北極星時鐘系統(tǒng)接口原始報(bào)文研究

馬小龍

摘要：地鐵的北極星時鐘系統(tǒng)為地鐵公司控制中心調(diào)度員、車站值班員、各部門的工作人員及乘客提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信息，為地鐵其它系統(tǒng)的設(shè)備提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信號。北極星時鐘系統(tǒng)的設(shè)置保證了地鐵運(yùn)行計(jì)時準(zhǔn)確，同時也極大提高了運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。為加深對北極星時鐘系統(tǒng)的認(rèn)知，在發(fā)生時間突變時能夠分辨出是Server標(biāo)準(zhǔn)時間故障還是Client系統(tǒng)自身故障，需根據(jù)接口協(xié)議，對時鐘系統(tǒng)Server發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行分析，確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)時間正確與否。對RS-422和NTP協(xié)議的研究有助于協(xié)助其他系統(tǒng)進(jìn)行授時。

關(guān)鍵詞：地鐵;北極星時鐘系統(tǒng);RS-422;NTP;報(bào)文分析

1研究背景

2018年3月17日，機(jī)場線時鐘系統(tǒng)GPS天線故障，失去GPS標(biāo)準(zhǔn)時間信號，信號泰雷茲系統(tǒng)開始使用本系統(tǒng)內(nèi)NTP服務(wù)器作為授時源。3月18日，GPS天線維修完畢，開始為信號泰雷茲系統(tǒng)授時，此時，信號系統(tǒng)發(fā)生時間突變（見圖1），所有列車發(fā)生瞬時車載故障。

圖1信號系統(tǒng)時間突變

時鐘系統(tǒng)平時不顯眼，但是極為重要，沒有時鐘系統(tǒng)，信號系統(tǒng)會出現(xiàn)紊亂導(dǎo)致列車無法準(zhǔn)確行駛，乘客無法得知候車和乘車時間，視頻錄像無法準(zhǔn)確還原，話費(fèi)賬單統(tǒng)計(jì)錯誤等等。因此，有必要通過接口協(xié)議和報(bào)文，對時間信號進(jìn)行深入剖析。

2RS-422及NTP接口協(xié)議

機(jī)場線北極星時鐘系統(tǒng)一級母鐘接收GPS信號，采用RS-422接口向傳輸、公務(wù)電話、專用電話、廣播、PIS、電源、集中告警、FAS等系統(tǒng)和外專業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號。

同時，本系統(tǒng)一級母鐘與二級母鐘之間采用NTP協(xié)議校時，通過共線的10M/100M以太網(wǎng)傳輸通道進(jìn)行校時和網(wǎng)管信息傳遞。

2.1RS-422接口協(xié)議和報(bào)文

2.1.1RS-422接口協(xié)議

RS-422接口的最大傳輸距離約為1219米，其最大傳輸速率為10Mb/s。其傳輸速率與平衡雙絞線的長度成反比，在100kb/s的速率以下時，才可能達(dá)到最大傳輸距離。因此，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。本系統(tǒng)使用的RS-422接口參數(shù)設(shè)置為

①輸出接口：標(biāo)準(zhǔn)RS-422端口

②波特率：9600bit/s

③數(shù)據(jù)位：8位④起始位：1位⑤停止位：1位

⑥校驗(yàn)位：無

⑦工作方式：異步

⑧傳輸距離：不大于1200米

2.1.2RS-422接口報(bào)文報(bào)文詳述：

時鐘系統(tǒng)在整秒時刻向負(fù)載系統(tǒng)發(fā)送10毫秒級精度的時間信號。報(bào)文格式：

2.2NTP接口協(xié)議和報(bào)文

2.2.1NTP接口協(xié)議

時鐘系統(tǒng)采用10M/100M以太網(wǎng)接口向?qū)Ｓ脽o線、視頻監(jiān)控、信號、AFC、ISCS、SCADA等系統(tǒng)和外專業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號。通信協(xié)議采用國際通用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，即NTP協(xié)議。

隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜找鎻?fù)雜，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的時間同步將變得十分重要。如果僅依靠網(wǎng)絡(luò)管理員手動修改系統(tǒng)時間，不僅工作量巨大，而且也無法保證時間的準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的出現(xiàn)就是為了解決網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備系統(tǒng)時鐘的同步問題。NTP協(xié)議是一種通過Internet服務(wù)于計(jì)算機(jī)時鐘的時間同步協(xié)議。它提供了一種時間同步機(jī)制，能在龐大而復(fù)雜多樣的Internet中用光速調(diào)整時間分配。它使用的是可返回時間設(shè)計(jì)，分布式子網(wǎng)內(nèi)的時間服務(wù)器能自我組織操作、分層管理配置，經(jīng)過有線或無線的方式同步子網(wǎng)內(nèi)的邏輯時鐘達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)時間。此外，通過本地路由選擇運(yùn)算法則及時間后臺程序，服務(wù)器可以重新分配標(biāo)準(zhǔn)時間。

2.2.2NTP接口報(bào)文

NTP報(bào)文格式如上圖所示，它的字段含義參考如下：

1）LI：閏秒標(biāo)識器，占用2個bits，值為0表示無leap秒調(diào)整;1表示一天的最后一分鐘為61秒;2表示一天的最后一分鐘為59秒;3表示時鐘未被同步;為其他值時NTP本身不做處理。

2）VN：占用3個bits，表示NTP的版本號，現(xiàn)在為4。

3）Mode：工作模式，占用3個bits，表示設(shè)備的NTP工作模式。不同的值所表示的含義分別是：

0：未定義

1：主動對等體模式

2：被動對等體模式

3：客戶模式

4：服務(wù)器模式

5：廣播模式或組播模式

6：此報(bào)文為NTP控制報(bào)文

7：預(yù)留給內(nèi)部使用。

4）stratum（層）：系統(tǒng)時鐘的層數(shù)，占用8個bits。取值范圍為0～255，它代表著時鐘的準(zhǔn)確度。層數(shù)值的含義分別是

0：未指定或無效

1-16：1表示時鐘準(zhǔn)確度最高，準(zhǔn)確度從1到16依次遞減，層數(shù)為16的時鐘處于未同步狀態(tài)，不能作為參考時鐘

17-255：保留。

1）Poll：NTP報(bào)文輪詢間隔，占用8個bits，表示連續(xù)的NTP報(bào)文之間的時間間隔。

2）Precision：NTP時鐘精度，占用8個bits。

3）RootDelay：根時延，占用8個bits，表示在主參考源之間往返的總共時延。

4）RootDispersion：根離散，占用8個bits，表示系統(tǒng)時鐘相對于主參考時鐘的最大誤差。

5）ReferenceIdentifier：時鐘源標(biāo)識，占用8個bits，用來標(biāo)識特殊的時鐘參考源。

6）參考時間戳：占用64個bits，表示上次設(shè)置或糾正系統(tǒng)時鐘的時間。

7）原始時間戳：占用64個bits，表示請求離開服務(wù)器客戶端的時間，。

8）接受時間戳：占用64個bits，表示客戶端請求以64位時間戳格式到達(dá)服務(wù)器的時間。

9）傳送時間戳：占用64個bits，表示服務(wù)器回復(fù)離開服務(wù)器的時間。

10）認(rèn)證符（可選項(xiàng)）：占用96個bits。

3Client接收的實(shí)際報(bào)文解析

3.1RS-422接口實(shí)際報(bào)文解析

在Client哈里斯公務(wù)、專用電話網(wǎng)管電腦上安裝串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率等參數(shù)后，點(diǎn)擊開始，即可看到Client端所接收到的RS-422串口報(bào)文：

該報(bào)文為16進(jìn)制表示，可將其翻譯為十進(jìn)制：

5C2018032115040283

根據(jù)RS-422串口協(xié)議可得出，Server發(fā)送給Client系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間為2018年3月21日15點(diǎn)04分02秒，83為校驗(yàn)位。

3.2NTP接口實(shí)際報(bào)文解析

NTP報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，需使用Wireshark軟件捕捉其報(bào)文，并進(jìn)行分析。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)中傳輸?shù)腘TP報(bào)文如下：

根據(jù)上圖，可以看出NTP授時順序?yàn)镃lient首先發(fā)送一個NTP請求報(bào)文，Server回發(fā)一個應(yīng)答報(bào)文，即可對Client進(jìn)行授時。

該報(bào)文為16進(jìn)制表示，需先將其翻譯為2進(jìn)制，然后根據(jù)需要翻譯成所需要的信息。接下來解析幾個比較重要的值：

3.2.1Client和Server的MAC地址

由EthernetII部分可知，Server的MAC地址為00：03：b9：71：40：4b，Client的MAC地址為9c：b6：54：1d：48：a8。

3.2.2Client和Server的IP地址

由InternetProtocolVersion4部分可知，Server的IP地址為192.6.61.8，Client的IP地址為192.6.61.11。

3.2.3UDP端口

由UserDatagramProtocol部分可知，Server的UDP端口為123，Client的UDP端口為64576。

3.2.4NTP版本號及模式

Client發(fā)送報(bào)文的NTP協(xié)議部分第一個字節(jié)為13，翻譯成二進(jìn)制為00010011。NTP版本號占用3-5bit，也就是010，翻譯成十進(jìn)制為2，也就是當(dāng)前使用的NTP版本為2;NTP模式占用6-8bit，也就是011，翻譯成十進(jìn)制為3，也就是當(dāng)前Clinet的NTP模式為客戶模式。

Server發(fā)送報(bào)文的NTP協(xié)議部分第一個字節(jié)為14，翻譯成二進(jìn)制為00010100。NTP版本號占用3-5bit，也就是010，翻譯成十進(jìn)制為2，也就是當(dāng)前使用的NTP版本為2;NTP模式占用6-8bit，也就是100，翻譯成十進(jìn)制為4，也就是當(dāng)前Clinet的NTP模式為服務(wù)器模式。

以上信息與實(shí)際設(shè)備使用的NTP版本、MAC地址、IP地址相符。

3.2.5NTP時鐘層數(shù)

Client發(fā)送報(bào)文的NTP協(xié)議部分第二個字節(jié)為00，即其時鐘層數(shù)為0，不可參考。

Server發(fā)送報(bào)文的NTP協(xié)議部分第二個字節(jié)為01，即其時鐘層數(shù)為1，準(zhǔn)確度最高，可參考。

3.2.6ReferenceID

47505300字段表示參考時鐘標(biāo)識符，查詢asiii碼表可知其意為“GPS.”，即該系統(tǒng)授時的時間源為GPS標(biāo)準(zhǔn)時間。

3.2.7ReferenceTimestamp

de5b35c0c872af39為時間戳。

先處理高位32bit“de5b35c0”，將其轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制3730519488，由于NTP時間和UTC時間起始不同，需要將該時間減少70年（1900年到1970年）2208988800（0x83AA7E80），則為1521530688，使用UTC轉(zhuǎn)換器得到2018-03-207：24：48UTC（格林威治時間），2018-03-2015：24：48UTC+8（北京時間）。

再處理低位32bit“c872af39”，將其轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制3362959161，根據(jù)公式計(jì)算usec=lsw*232.830644/1000000=782999us=0.782999s。

綜上所述，故NTP參考時間戳“de5b35c0c872af39”轉(zhuǎn)換成UTC時間為2018-03-2015：24：48.782999UTC+8（北京時間）。

4結(jié)語

此項(xiàng)研究，大大加深了維護(hù)人員對時鐘系統(tǒng)的認(rèn)知。在無授時源時，可人為搭建NTPServer，為NTPClient授時，當(dāng)授時出現(xiàn)錯誤時，可查看授時軟件Log日志或抓包，追溯相應(yīng)的報(bào)文，查看是否標(biāo)準(zhǔn)時間有誤，快速判斷故障點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴俊勉劉暢鐘宇，廣鐵集團(tuán)數(shù)據(jù)網(wǎng)NTP系統(tǒng)優(yōu)化研究，鐵道通信信號，2015，51（6）：61-63。

[2]DavidL.Mills，“NetworkTimeProtocol（Version3）Specification，ImplementationandAnalysis”，UniversityofDelaware，March1992。