一款NTP授时监测终端设计与实现

贾杰峰，王 铮，刘连照

(1.中华通信系统有限责任公司 河北分公司，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

随着计算机技术的发展，网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)授时技术已经渗入到了国民经济的各个方面。NTP由美国特拉华大学的David L.Mills教授提出，是互联网上公认的时间同步工具[1]。NTP协议是一种用在分布式时间服务器和客户端之间的时间同步授时技术[2]。在文献[3-8]中论述了NTP时间同步精度在局域网上可以达到1 ms级，在互联网中可以达到几十毫秒级的同步精度。在应用NTP授时服务过程中，传输网络架构、网络负荷及网络拓扑等因素会导致NTP授时服务精度出现波动。当NTP授时精度恶化到一定程度时，NTP授时设备将无法完成正常授时服务。因此，研制一款NTP授时监测终端显得尤为重要。

通过获取NTP用时设备与时间基准设备的时间偏差，实时反映NTP授时服务的健康状态，可以增强整个NTP授时服务系统的时间传递稳定性和可靠性，为用户评估NTP授时服务提供支撑。

1 NTP授时监测原理

1.1 NTP协议概述

NTP是TCP/IP协议家族的一员。目前，应用较为广泛的有NTPv3协议(RFC 1305)、NTPv4协议(RFC 5905)和SNTP协议，其中NTPv4协议兼容NTPv3与SNTP协议。NTP时间服务器为客户机提供标准时间，时间服务器的时间主要来自于接收卫星导航系统时间[9]。NTP协议采用UDP协议进行传输，NTP服务器端的端口号为123[10]。NTP协议支持3种工作模式：主从模式(Server/Client Mode)、对称模式(Symmetric Mode)和多播/广播模式(Multicast/Broadcast Mode)[11]。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性，是一种主流的网络时间同步工具[12]。

1.2 NTP授时监测原理

NTP最典型的工作模式以客户端和服务器的方式进行通信，不仅可以估算数据包在网络上的往返时延，还可以估算计算机时钟偏差，从而实现网络上的高精度计算机校时[13]。客户端使用时钟偏差来调整本地时钟，实现自身时间向服务器时间溯源[14-15]。

在客户端/服务器模式下，NTP服务器与NTP客户端依据NTP协议规定的报文格式进行报文交互。客户端周期性地向服务器发送时间同步请求消息，该信息包含客户端发送时本地时刻T1。服务器收到该报文后，立即将接收时刻T2写入报文，同时将该报文回复给客户端，在发送时将服务器的发送时刻T3写入报文。客户端在接收到该报文后，将本地接收时刻T4写入[16]。至此，这个NTP报文内就有了4个时间参数。在进行NTP监测时，NTP监测终端仅获取时间偏差，不进行本地时钟的调整，同时将时间偏差上报给监控计算机，由监控计算机进行数据分析与处理。NTP授时监测原理如图1所示。

图1 NTP授时监测原理Fig.1 Principle diagram of NTP timing monitoring

图1中，T1为NTP监测终端发出NTP报文时的本地时刻；T2为NTP服务器收到NTP报文时的到达时刻；T3为NTP服务器发送NTP报文时的发送时刻；T4为NTP监测终端收到NTP报文时的本地时刻；单向时延(T_MS)为由NTP监测终端发出到NTP服务器的路径延迟；单向时延(T_SM)为由NTP服务器发出到NTP监测终端的路径延迟。

由此可知以下关系：

offset=T2-T1-TMS，

(1)

offset=T4-T3+TSM。

(2)

按照NTP协议规定，服务器与客户端间的单向时延是相等的，即：

delay=-TMS=+TSM。

(3)

将式(1)与式(2)相加，并将式(3)带入，可得主从钟差offset：

(4)

将式(1)与式(2)相减，并将式(3)带入，可得单向路径延迟delay：

(5)

由以上公式可求得主从时钟钟差offset，主从时钟路径延迟delay，即可实现NTP监测的目的。

2 NTP授时监测终端实现方案

NTP授时监测终端由电源单元、散热单元、主板单元、监控单元、时钟单元、接收机单元和NTP授时监测单元组成。

电源单元为整机提供高效纯净的供电。散热单元负责整机散热，保证终端处于合适的温度下。主板单元为终端内各个板卡提供物理支撑和直流电源并负责板卡间1 pps、10 MHz、ToD监控信息等信息的传送。监控单元负责终端内各个单元状态信息采集和监控，并与上位机完成通信。接收机单元接收北斗导航信号为时钟单元提供1 pps和ToD信号。时钟单元以接收机单元送来的北斗信息实现向北斗时溯源，为终端提供稳定准确的1 pps、10 MHz、ToD时频信息。NTP授时监测单元以时钟单元输出的时间频率信号为基准，运行NTP协议完成NTP信号的监测，每个NTP授时监测单元可以同时监测10个NTP服务器或客户端，整机配备6个NTP授时监测单元可以同时完成60个NTP服务器或客户端的监测任务。NTP授时监测终端工作原理如图2所示。

图2 NTP授时监测终端工作原理Fig.2 Working principle diagram of NTP timing monitoring terminal

3 测试验证

为验证NTP授时监测终端的NTP监测功能，搭建测试验证连接如图3所示。

图3 NTP授时监测测试验证连接Fig.3 Connection diagram of NTP timing monitoring test verification

使用NTP授时监测终端和SyncEdge综合时间分析仪分别对NTP授时服务器进行测试。NTP授时监测终端、SyncEdge综合时间分析仪、NTP授时服务器分别接收北斗信号，向北斗时间溯源。NTP授时监测终端和SyncEdge综合时间分析仪分别通过交换机与被监测NTP授时服务器相连接。NTP授时监测终端通过串口将获取的钟差数据上传到监控计算机。

测试过程如下：首先将NTP授时监测终端、SyncEdge综合时间分析仪、NTP授时服务器加电预热1 h，使各设备达到工作稳定状态。保持NTP授时服务器状态不变，同时开启NTP授时监测终端和SyncEdge综合时间分析仪NTP监测任务，进行监测，直到测试结束。

分别将60个NTP服务器端口的IP添加至NTP授时监测终端，对各个服务器IP进行连续数据监测，其中NTP服务器IP为192.168.1.224端口的监测终端测试数据如图4所示。

图4 NTP授时监测终端测试数据Fig.4 Test data diagram of NTP timing monitoring terminal

使用SyncEdge综合时间分析仪对NTP服务器IP为192.168.1.224的NTP授时服务器进行连续数据监测，测试数据结果如图5和图6所示。通过测试数据结果可以看出，NTP授时监测终端与SyncEdge综合时间分析仪监测的同一NTP端口的标准差数据基本一致。因2个设备的零值不同，所以平均偏差数据存在差异。可见，NTP授时监测终端与SyncEdge综合时间分析仪均实际反映了NTP授时服务器的授时性能。

图5 Sync-edge测试数据结果Fig.5 Sync-edge test data diagram

图6 SyncEdge测试数据结果Fig.6 SyncEdge test data statistics

NTP授时监测终端添加60个NTP服务器IP后，能够实现对全部端口的NTP监测，NTP授时监测终端监测NTP端口数量监测如图7所示。

图7 NTP端口数量监测Fig.7 NTP port number monitoring diagram

由图7和图4可以看出，NTP授时监测终端实现了对60个NTP授时端口的实时连续性能监测，并对测试数据进行了平均偏差、标准方差等统计分析，有利于用户掌握NTP授时服务器的相关情况。

4 结束语

本文提出了一种NTP授时监测技术，并完成了工程实现。通过实验表明，NTP授时监测终端可以同时对多个NTP服务端口进行实时监测，同时对监测数据进行了统计分析，为NTP授时网络健康管理、故障定位提供了数据支撑。