应用网络时间协议的卫星综合测试时间同步系统

史志敏 张鑫 王海英 魏振超

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

应用网络时间协议的卫星综合测试时间同步系统

史志敏 张鑫 王海英 魏振超

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

针对广域网环境下卫星综合测试系统存在的测试设备之间时间不同步问题，提出应用网络时间协议（NTP）构建卫星综合测试时间同步系统。该系统以NTP作为时间同步协议，以GPS或“北斗”导航设备终端作为高精度时间源，以用户数据包协议（UDP）组播形式实现同网段内各测试设备之间的时间同步，以UDP客户机/服务器形式实现跨网段测试设备之间的时间同步。文章提出的时间同步系统，可解决广域网卫星综合测试系统时间不同步问题，也能满足综合测试系统对时间精度的要求。

卫星综合测试系统；时间同步；网络时间协议

1 引言

为了满足航天事业对卫星平台和有效载荷发展提出的更多需求，我国建设了新的航天试验验证基地和发射基地。卫星综合测试人员须要对位于研制、试验、发射场所的卫星进行测试，因此有必要建立基于广域网的卫星综合测试系统，实现整星的远程测试。在基于广域网的卫星综合测试系统中，测试设备分布在各个场所，容易导致测试设备之间时间的不一致问题，产生测试数据时间戳混乱，从而影响测试数据的存储和测试结果的判读。为保证综合测试的正常进行，必须对整个卫星综合测试系统进行时间同步，以实现广域网状态下各场所测试设备之间的时间一致。

我国现有卫星综合测试系统是在局域网技术的基础上构建的分布式系统，系统中采用客户机/服务器模式的时间同步软件完成局域网内各测试设备之间的时间同步功能。时间同步软件系统应用用户数据包协议（UDP）组播技术及自定义时间协议，实现同网段测试设备之间的时间同步。由于UDP组播常常会受到路由设备的限制，跨网段实现测试设备的时间同步需要专门的数据网关软件支持。上述方式虽然可以实现时间同步信息在局域网上的传递，但是未考虑信息在网络上的延迟问题，不适用于广域网环境下测试设备之间的时间同步，因而须要采用新的技术手段解决广域网环境下的综合测试系统时间同步问题。

网络时间协议（NTP）是广泛应用于互联网的时间同步标准协议，同时被应用于美国军用设施中，如美国海军天文台应用包括NTP的一系列协议建设了网络时间同步服务器，并向公众开放［1］，美国海军战斗系统舰上时间同步系统采用NTP进行时间派发［2］。近年来，NTP在我国也被广泛应用于银行、电力［3］等行业中，并被研究应用于航天测控计算机系统［4］和装备管理信息系统［5］中。

根据广域网环境下卫星综合测试系统的特点，本文提出构建应用NTP的卫星综合测试时间同步系统，以GPS或“北斗”导航卫星终端作为高精度时间源，可解决卫星综合测试系统跨网段、跨地域的时间同步问题，同时能满足综合测试系统对时间精度的要求，实现广域网的卫星综合测试系统各测试设备之间的时间一致。

2 卫星综合测试时间同步技术研究

2.1 NTP时间同步技术

根据适用范围不同，目前采用的时间同步技术主要包括：GPS时间同步技术，短波授时和长波授时时间同步技术，电话拨号时间同步技术，数字数据网（DDN）专线时间同步技术，同步数字体系（SDH）网络时间同步技术，以太网时间同步技术等［6］。基于网络的时间同步协议包括：时间协议（Time Protocol）、日时协议（Daytime Protocol）、NTP，以及仅用于用户端的简单网络时间协议（SNTP）和精确时间协议（PTP）。其中：时间协议和日时协议没有考虑网络延时，能表示到秒级。NTP是一种基于TCP/IP的时间传递协议，能实现毫秒级的时间精度。SNTP是精简版的NTP［7］，主要对NTP涉及有关访问安全、服务器自动迁移部分进行缩减，其理论精度为秒级。PTP是一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的精确时间协议［8］，基于以太网的数据同步和管理，以及延时的自动校正等特点，具有亚微秒级同步精度，主要适用于本地网络。由于新的卫星综合测试系统是一个基于广域网的分布式系统，地面测试设备均通过TCP/IP网络进行连接，且考虑到卫星综合测试系统测试设备对时间精度的要求，本文重点研究NTP应用技术。

NTP是一种同步网络设备和服务器时钟的动态、稳定和容错的标准协议，实现因特网上高精确和健壮的时间同步服务［9］，最新的正式版本为 V4［10］。该协议可以独立地估算同步信息包在网络上的往返延迟及计算机时钟偏差，实现局域网上同步时间与标准时间差小于1 ms，而广域网上同步时间与标准时间差为几十毫秒［11］。

NTP服务器通过组播、对等及客户机/服务器3种方式与其他时间服务器或客户机进行时间同步。组播方式主要适用于同一局域网的环境，时间服务器以组播方式将时间信息传送给其他客户机实现时间同步。对等方式适用于配置冗余的时间服务器，即同层的时间服务器之间可以互相作为时间服务器进行时间同步。客户机/服务器方式适用于时间服务器与上层时间服务器的时间同步，并为下层同步客户机提供时间同步服务。

NTP时间同步原理如下：在客户机和服务器点对点连接情况下，客户机向服务器发送同步请求时间包，服务器接收到请求包后向客户机发送响应包。在这个过程中，记录下请求包离开客户机的时间戳T1和到达服务器的时间戳T2，以及响应包离开服务器的时间戳T3和到达客户机的时间戳T4。设请求包和响应包在网上传播的时间分别为δ1和δ2，客户机与服务器之间的时钟偏差为θ，数据包交换的往返延迟为δ，则

假设请求包和响应包在网上传播的时间相同，即δ1=δ2，则可解得

因此，客户机用T1，T2，T3，T4这4个时间戳就能够计算出θ及δ这两个关键参数。由式（2）可以看出，θ和δ只与T2-T1和T4-T3相关，而与T3-T2无关，即与服务器处理请求所需的时间无关。客户机可通过计算出的时钟偏差θ去调整客户机的本地时钟，使之与服务器时钟同步。

2.2 基于广域网的卫星综合测试系统

基于广域网的卫星综合测试系统（见图1）是在云计算技术基础上建立的系统，是对现有局域网测试系统的一个扩展。基于广域网的卫星综合测试系统由位于卫星研制基地云测试服务中心的云计算服务器集群和云存储集群、位于仪器设备间的测试设备、位于操作区的自动化测试实施设备和位于各场所测试工位的综合测试前端设备组成，可实现测试建模与设计、远程自动化测试、智能化判读与故障检测、综合测试过程管理、测试数据集成与分析等功能。其中：云测试服务中心由刀片服务器、存储设备及虚拟化管理软件组成，为云计算和云存储提供硬件资源，并采用虚拟化技术对硬件设备资源进行统一管理，将一台硬件服务器虚拟化为多个可调度的服务器，供多个卫星测试服务器软件共享使用。仪器设备间内部署各分系统后端专用或通用测试设备。测试操作人员通过自动化测试实施设备远程控制综合测试系统，以实现对各测试工位卫星的自动化测试。

基于广域网的综合测试系统分布于卫星研制区、卫星试验区、卫星发射区等各处，容易产生各处测试设备之间时间不一致问题。因此，为保证卫星综合测试工作能够正常顺利地进行，需要一个时间同步系统来保证各处测试设备之间时间一致。

图1 基于广域网的卫星综合测试系统Eig.1 Satellite integration test system based on wide area network

2.3 应用NTP的卫星综合测试时间同步系统

由于NTP能够实现因特网环境下精度达到几十毫秒的时间同步能力，为保证基于广域网的综合测试系统能够实现各测试设备之间的时间同步，并考虑到综合测试系统对时间精度的要求，选择NTP作为卫星综合测试时间同步系统协议标准，并给出该时间同步系统的方案。

卫星综合测试时间同步系统依托广域网卫星综合测试系统网络和测试设备建立。整个系统网络结构为树状层次结构，其网络结构如图2所示。在系统网络中，时间同步服务器分为一级、二级和三级。根据同步网络实际情况，时间服务器还可以继续扩展到四级或五级，等等。

图2 应用NTP的卫星综合测试时间同步系统网络结构Eig.2 Net framework of satellite integration test time synchronization system based on NTP

在应用NTP的卫星综合测试系统中，各测试设备之间的时间同步依据NTP标准进行。除一级同步服务器之外，每个同步服务器均以UDP组播的模式将时间同步信息发送给下一级时间同步客户机，同时也能以UDP客户机/服务器的模式实现上、下两级时间同步服务器之间的时间同步。由于同网段内数据包传输的网络延迟较小，在客户机与服务器之间的时间同步时可以忽略，因此同网段内客户机和服务器之间以UDP组播的形式进行。上、下级同步服务器之间的时间同步信息可能会跨越不同网段，因此这些服务器之间的时间同步须采用客户机/服务器的模式，并以NTP时间同步原理为依据。在不同网段间时间同步时，客户机向服务器发送同步请求时间包，记录请求包离开客户机的时间戳。当服务器接收到请求包时，记录包到达的时间戳，生成响应包，并记录响应包离开服务器的时间戳，然后再发送给客户机。客户机在接收到响应包时记录当时的时间戳。最后，客户机根据式（2）计算出客户机与服务器的时间偏差，并以该偏差去调整客户机的本地时钟，实现客户机和服务器之间的时钟同步。

考虑到整个广域网综合测试系统网络结构特征，以及卫星综合测试的实际需求，本文的时间同步系统选择综合测试系统云测试服务中心的一台计算机作为一级同步服务器。该服务器和一台GPS或“北斗”导航系统的授时终端设备相连，授时终端设备作为时间源为一级同步服务器提供协调世界时（UTC），一级同步服务器将获取的UTC时间转化为北京时间，并提供给二级同步服务器。由于云测试服务中心各虚拟服务器均配置在同一个网段下并形成集群，因此可以选择集群管理服务器作为一个二级同步服务器，集群中的其他成员均作为该二级同步服务器的客户机。每个仪器设备间的测试设备均配置在同一个网段下，因此可以选择一台计算机作为一个二级同步服务器，该仪器设备间的其他测试设备均作为该二级同步服务器的客户机。如果某仪器设备间的测试设备比较多，需要占用多个网段，那么该仪器设备间要根据网段配置多个二级同步服务器，为各自网段的测试设备提供时间服务。由于二级同步服务器较多会导致一级同步服务器负载过重，因此可以将一些网段配置为三级时间同步网络。每个测试工位放置的前端测试设备，处在和仪器设备间设备及云测试服务中心各服务器均不相同的网段内，因此要为测试大厅各网段配置二级或三级时间同步服务器。

应用NTP的卫星综合测试时间同步系统基于软件技术实现，如图3所示，从软件体系结构上看，可以划分为三个层次三种类型。三个层次即一级同步服务器层、次级同步服务器层和同步客户机层，三种类型的软件包括一级同步服务器软件、次级同步服务器软件和同步客户机软件。次级同步服务器和同步客户机均作为同一个上级同步服务器的时间同步节点，处于同一层次。三种软件之间的时间信息流向由图3中箭头标示。

图3 应用NTP的卫星综合测试时间同步系统软件方案Eig.3 Software architecture of satellite integration test time synchronization system based on NTP

本文提出的应用NTP的卫星综合测试时间同步系统，依据基于广域网的卫星综合测试系统搭建，且具有和基于广域网的卫星综合测试系统类似的网络层次结构。由于本文的时间同步系统的网络环境和结构与互联网环境相比相对独立和简单，数据传输路径相对单一，因此不考虑对通信过程中网络设备所造成的时间偏差进行校正，且时间同步服务器全部采用单一服务器的形式。

3 可行性与优势分析

1）可行性分析

本文时间同步系统采用的NTP为成熟的网络时间同步协议，在国外广泛应用于互联网软件系统中，国内被银行、通信、电力等各行业所采用，并被研究应用于航天测控计算机系统和装备管理信息系统中，技术成熟度高。文中所采用的UDP，是网络通信中的一个经常被采用的重要国际标准化组织（ISO）标准协议，且被现有综合测试系统及网络校时软件所采用。另外，就软件结构来说，本文所采用的客户机/服务器型层次结构，能够继承现有综合测试系统校时软件的相关技术。综上所述，建立应用NTP的卫星综合测试时间同步系统方案是可行的，能够满足广域网条件下的综合测试设备之间的时间同步要求。

2）优势分析

应用NTP的卫星综合测试时间同步系统，通过GPS或“北斗”导航设备终端获取高精度时间信息，并将该时间信息作为时间源提供给广域网综合测试系统，能够保证广域网综合测试系统时间源的精度。同时，以UDP组播形式实现同网段内各测试设备之间的时间同步，应用NTP时间同步原理并以UDP客户机/服务器形式实现跨网段测试设备之间的时间同步，既考虑了系统运行的效率问题，又满足了卫星综合测试系统时间精确到毫秒的要求，可有效解决现有综合测试系统校时软件所不能实现的广域网环境下综合测试系统的时间同步问题。

4 结束语

基于局域网的测试设备网络校时系统未考虑时间同步信息网络延迟，无法满足广域网情况下测试系统的时间同步要求。为此，本文根据广域网条件下卫星综合测试系统的特点，提出了应用NTP构建卫星综合测试时间同步系统。此系统首先从GPS或“北斗”导航卫星的终端设备获得高精度时间，分别采用UDP组播方式及UDP客户机/服务器方式，完成同网段内或跨网段测试设备之间的时间同步。该系统既能满足卫星综合测试系统时间同步信息的精度要求，同时又可解决广域网环境下综合测试系统的时间同步问题。

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（编辑：夏光）

Time Synchronization System of Satellite Integration Test Using NTP

SHI Zhimin ZHANG Xin WANG Haiying WEI Zhenchao
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

In order to resolve the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN（wide area net）environment，the paper puts forward a time synchronization system of satellite integration test based on NTP.This system uses NTP as time synchronization standard，and uses a GPS or Beidou navigation equipment as high precision time source.Time of test equipments in one net segment is synchronized by UDP group broadcast，and time of test equipments in different net segments is synchronized by UDP client/server.The system proposed can not only solve the problem of the time unsynchronization problem existing in satellite integration test system under WAN environment，but also satisfy the time precision requirement of satellite integration test system.

satellite integration test system；time synchronization；network time protocol

V416.8

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.019

2014-06-18；

2014-09-29

国家重大航天工程

史志敏，女，工程师，从事卫星综合测试工作。Email：iamtree@126.com。