舰用网络授时技术设计分析＊

王文嘉 崔宏磊

（中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

随着目前各类舰载电子设备信息化交互进程的大力发展，各个系统之间通过舰载通信网络进行交互的信息量不断加大。各个系统均需要记录某些事件发生的时间信息，如果各个系统之间没有一个统一的时间，或者计算机时钟不精确，那么系统内部很多应用将会无法正常的工作，系统之间的信息交互就更加无法正常有序的进行了，这将极大的影响设备的工作性能，从而影响全舰的作战使用性能。

目前舰上拥有专用的时间统一设备，具备较高的授时精度，但是其接口有限，该时间源一般提供参照时间源给具有很高时间精度要求的作战指挥及武器等设备，对于时间精度要求不高的各类其他入网设备若采用这种授时方法代价过高。随着海军舰载网络技术不断发展，为全船各类设备提供信息交互通道的全舰网络系统具备为连接入网的各设备提供时间同步服务的能力，利用全舰网络系统提供高精度网络时间源可以有效地解决各设备时间统一的问题。

2 舰用网络时间精度需求分析

为了选择适合舰用各系统对时需求，并且经济易用的时间同步方案，首先需要各系统正常工作情况下对时间精度的要求以及各种时间同步技术能够提供的时间精度进行一个统计与分析，根据分析选择适合的时间同步技术。表1是目前各领域一些典型应用对时间精度的要求。

表1 各领域中系统对时间精度要求

目前舰载入网各系统及设备从实时性上大致可分为两大类，一类是实时监控系统，一类是非实时性MIS管理系统。毫秒级的时间精度可以满足绝大部分监控及管理系统对授时精度的要求。目前存在多种时间同步技术，每一种技术都各有特点，不同的时间同步技术的授时精度也存在较大的差异［1～2］。表2是各种时间同步技术授时精度比较。

表2 各种时间同步技术授时精度

互联网授时技术（NTP）在局域网内得到广泛的应用。标准的NTP协议采用的是RFC 1350标准［3］，简化的网络时间协议（SNTP）采用的是 RFC 2030标准［4～5］。基于NTP协议的时间同步技术可有效地利用舰载网络的优势，在不增设授时设备的情况下可满足舰载各系统对于时间精度的要求，操作便捷，技术成熟，符合信息化技术发展的趋势。

3 NTP授时技术的工作原理及模式

NTP协议全称网络时间协议（Network Time Procotol），用来在分布式时间服务器与客户端之间进行时间同步。使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内的所有时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。

NTP授时技术有三种工作模式，即主／被动对称模式、客户／服务器模式、广播模式。在NTP授时技术客户／服务器工作模式中，时间服务器与需要时间同步的客户以客户／服务器模式相互交换NTP数据包。客户首先向时间服务器发送一个NTP数据包，包中包含该包离开客户时的时间标签T1。当服务器接收到该包后向客户发送一个NTP数据包，包中含有服务器收到客户NTP数据包时的时间标签T2、该包离开服务器时的时间标签T3、数据包中原有的时间标签T1。然后服务器把包返回给客户，客户在接收到响应包时在填入包回到客户的时间标签T4。使用四个时间标签就能计算出服务器与客户间的传输时延和时间偏差。网络延时与时钟偏差的测量原理图如图1。t为服务器和客户端之间的时间偏差，d为两者之间的往返时间。

图1 客户／服务器模式工作原理图

通过计算可得到客户端时钟与时间服务器的时钟偏差，再将两端的时间进行补偿，客户端就得到了时间服务器中的标准时间［6～8］。

进行网络授时的服务器工作在C／S模式下同步响应时间相对广播模式下响应时间要快很多。同时由于广播模式下NTP服务器工作对于网络时延的计算并非通过4个发送的时间戳进行计算所得的，而是通过内部算法估算获得的，所以相对C／S模式下对时精度要差。而且NTP服务器使用广播模式进行时间同步对于网络开销远远大于C／S模式的网络开销，所以选用C／S模式对各个系统进行网络授时能得到较高的授时精度。在满足一定时间精度要求的情况下通常选用C／S模式。

4 舰用时间同步方案设计分析

4.1 时间同步组网方案

舰载时间同步选用网络授时技术，网络服务器从舰上专用的时统设备通过串口获取秒脉冲信号，将秒脉冲信号结合网络时码信息作为参考时间源，校正舰用网络服务器的时钟。舰用网络服务器提供NTP／SNTP服务，需校时的各系统设备作为校时客户端，时间以校时服务器为准。客户端周期向服务器发送校时请求，取得服务器时间后，按特定算法除掉网络延迟后，修改客户端本地时钟。舰载网络内部可分为多级时间服务器为各级系统接入的客户端提供时间信息。

采用NTP网络授时，舰载网络专用授时服务器可以作为一级授时服务器（Stratum1），舰载网络核心层交换机可以作为二级授时服务器（Stratum2），舰载网络中各级接入交换机可以作为三级授时服务器（Stratum3）。商用产品测试指标显示Stratum1授时精度达到1ms～10ms，Stratum2访问Stratum1授时精度达到10ms～100ms，Stratum3访问Stratum1授时精度达到100ms～1s。

舰载网络内采用NTP网络授时的三级组网结构示意如图2。下面针对上述三级组网结构基础对比分析选用不同组网结构配合不同NTP授时工作模式情况下的三种方案。

图2 NTP授时三级组网结构示意图

方案1 一级NTPserver（C／S模式）

使用舰载网络专用授时服务器作为NTP的一级服务器，以C／S模式向各级系统接入客户端进行网络授时。

图3 舰载网络时间同步方案1工作原理图

图3为使用一级NTP服务器的时间同步工作原理图。时统设备向舰载网络专用授时服务器提供两路基准时间，一路是以1秒／次的频率提供的1pps的时间脉冲，一路是网络时码信息。选择NTP服务器根据秒脉冲信号与网络时码信号对本地时间进行校准后作为舰载网络的基准时间。NTP服务器以C／S模式向入网的各个设备发送网络时码。按照一级授时精度该方案可以达到1ms～10ms的授时精度。客户端如果使用 WindowsXP、2003、2000操作系统可以使用系统自带的NTP客户端程序。如果使用的其它操作系统可以安装时间同步客户端软件。

方案2 一级NTPserver（广播模式）＋二级NTPserver（C／S模式）

图4 舰载网络时间同步方案2工作原理图

网络时统设备向舰载网络专用授时服务器发送秒脉冲信号以及网络时码，本地时钟校准后作为基准时间，舰载网络核心层交换机作为Stratum2级时间服务器，Stratum1级时间服务器以广播模式将网络时码发送给各核心层交换机，Stratum2级交换机使用C／S模式对客户端进行网络授时。对于时间精度要求比较高的系统客户端我们可以使用Stratum1级时间服务器对其直接进行授时。该方案工作原理图如图4。该方案授时精度可以达到10ms～100ms精度要求。客户端配置同方案1。

方案3 一级NTPserver（C／S模式）＋二级NTPserver（C／S模式）

图5 舰载网络时间同步方案3工作原理图

网络时统设备向舰载网络专用授时服务器发送秒脉冲信号以及网络时码，本地时钟校准后作为基准时间，核心层交换机作为stratum2级时间服务器，stratum1级时间服务器以C／S模式将基准时间以网络时码形式发送给核心层交换机，stratum2级交换机使用C／S模式对客户端进行网络授时。对于时间精度要求比较高的客户端可以使用Stratum1级时间服务器对其直接进行授时。该方案工作原理图如图5。该方案授时精度可以达到10ms～100ms精度要求。客户端配置同方案1。

第一种方案授时精度最高，但是使用一级授时服务器，根据接入舰载网络的客户端的数量情况来看，选择的授时服务器需要支持较大数量的客户端进行对时，这种方式对服务器的要求很高，而且系统的可扩展性差，如果多路客户端同时对时间服务器发送对时申请，会加重网络负担及授时服务器的负担，使整个系统可靠性降低。

第二种方案与第三种方案使用二级授时方案，虽然对于连接在二级时间服务器上的客户端来说授时精度有所降低，但是系统的可扩展性更高，系统能够支持的同时授时的客户端数量增加。对于时间精度要求比较高的客户端系统也可提供专线直接将其与一级授时服务器相连，获得较高的授时精度。第二种方案相对第三种方案来说，使用了广播模式，其授时精度以及响应时间相对C／S模式都要差一些，而且广播模式对于网络的利用率也比较低。

舰载网络系统可选用具有授时服务器功能的三层交换机，其授时功能可以支持主／被动对称模式、客户／服务器模式、广播模式的同步授时功能，系统选用服务器端可以同时支持多路接入客户端进行对时，其授时服务器授时精确度可以达到1ms。如果使用第三种方案工作方式，既可以满足系统对于时间精确度的要求，又可以避免由于各个客户端同时向服务器提出对时申请造成服务器负担过重的现象，同时系统具备较强的扩展性。通过上述分析比较，网络授时方案3可以有效地解决舰载网络各接入设备时间同步的问题。

4.2 同步周期设定

NTP协议的时间精度为1～50ms，影响时间精度的主要因素由网络延迟的随机性导致的时钟延迟计算偏差及客户端时钟硬件精确度。计算机时钟一般使用振荡电路或者石英钟为基础，准确度在1E－6甚至1E－5量级，经过长时间的累积后就会出现时间误差。时间同步周期可以任意设定，若需要较高的同步精度应该设置小的数值。按照设备的晶振级别，目前客户端晶振按最小精确度（a）1E－6或者1E－5（s／s）计算［9～10］，系统所需要的最大时间精度要求为（b）（ms），其客户端设定的同步周期c＝（b／a）／1000。表3为根据上述计算方法对不同系统时间精度要求，不同客户端设备精度级别，计算所得客户端对时同步周期值。

表3 时间同步周期计算表

客户端可以根据各自的晶振精度结合系统对于时间精度的要求来设置客户端的同步时间周期。

5 结语

随着网络授时技术的不断发展，越来越多的网络设备，例如大部分三层交换机均具备授时服务的功能，在进行授时系统设计时，可根据各类设备对于时间精度要求的不同选择合适的结构形式，并对不同级别的授时服务器的授时模式进行设置。网络授时系统的设计应用可以有效的发挥舰载网络设备的潜在功能，在不增加设备情况下实现接入网络设备的时间同步，节省了舰载空间，缩短了系统开发周期，为舰载各类设备时间同步提供了经济有效的工程方案。

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