào)文由報(bào)文頭、報(bào)文主體及擴(kuò)展字段等部分組成，在以太網(wǎng)中，按照TCP/IP協(xié)議模型，數(shù)據(jù)報(bào)文封裝在UDP中；

③主校時(shí)服務(wù)器可選擇網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)性能高的機(jī)器，亦可獨(dú)立部署一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)。本方案中選擇獨(dú)立部署一臺(tái)微機(jī)服務(wù)器[5]，通過(guò)直連主交換機(jī)經(jīng)由主交換機(jī)與各子網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。操作系統(tǒng)為Windows系統(tǒng)，安裝主校時(shí)服務(wù)軟件；

④子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)選擇各子網(wǎng)中一臺(tái)負(fù)載較小機(jī)器，安裝子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件；

⑤其余設(shè)備均部署校時(shí)代理軟件。

4 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

容災(zāi)備份系統(tǒng)時(shí)間同步軟件工作流程如圖3所示。

圖3 時(shí)間同步軟件工作流程

⑴主校時(shí)服務(wù)軟件與子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件的時(shí)間同步工作流程

①主校時(shí)服務(wù)軟件通過(guò)界面輸入（或外部接口）獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，進(jìn)行本地校時(shí)；②主校時(shí)服務(wù)軟件通過(guò)讀取System.DateTime的Now屬性，獲取本地時(shí)間；③主校時(shí)服務(wù)軟件生成主時(shí)鐘同步報(bào)文并發(fā)送；④主校時(shí)服務(wù)軟件生成主時(shí)鐘跟隨報(bào)文并發(fā)送；⑤子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件接收同步報(bào)文，記錄接收時(shí)間，解析報(bào)文內(nèi)容；⑥子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件接收主時(shí)鐘跟隨報(bào)文，解析報(bào)文內(nèi)容，獲取時(shí)間戳；⑦子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件獲取本地時(shí)間，生成并發(fā)送從時(shí)鐘延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文；⑧主校時(shí)服務(wù)軟件接收延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文；⑨主校時(shí)服務(wù)軟件獲取本地時(shí)間，生成延時(shí)回應(yīng)報(bào)文并發(fā)送；⑩子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件接收延時(shí)回應(yīng)報(bào)文，解析報(bào)文，子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件計(jì)算偏移量和傳輸時(shí)延，修正本地時(shí)間。

⑵子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件與校時(shí)代理軟件的時(shí)間同步工作流程

①子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件通過(guò)JNI接口，獲取本地時(shí)間，子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件生成主時(shí)鐘同步報(bào)文并發(fā)送；②子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件生成主時(shí)鐘跟隨報(bào)文并發(fā)送；校時(shí)代理軟件接收同步報(bào)文，記錄接收時(shí)間，解析報(bào)文內(nèi)容，校時(shí)代理軟件接收主時(shí)鐘跟隨報(bào)文，解析報(bào)文內(nèi)容，獲取時(shí)間戳；③校時(shí)代理軟件獲取本地時(shí)間，生成并發(fā)送從時(shí)鐘延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文。子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件接收延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文；④子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件獲取本地時(shí)間，生成延時(shí)回應(yīng)報(bào)文并發(fā)送，校時(shí)代理軟件接收延時(shí)回應(yīng)報(bào)文，解析報(bào)文，校時(shí)代理務(wù)軟件計(jì)算校正值，通過(guò)SetLocal-Time接口函數(shù)設(shè)置本地時(shí)間；⑤主校時(shí)服務(wù)軟件完成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間獲取、本地校時(shí)、本地時(shí)間獲取、同步報(bào)文生成、跟隨報(bào)文生成、延時(shí)回應(yīng)報(bào)文生成、延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文生成、報(bào)文發(fā)送等功能模塊；⑥子網(wǎng)校時(shí)服務(wù)軟件完成同步報(bào)文、跟隨報(bào)文、延時(shí)回應(yīng)報(bào)文接收與解析、計(jì)算修正值、本地校時(shí)以及本地時(shí)間獲取、同步報(bào)文生成、跟隨報(bào)文生成、延時(shí)回應(yīng)報(bào)文生成、延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文接收及解析、報(bào)文發(fā)送等功能模塊；⑦校時(shí)代理軟件完成同步報(bào)文、跟隨報(bào)文、延時(shí)回應(yīng)報(bào)文接收與解析、計(jì)算修正值、本地校時(shí)等功能模塊；⑧時(shí)間同步軟件系統(tǒng)按照10次/s的頻率周期進(jìn)行處理[6]，對(duì)5個(gè)子網(wǎng)（其中一個(gè)子網(wǎng)邊界有阻隔措施）、42臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為時(shí)間同步精度達(dá)到秒級(jí)，子網(wǎng)時(shí)間同步精度可達(dá)到0.1 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于PTP協(xié)議進(jìn)行容災(zāi)備份系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可以完成不同子網(wǎng)、不同設(shè)備的時(shí)間同步問(wèn)題。且本項(xiàng)目中考慮實(shí)際局域網(wǎng)的子網(wǎng)分隔，進(jìn)行主從算法時(shí)間同步，可以更好保證子網(wǎng)的時(shí)間一致性。

[1]G B/T 20988,信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù)規(guī)范[S].

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