网络时间同步在线监测设备设计

辛鹏飞 张玉 王铮

摘要：在分布式电子信息系统中，为保障系统时间精度，在系统内部分布式布设多台GNSS授时网络时间同步协议（NTP）时间服务器，以保障服务精度、降低单一服务器压力及增加系统可靠性。若NTP服务器出现时间异常、不响应等故障，將直接影响系统工作状态，因此网络NTP服务器工作状态的监测评估就尤为重要。设计了一种NTP服务监测模块，其实现方式简单、可靠性高，可实现远程和一对多的NTP服务质量监测，针对其工作性能进行了测试，验证了NTP服务监测设备的工作性能。

关键词：NTP;在线监测;网络时间服务器;北斗授时

0引言

在信息系统中，由于NTP网络架构受信息系统网络架构、地理分布及网络拓扑等因素影响，一般采用服务器/客户端工作模式和分层式网络体系，设备时钟等级由时间服务器所处的层级决定，直接跟踪卫星参考源服务器等级（stratum）为“0”，伴随时间服务器时间传递关系逐步增大，该层级结构可分为15级，受信息系统网络规模、时间服务精度要求，一般不大于6级。

为评估系统时间运行情况，增强系统时间传递稳定性，设计网络时间服务在线监测设备，该设备布设至网络内部，直接接收北斗卫星导航信号获取时间，通过NTP时间同步协议实时监测网络内部NTP服务器及NTP客户端时间同步精度及网络波动状况，为系统故障监测、恢复提供数据支撑。该设备可有效减少系统时间失步检测时间、加快系统故障定位、故障恢复速度。

1 NTP网络时间在线监测原理

NTP是互联网中实现时间同步的标准协议，目前应用较为广泛的有NTPv3协议（RFC 1305）、NTPv4协议（RFC 5905）和SNTP协议（RFC 1769），其中NTPv4协议兼容NTPv3与SNTP协议。NTP服务器与NTP客户端间依据NTP协议规定的报文格式进行报文交互，并在记录报文发送和接收时间戳信息，依据时间戳信息可计算网络传输延迟与服务器、客户端时间的偏差，客户端可依据时间偏差修正自身时间，达到时间同步的目的。NTP协议报文交互过程如图1所示。

同步过程由客户端发起，客户端向NTP服务器发送NTPclient报文，并记录报文发送时间T1，服务器接收报文时，同时记录报文接收时间戳T2，处理后发出NTP Servcr报文，并记录发送时间戳T3，将T2、T3填入NTP server报文发送至客户端，客户端记录报文接收时间戳T4，T为主从时钟间时间偏差量，Delaya、Delay为主从报文传输时延，可由以上时间戳建立如下方程：

网络时间同步在线监测设备运行标准NTP协议栈，与标准NTP客户端的区别是设备的时间基准通过北斗导航接收机直接获取，通过模仿NTP客户端访问网内的NTP服务器及客户端获取钟差及路径延迟作为被监测设备的时间偏差，同时将偏差值上报至上层软件进行数据分析处理。

2网络时间同步在线监测设备实现方案

网络时间同步在线监测设备总体架构如图2所示，包括以太网接口、以太网物理层芯片、天线、北斗接收机、FPGA芯片、恒温警惕振荡器、DA转换器及电源等。

设备有1000BASE-X光接口、1000BASE-T电接口2种，具备1000 M/100M/10M自适应能力。以太网物理层芯片采用MARVELL公司的88E1512-NNP2芯片，该芯片完成网络线上信号到GMII信号的接口转换。MAC核、时钟处理模块、ARM核均集成在FPGA芯片内部，FPGA芯片采用xilinx公司的ZYNQ系列XC72020芯片，晶体振荡器采用远东通信公司生产的OC5SC20WS02恒温晶振。

3实验仿真

为检测网络时间同步在线监测设备监测不确定度，实验使用齐微公司的KW2200网络时间服务器作为被测设备，采用网线直连进行了NTP数据监测，测试数据如图3所示，通过数据处理分析可见，时间偏差的平均值为96.9μs，时间偏差的标准方差值为16.4μs，扩展不确定度为49.2μ。

为验证网络时间同步在线监测设备处理能力，使用5台计算机安装虚拟机模拟20台NTP服务器工作，当监测频度设置成1Hz时，通过24h烤机数据无丢包。

4结束语

本文针对网络时间同步质量评估，设计了一款网络时间同步在线监测设备，并构建了实验验证环境对该设备时间监测不确定度及同步监测能力进行了实验。实验结果表明，该设备直连线监测不确定度优于100 us，最大同步可监测数量达到20台。可有效针对网络时间同步状况进行在线监测，为故障定位、故障恢复提供监测手段及数据支撑。