船用時統設備NTP網絡授時服務的實現

宋宇航，劉 敏，吳宏碩，林 杰，楊國文

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引言

隨著我國船舶設備水平的不斷提高，已經形成了多種船舶設備體系，各設備間的用時需求和交互需求日益增多[1]。船舶設備時間的統一性和精確度是設備正常工作和交互的前提，同時也是保障船舶通信、導航、操控等功能正常運轉的基礎條件[2]。船用時間統一設備是船舶導航系統的重要組成部分，通過多種授時方式向用時設備發送基準時間，為全船提供自主、連續、統一的時間基準信息[3]。目前的船用時統設備大多通過以太網授時、以太網授時+點對點秒脈沖和點對點串口授時+點對點秒脈沖這三種方式向外授時。以太網授時+點對點秒脈沖和點對點串口授時+點對點秒脈沖授時方式具有較高的授時精度，優于1μs，該種授時方式的用戶多為對于授時精度要求較高的系統或設備。對于其他入網用戶，若采取上述方式進行授時代價過高，一般通過全船主干網從時統設備獲取網絡時碼的方式進行以太網授時。但由于以太網授時方式無對時秒脈沖信號，僅用于s級對時，精度難以保證。

網絡時間協議(Network Time Protocol，NTP)最早于1985年由美國特拉華大學的David L. Mills教授提出，目前已經發展到NTP v4版本。NTP源于傳輸控制協議/網絡協議(Transmission Control Proto-col/Internet Protocol, TCP/IP)，基于用戶數據報協議(User Datagram Protocol, UDP)進行時間傳遞，在廣域網和局域網中均可使用[4-6]。隨著船舶主干網用時用戶的日益增多，對于時間精度的要求也日益增強，衍生出了時統設備向NTP授時服務器發送1PPS和TOD信息，再通過NTP授時服務器向外發送時間的NTP網絡授時方式，以提升以太網授時的精度[7]。因此，若能在原有時統設備的基礎上設計一種基于NTP授時的船用時統設備，將能夠有效提升網絡授時精度，并減少NTP授時服務器這一設備層級，以提升船用時統設備的組合化和通用性。本文基于NTP授時原理，通過在船用時統設備中配置NTP服務，實現了時統設備的NTP網絡授時服務，給出了基于全船主干網絡的NTP授時方案，并在實驗室環境下測試了設備的NTP授時精度。

1 NTP授時技術簡述

NTP是互聯網中進行時間同步的標準協議，主要用于保持網絡中電子設備時間的一致性。NTP 提供精確時間同步服務的前提是要有精確的時間源，包括衛星信號、天文臺信號、高精度頻率基準或從互聯網獲取的時間信息，其時間源標準為協調世界時(Universal Time Coordinated, UTC)。NTP分為v0、v1、v2、v3、v4共5個版本，現今使用較多的是v3和v4版本，NTPv3和v4版本分別由RFC1305和RFC5905[8]定義，征求修正意見書(Request For Comments, RFC)協議對NTP的事件、參數、數據格式、算法和工作模式等內容進行了規定和說明。現以RFC5905協議規定的NTPv4版本為例，說明了NTP的工作模式及原理。

NTP的信息報文在網絡中的傳輸基于 UDP，使用固定的UDP端口號123，可以更好地重復利用網絡帶寬資源，以便在更多的網絡環境中進行高精度時間同步，表1所示為NTP的報文格式。LI(Leap Indicator)表示閏秒指示；VN(Version Number)表示NTP版本號；Mode表示NTP的工作模式，根據請求方式的不同，NTP工作模式可分為客戶端/服務器模式、對等體模式和廣播/組播模式；Stratum表示系統時鐘所處層級，數值越小代表層級越高，時間的準確度越高，一般來講，在局域網中層級為1的NTP服務器即為主參考時鐘[9-10]。

表1 NTP的報文格式

NTP時間同步過程通過NTP數據包在客戶端和服務器間的通信完成[11-12]。下面以一個基本同步過程簡述NTP的基本原理：1)客戶端A和服務器B通過以太網連接；2)客戶端A向服務器B請求時間同步，A發送一個請求數據包，其中包含該包離開A的時間戳T1；3)服務器B接收到數據包后，并記錄到達時間戳T2；4)B回復一個應答數據包，數據包內包含T1、T2、T3，其中T3為B發出NTP包的時間；5)A收到來自B返回的NTP包，記錄包返回的時間戳T4。NTP授時原理如圖1所示。

d1為NTP請求包傳送延時，d2為NTP回復包傳送延時，t為服務器和客戶端之間的時間偏差，d為NTP包的往返時間。

(1)

假設NTP請求和回復包傳送延時相等，即d1=d2，則可解得

(2)

根據式(1)，t也可以表示為

t=(T2-T1)-d1=(T2-T1)-d/2

(3)

可以看出，t和d只與T2、T1差值及T3、T4差值相關，與T2、T3差值無關，即最終的結果與服務器處理請求所需的時間無關。根據這4個時間戳確定客戶機和服務器之間的時間偏差t，進而調整本地時鐘，客戶端A就得到了服務器B中的標準時間。所以在實際狀態下，即使服務器因客戶端請求次數過多導致響應速度減慢，也不會對NTP時間同步精度產生影響[13]。

2 船用時統設備NTP服務的硬件架構

船用時統系統有其自身特點：一方面，當船舶駛離大陸，短波和長波等岸基授時方式受地理位置因素影響較大，超出服務范圍則無法使用；另一方面，需要防止衛星授時受到壓制式干擾或者欺騙式干擾。因此，船用時統設備應具備如下功能：1)時統設備在可接收外部授時的情況下，通過衛星、短波、長波等多種方式獲取基準時間，以保障船舶時間基準的精度；2)設備內應具有高精度原子頻標，以確保在丟失外部授時源的狀態下，能夠通過自主守時保證精度；3)時統設備可通過多種途徑向其他用時設備進行授時。

根據船用時統系統的特點，本文設計了如圖2所示的時統設備，可接收多種外部時間源信號并進行時間同步，內置原子頻標具備自主守時功能，根據使用環境配備多種輸出接口。當存在外部時間源信號時，時統設備處于同步工作模式，跟蹤外部時間源信息；當外部時間源信號消失或被干擾時，時統設備處于守時工作模式，依靠原子頻標進行守時，等待外部時間源信號的恢復。在同步或守時模式下，時統設備均能對外發出持續、穩定、可靠的時間信息。在滿足原有時統設備功能的基礎上，設計了支持NTP服務的NTP模塊，使時統設備具有NTP服務器功能，可對外進行NTP授時。

圖2 船用時統設備NTP服務的硬件架構Fig.2 Hardware architecture of NTP service for marine timing equipment

船用時統設備由電源模塊、時間處理模塊、原子頻標和NTP模塊組成。電源模塊接收外部的直流或交流電，并為設備內部各模塊供電。時間處理模塊負責接收衛星、無線電導航設備、短波等外部時間信息，并將其解算為1PPS+TOD，提供1PPS基準信號馴服原子頻標，為NTP模塊提供1PPS+TOD信號，以及為外部設備提供相應的時間基準信息。原子頻標內置銣原子鐘，是設備的內部頻率源，當外部時間信息消失時，可由原子頻標進行守時，持續可靠地對外輸出1PPS。同時，原子頻標負責為NTP模塊提供10MHz基準和1PPS基準。NTP模塊通過內部的ARM芯片配置NTP服務，原子頻標提供的10MHz頻率基準作為ARM的外部時鐘基準，其他模塊提供的1PPS+TOD是NTP服務的精確時間源，通過捕獲1PPS基準信號定時校準NTP服務時間。

船用時統設備NTP服務的授時精度主要由基準時間源、ARM硬件時鐘和系統時鐘的漂移、NTP指令處理時間及局域網延時決定。時統設備NTP服務的時間源由天線、衛導接收機等外部時間基準信息或內部原子頻標高精度守時提供，具有極高的準確性，以接收北斗二號衛星授時信號為例，其授時精度可達到20ns。NTP服務通過ARM實現，一般ARM的硬件時鐘和系統時鐘由晶振驅動，ARM時鐘的準確度由晶振的頻率準確度決定。為減少因時鐘漂移產生的時間偏差，ARM的硬件時鐘和系統時鐘由原子頻標提供的高精度頻率基準10MHz驅動，10MHz頻率準確度可達5×10-12。NTP服務運行時，ARM高優先級處理外部1PPS中斷，用外部高精度1PPS對服務器進行定期同步，以提高時鐘長期計時準確度。此外，選擇高主頻ARM構架平臺，利用實時任務處理機制，加快指令處理速度。NTP是UDP，通常處理1個NTP指令的執行時間基本是亞ms級別。NTP授時精度還和NTP服務器與客戶端間的網絡狀況有關，局域網內100MB以太網幀在百兆網絡物理層單向延時理論值約8μs。綜上所述，在不考慮主干網路由器產生的延遲下，通過船用時統設備進行NTP授時的理論精度可以達到亞ms級。

3 船用時統設備NTP授時方案與軟件配置

在NTP授時方式下，船用時統設備作為1級NTP服務器向外同步時間，時統設備處于Stratum 1層級，是船用網絡NTP服務的時間基準。用時設備需按照RFC5905要求配置相應的NTP接收終端軟件。根據實際需要，時統設備可采取不同的工作模式向不同用戶進行NTP授時。由于時統設備內置了NTP模塊，主干網內無需配置額外的NTP 1級授時服務器向外輸出NTP時間信號，有效減少了設備層級，提升了時統設備的通用性。本文以一種最簡方案為例，說明了船舶主干網絡的NTP授時過程，如圖3所示。

圖3 船舶主干網絡NTP授時方案Fig.3 NTP timing scheme for ship network

1)時統設備作為NTP 1級服務器，以客戶端/服務器模式向接入的用戶1進行時間同步。用戶1向時統設備提出對時請求，根據交換的數據包計算其間的時間偏差和網絡延遲，并調整用戶1的本地時鐘。

2)時統設備作為NTP 1級服務器，通過船用主干網絡以廣播模式周期性地發送NTP時間信息，用戶2接收到NTP時間信息后，無需計算時間偏差和網絡延時，直接使用收到的時間信息調整用戶2的本地時鐘。

3)時統設備作為NTP 1級服務器，根據需求以客戶端/服務器模式或廣播模式向2級授時服務器發送基準時間，2級授時服務器根據需求再以不同的工作模式向下一級授時服務器或用戶進行時間同步。

為實現上述過程，需要對NTP服務進行軟件配置。本文采用Linux平臺上的網絡時間校正協議(Network Time Protocol Daemon, NTPD)服務來實現，NTPD服務較為成熟，可配置的參數較多，對服務的控制較細[14]。通過修改ntp.conf文件實現NTP服務的安全性設置、訪問控制策略、NTP服務器的stratum和工作模式等內容。配置成功后，在實驗室環境下進行NTP報文格式驗證和NTP授時精度測試。計算機通過網線與時統設備連接，使用wireshark軟件接收時統設備的NTP報文，圖4所示為時統設備輸出的NTP報文格式。可以看出，船用時統設備的NTP版本為4，stratum層級為1，UDP端口號為123。時統設備工作在北斗同步模式下，設備正常工作0.5h后通過網線與TimeAcc007時間綜合測量儀連接，測試時長為2h，圖5所示為通過TimeAcc007測量的NTP授時精度，考慮到TimeAcc007的NTP測量精度為±35ns，則NTP授時精度優于450μs。經過實驗可得，船用時統設備具備NTP 1級授時服務器的全部條件。

圖4 船用時統設備的NTP輸出報文Fig.4 NTP time formats of marine timing system

圖5 船用時統設備的NTP授時精度Fig.5 NTP timing accuracy of marine timing system

4 結論

本文基于NTP授時的基本原理，設計了新型船用時統設備，通過配置相關軟件，實現了時統設備的NTP網絡授時服務，并進行了實驗驗證。實驗結果表明，時統設備可作為NTP 1級授時服務器對接入設備進行不同工作模式下的NTP授時服務。時統設備NTP網絡授時服務的實現有效解決了船舶入網設備的用時需求，同時簡化了NTP授時服務的設備層級，保證了船用時統設備授時服務的準確性，提升了時統設備的通用性和授時方式的多樣性。