空管自动化系统中NTP服务优化探究

孟祥玉

一 引言

空管自动化系统为民航空管部门的核心，可为管制员提供准确的信息、帮助提高整体空域的可视性、加强与飞行员之间沟通效率。而对空管自动化系统而言，精确可靠的时钟源是系统进行数据采集监测、航迹计划分析处理的基础，是各系统安全运行的重要组成部分。

目前乌鲁木齐空管中心所使用的自动化系统为南京莱斯公司所研发的NUMEN3000自动化系统，其所引接的时钟源信号为北京东进公司生产的MTS620D系列网络时间服务器。因此本文将基于对NTP协议工作原理、NTP服务器工作方式和NTP 的网络结构的认识，并以NUMEN3000自动化系统为例进行探究并提出相应优化方案。

二 工作原理

若计算机不引接外部时钟源，而以BIOS内部的晶振为主要的时间依据，其晶振实际频率是受外界多种因素（温度、电压、老化等）影响，对于任何晶振其实际工作频率都是不稳定统一的。经过一段时间的积累，各类计算机将会出现较大的时间偏差，且在一定范围内很难保证各计算机之间的时间是同步的。因此在1985年由美国德拉瓦大学的DavidLMils提出一种在网络范围内使不同的计算机维持相同时间通信协议。NTP网络时间协议（Network Time Protocol，简称NTP），其采用规定的端口123作为其端口号，并采用TCP/IP中UDP方式进行数据通信。其最终目的是将网络内各个计算机的时间同步至协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC）。

其同步工作原理大致为：在内部网络中客户端A向时钟服务器B发送查询请求时间包，该请求包中有离开客户时的时间戳 T1，以客户端A时间系统为参照。当时钟服务器B接收到该请求包时，依次填入该包到达的时间戳 T2 以及离開时的时间戳 T3，之后返回给客户端A，以时钟服务器B时间系统为参照。客户端A在接收到响应包时再填入包，回到客户端A的时间戳，以客户端A时间系统为参照。客户端A利用这4 个时间戳就能够计算出两个关键的参数：数据包交换的往返延迟η，以及客户端与服务器之间的时钟偏差。

客户端A通过上述参数后即可对本地时钟进行补偿。再通过计算获得其中偏差后，对计算结果进行统计，经过多次采样后，对时间源（NTP服务器）进行分析比较，选择时间稳定度高的作为可信时间源，经过滤波处理，消除网络引起的时间波动，当客户计算机时间大于128毫秒时，采用设置当前时间T+ 平均offset进行step对时。在小于128毫秒时，以服务器时间为基准，对客户计算机的时间晶体振荡器进行测量，得出和服务器间的频率偏差，使用操作系统提供的时钟控制电路，对时间频率进行修正，保持和服务器同步。

三 自动化系统中的时钟同步

3.1系统时钟同步方案

空管自动化时钟同步整体由NTP时间网络系统构成，其包括时间参考源、一级节点核心时间服务器、二级节点时间服务器、三级节点需要时间统一的服务器、计算机终端及网络设备。其中NTP时间服务器和各种需要时间同步的计算机和网络终端设备通过以太网互连，使用TCP/IP协议通信，通过NTP或SNTP协议实现时间同步。NTP时间网络的授时精度在局域网内一般1毫秒至10毫秒。

一级时间服务器为系统核心节点，其通过接受GPS天线接收GPS卫星发送的协调世界时（UTC）信号作为外部时间基准信号，输出时间精度为 0.1μ S的1PPS（即1Pulse Per Second）脉冲。并通过 RS232串行口向服务器中心处理单元输送国际标准时间、日期和接收单元所处地理位置（经纬度）等信息。相关信息经过中心处理单元处理后，发送对时报文。对时报文以每秒1帧的输出频率，通过RJ45网口形式向下级节点输送NTP网络对时信号。

二级节点为区管中心SDP（监视数据处理）服务器，该节点通过网口与时钟服务器直连，采用NTP协议将该服务器系统时间与一级节点进行对时校准。

三级节点为空管自动化系统内各服务器工作站主机，其通过局域网核心交换机与二级节点相连接。在系统整体设计上第n+1层的机器向第n层的机器请求同步，第0层的机器与高精度计时设备相连。在使用时，客户机的NTP服务可以使用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性，即使客户机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下，仍有备份冗余节点服务器可提供高准确度时间。

3.2节点配置方案及优化

一级节点网络时间校时模块出厂IP地址为192.168.0.5。将用于校时模块参数设置的客户端计算机设为与一级节点相同的网段，在 windows 的 run 菜单里输入“telnet 192.168.0. 5 9999"进行远程设置。进入设置界面输入初始密码，选择服务器配置，并设置一级节点规划的的IP地址、子网掩码及广播地址，最后保存配置方案并退出。

选择空管自动化系统SDP（监视数据处理）服务器作为系统的二级节点，进入二级节点客户端linux系统，选择root用户登录。使用vim编辑器打开/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并将规划的一级节点时钟服务器IP填入文件。其后使用命令servicentpdstop命令停止二级节点服务器ntp服务，使用ntpdate命令将二级节点强制向一级节点立刻对时校准，其后使用servicentpdrestart 命令恢复二级节点ntp服务。配置系统时间同步，但服务器工作站系统硬件晶振时间并未更新，当各种原因导致和一级时间服务器间的网络断开后，系统利用晶振时间保持时间统一。因此可采取固定每日特定时间将服务器硬件时间刷新为对时后的系统时间此种优化方案，来保持服务器工作站系统硬件时间同步。

添加系统定时处理任务，撰写crontab系统定时脚本，使用hwclock -systohc命令将二级节点的系统硬件时间进行同步刷新至最新网络协调时。当采取上述优化后，系统将在每日特定时间进行硬件时间刷新。三级节点各服务器工作站亦修改/etc/inet/ntp.conf文件，更改其配置文件，并将规划的二级节SDP服务器IP填入文件，并更改系统定时脚本，刷新各自系统硬件时间。在完成上述配置后，登录一级节点，使用/home/bin/zlcmd脚本执行ntpq命令，查看系统时钟整体同步情况。

四结语

通过搭建NTP协议的时钟同步网，可消除空管自动化系统各计算机因晶振时钟、及人为原因手动校时的差错，使本系统内部网络中各计算机设备的时间同步，保证了全网时钟信息的精确统一。因此大幅度提高了系统内部各信息流转的时效性和记录的和准确性。

参考文献

[1]赵科佳，张爱敏，宁大愚.基于NTP协议的网络时间服务系统的实现[J].电子测试，2008，7：13～16.

[2] 袁媛 ， 周游 ， 王亮 ， 等 . 时间频率设备自动监控系统的设计与实现 [J]. 宇航计测技术 ，2015，35（03）：26-31.