北极星时钟系统接口原始报文研究

马小龙

摘要：地铁的北极星时钟系统为地铁公司控制中心调度员、车站值班员、各部门的工作人员及乘客提供统一的标准时间信息，为地铁其它系统的设备提供统一的标准时间信号。北极星时钟系统的设置保证了地铁运行计时准确，同时也极大提高了运营服务质量。为加深对北极星时钟系统的认知，在发生时间突变时能够分辨出是Server标准时间故障还是Client系统自身故障，需根据接口协议，对时钟系统Server发送的报文进行分析，确认标准时间正确与否。对RS-422和NTP协议的研究有助于协助其他系统进行授时。

关键词：地铁;北极星时钟系统;RS-422;NTP;报文分析

1研究背景

2018年3月17日，机场线时钟系统GPS天线故障，失去GPS标准时间信号，信号泰雷兹系统开始使用本系统内NTP服务器作为授时源。3月18日，GPS天线维修完毕，开始为信号泰雷兹系统授时，此时，信号系统发生时间突变（见图1），所有列车发生瞬时车载故障。

图1信号系统时间突变

时钟系统平时不显眼，但是极为重要，没有时钟系统，信号系统会出现紊乱导致列车无法准确行驶，乘客无法得知候车和乘车时间，视频录像无法准确还原，话费账单统计错误等等。因此，有必要通过接口协议和报文，对时间信号进行深入剖析。

2RS-422及NTP接口协议

机场线北极星时钟系统一级母钟接收GPS信号，采用RS-422接口向传输、公务电话、专用电话、广播、PIS、电源、集中告警、FAS等系统和外专业提供标准时间信号。

同时，本系统一级母钟与二级母钟之间采用NTP协议校时，通过共线的10M/100M以太网传输通道进行校时和网管信息传递。

2.1RS-422接口协议和报文

2.1.1RS-422接口协议

RS-422接口的最大传输距离约为1219米，其最大传输速率为10Mb/s。其传输速率与平衡双绞线的长度成反比，在100kb/s的速率以下时，才可能达到最大传输距离。因此，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。本系统使用的RS-422接口参数设置为

①输出接口：标准RS-422端口

②波特率：9600bit/s

③数据位：8位④起始位：1位⑤停止位：1位

⑥校验位：无

⑦工作方式：异步

⑧传输距离：不大于1200米

2.1.2RS-422接口报文报文详述：

时钟系统在整秒时刻向负载系统发送10毫秒级精度的时间信号。报文格式：

2.2NTP接口协议和报文

2.2.1NTP接口协议

时钟系统采用10M/100M以太网接口向专用无线、视频监控、信号、AFC、ISCS、SCADA等系统和外专业提供标准时间信号。通信协议采用国际通用的网络时间协议，即NTP协议。

随着网络拓扑的日益复杂，整个网络内设备的时间同步将变得十分重要。如果仅依靠网络管理员手动修改系统时间，不仅工作量巨大，而且也无法保证时间的准确性。网络时间协议（NTP）的出现就是为了解决网络内设备系统时钟的同步问题。NTP协议是一种通过Internet服务于计算机时钟的时间同步协议。它提供了一种时间同步机制，能在庞大而復杂多样的Internet中用光速调整时间分配。它使用的是可返回时间设计，分布式子网内的时间服务器能自我组织操作、分层管理配置，经过有线或无线的方式同步子网内的逻辑时钟达到国家标准时间。此外，通过本地路由选择运算法则及时间后台程序，服务器可以重新分配标准时间。

2.2.2NTP接口报文

NTP报文格式如上图所示，它的字段含义参考如下：

1）LI：闰秒标识器，占用2个bits，值为0表示无leap秒调整;1表示一天的最后一分钟为61秒;2表示一天的最后一分钟为59秒;3表示时钟未被同步;为其他值时NTP本身不做处理。

2）VN：占用3个bits，表示NTP的版本号，现在为4。

3）Mode：工作模式，占用3个bits，表示设备的NTP工作模式。不同的值所表示的含义分别是：

0：未定义

1：主动对等体模式

2：被动对等体模式

3：客户模式

4：服务器模式

5：广播模式或组播模式

6：此报文为NTP控制报文

7：预留给内部使用。

4）stratum（层）：系统时钟的层数，占用8个bits。取值范围为0～255，它代表着时钟的准确度。层数值的含义分别是

0：未指定或无效

1-16：1表示时钟准确度最高，准确度从1到16依次递减，层数为16的时钟处于未同步状态，不能作为参考时钟

17-255：保留。

1）Poll：NTP报文轮询间隔，占用8个bits，表示连续的NTP报文之间的时间间隔。

2）Precision：NTP时钟精度，占用8个bits。

3）RootDelay：根时延，占用8个bits，表示在主参考源之间往返的总共时延。

4）RootDispersion：根离散，占用8个bits，表示系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。

5）ReferenceIdentifier：时钟源标识，占用8个bits，用来标识特殊的时钟参考源。

6）参考时间戳：占用64个bits，表示上次设置或纠正系统时钟的时间。

7）原始时间戳：占用64个bits，表示请求离开服务器客户端的时间，。

8）接受时间戳：占用64个bits，表示客户端请求以64位时间戳格式到达服务器的时间。

9）传送时间戳：占用64个bits，表示服务器回复离开服务器的时间。

10）认证符（可选项）：占用96个bits。

3Client接收的实际报文解析

3.1RS-422接口实际报文解析

在Client哈里斯公务、专用电话网管电脑上安装串口调试助手软件，设置好波特率等参数后，点击开始，即可看到Client端所接收到的RS-422串口报文：

该报文为16进制表示，可将其翻译为十进制：

5C2018032115040283

根据RS-422串口协议可得出，Server发送给Client系统的标准时间为2018年3月21日15点04分02秒，83为校验位。

3.2NTP接口实际报文解析

NTP报文通过网络进行传输，需使用Wireshark软件捕捉其报文，并进行分析。

视频监视系统中传输的NTP报文如下：

根据上图，可以看出NTP授时顺序为Client首先发送一个NTP请求报文，Server回发一个应答报文，即可对Client进行授时。

该报文为16进制表示，需先将其翻译为2进制，然后根据需要翻译成所需要的信息。接下来解析几个比较重要的值：

3.2.1Client和Server的MAC地址

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

3.2.2Client和Server的IP地址

由InternetProtocolVersion4部分可知，Server的IP地址为192.6.61.8，Client的IP地址为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端口为64576。

3.2.4NTP版本号及模式

Client发送报文的NTP协议部分第一个字节为13，翻译成二进制为00010011。NTP版本号占用3-5bit，也就是010，翻译成十进制为2，也就是当前使用的NTP版本为2;NTP模式占用6-8bit，也就是011，翻译成十进制为3，也就是当前Clinet的NTP模式为客户模式。

Server发送报文的NTP协议部分第一个字节为14，翻译成二进制为00010100。NTP版本号占用3-5bit，也就是010，翻译成十进制为2，也就是当前使用的NTP版本为2;NTP模式占用6-8bit，也就是100，翻译成十进制为4，也就是当前Clinet的NTP模式为服务器模式。

以上信息与实际设备使用的NTP版本、MAC地址、IP地址相符。

3.2.5NTP时钟层数

Client发送报文的NTP协议部分第二个字节为00，即其时钟层数为0，不可参考。

Server发送报文的NTP协议部分第二个字节为01，即其时钟层数为1，准确度最高，可参考。

3.2.6ReferenceID

47505300字段表示参考时钟标识符，查询asiii码表可知其意为“GPS.”，即该系统授时的时间源为GPS标准时间。

3.2.7ReferenceTimestamp

de5b35c0c872af39为时间戳。

先处理高位32bit“de5b35c0”，将其转换为10进制3730519488，由于NTP时间和UTC时间起始不同，需要将该时间减少70年（1900年到1970年）2208988800（0x83AA7E80），则为1521530688，使用UTC转换器得到2018-03-207：24：48UTC（格林威治时间），2018-03-2015：24：48UTC+8（北京时间）。

再处理低位32bit“c872af39”，将其转换为10进制3362959161，根据公式计算usec=lsw*232.830644/1000000=782999us=0.782999s。

综上所述，故NTP参考时间戳“de5b35c0c872af39”转换成UTC时间为2018-03-2015：24：48.782999UTC+8（北京时间）。

4结语

此项研究，大大加深了维护人员对时钟系统的认知。在无授时源时，可人为搭建NTPServer，为NTPClient授时，当授时出现错误时，可查看授时软件Log日志或抓包，追溯相应的报文，查看是否标准时间有误，快速判断故障点。

参考文献：

[1]戴俊勉刘畅钟宇，广铁集团数据网NTP系统优化研究，铁道通信信号，2015，51（6）：61-63。

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