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摘要：网络时间同步在空管领域得到越来越广泛的应用，时钟不同步或者出现偏差常常会对设备运行造成影响，也会对管制事件调查造成一定的偏差。本文将结合工作经验浅谈NTP在实际中的应用。
关键词：NTP；GPS时钟；校时
1 NTP简介
NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是用来使网络中的各个计算机时间同步的一种协议。它的用途是把计算机或者其它空管设备的时钟同步到世界协调时UTC，其精度在局域网内可达0.1ms。NTP协议属于应用层协议，定义了協议实现过程中所使用的结构、算法、试题和协议。NTP协议是基于IP和UDP的，也可以被其它协议组使用。默认使用的UDP端口号为123。对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其它时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其它的时钟，并且可以和其它设备互相同步。
2 NTP工作原理
2.1 NTP分层架构
NTP使用一种树状的，半分层的时间源系统。每一层称之为 stratum。每个 stratum 都有一个编号，从1开始，最大到15，16被用来标记设备未同步。一般情况下，顶层的为stratum 1，工作中一般由GPS时钟介入，stratum2的计算机将查询层1服务器。层2计算机也可能与其它层2计算机对等相连，为对等组中的所有设备提供更稳定的时间。后面第 n+1 层 stratum 从第 n 层同步时间，以此类推。
2.2 NTP计算时间延迟
Server和Client通过网络相连，它们都有自己独立的系统时钟，系统时钟同步的工作过程如下：
（1）Client向Server发送一个NTP报文，请求数据包传输的客户端时间戳为t0
（2）Server收到此NTP报文，请求数据包回复的服务器时间戳为t1。
（3）当此NTP报文离开Server时，Server再加上自己的时间戳，该时间戳为t2。
（4）当Client接收到该响应报文时，Client的本地时间为t3。
至此，Client已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数：Client相对Server的时间差θ=（（t1 - t0）+（t2 - t3））/2；
NTP报文的往返延迟δ=（t3 - t0）-（t2 - t1）Client就能根据这两个值来设定自己的本地时钟，使之与Server的时钟同步。
2.3 NTP工作模式
说到NTP的工作模式就不得不先解释一下NTP的报文格式。NTP的报文类型有时钟同步报文和控制报文两种，控制报文主要用于网络管理，这里就不展开说，主要介绍时钟同步报文。时钟同步报文封装在UDP报文中，主要字段包括LI（告警状态）、VN（NTP版本号）、Mode（NTP工作模式）、Stratum（系统时钟层数）等。Mode字段长度为3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含义分别是：0未定义、1表示主动对等体模式、2表示被动对等体模式、3表示客户模式、4表示服务器模式、5表示广播模式或组播模式、6表示此报文为NTP控制报文、7预留给内部使用。由此可知，NTP的工作模式包括4 种工作模式：对等体模式、客户/服务器模式、广播模式和组播模式。
对等体模式：主动端发送Mode值1的同步请求报文，被动端接收后自动工作在被动对等体模式，并回复Mode值2的应带报文。主动对等体和被动对等体可以互相同步，如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准。
客户/服务器模式：客户端发送Mode值3得同步请求报文，服务器端接收后自动工作在服务器模式，并回复Mode值4的应答报文，客户端接收后经过滤优选同步到服务器端。客户端仅能单向同步到服务器端。
广播模式：服务器端周期性发送时钟同步报文到广播地址255.255.255.255，客户端接收广播后先启用一个短暂的服务器/客户端模式与远程服务器交换消息估计延迟，随后进入广播客户端模式，根据广播同步时钟。
组播模式：服务器端周期性发送时钟同步报文到组播地址224.0.1.1，客户端接收广播后先启用一个短暂的服务器/客户端模式与远程服务器交换消息估计延迟，随后进入组播客户端模式，根据组播同步时钟。
3 案例分析
3.1 SCHMID内话面板的时钟与UTC时间偏差，最大偏差五分钟。造成录音回放与实际时间不一致。
SCHMID内话采用server/client模式校时，CtrlA，CtrlB定期向服务器端Mgmt1发送报文，依照Mgmt1的时钟进行同步。为了确保时钟的准确性，为Mgmt电脑引接了一路GPS信号，并用东进GPS校时软件进行校时。内话面板时钟误差说明NTP校时未正常工作。
解决方案：
（1）维护电脑上运行Cygwin.输入 ssh root@192.168.XX.1 登陆到commcontroller A Password：XX.#提示符下运行 install New Software，系统会自动从监控服务器下载软件，下载后系统会自动重启，此过程中请保持维护电脑到内话系统网络畅通。
（2）再次运行Cygwin.输入ssh root@192.168.XX.75 登陆到commcontroller B Password：XX.#提示符下运行 installNewSoftware
（3）待全部重启完成后，运行Cygwin分别登陆到 Controller A和B，
（4）运行NTPStart restart，查看NTP daemon是否正常运行。
内话运行过程中NTP进程吊死。重新启动NTP daemon后恢复正常。
3.2 现场监控系统时钟不准确，回放时间与实际UTC时间不一致。
现场监控系统采用server/client模式，各个摄像头从服务器读取时间，服务器没有外接GPS时钟，服务器长期运行导致时间偏差，时间的不精确导致与实际时间偏差。
解决方案：从东进GPS时钟服务器引接一路RS232时钟信号到现场监控服务器，然后使用东进GPS时钟软件对服务器电脑进行校时。东进GPS时钟服务器只能提供RS232接口信号，而监控服务器没有RS232接口。故引接一路RS232 GPS信号，经由C818E3 IP智能微控器将串口信号转换为IP信号，然后将IP信号接进现场监控系统交换机，在服务器中使用Xframe虚拟串口软件将IP信号转换为串口信号，这样就可以使用东进GPS校时软件对服务器校时。
4 结语
随着空管领域对设备稳定性可靠性的要求不断提高，设备系统数量又不断增加，设备校时的需求不断增大，传统的人工校时显得不切实际。GPS时钟的接口资源有限，不可能做到每一台设备连接一路GPS信号。单套系统连接一路GPS信号，通过server/client模式进行NTP校时，就可以同时实现多系统的准确校时需求。日常维护中，在资源有限的情况下，灵活使用协议转换等手段可以有效解决问题。笔者通过几年的空管系统设备维护，处理GPS时钟相关问题，逐步开始深入了解NTP校时协议，并结合设备维护提出自己的一些体会。
参考文献：
[1] 陈明.苏小敏.基于GPS的NTP网络实现[J].现代电子技术.2011年16期
[2] 沈燕芬.用于网络时间同步的NTP协议[J].现代计算机.2004年04期
[3] 贺鹏.李菁.吴海涛.网络时间同步算法研究与实现[J].计算机应用.2003年02期
（作者单位：民航浙江空管分局）
关键词：NTP；GPS时钟；校时
1 NTP简介
NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是用来使网络中的各个计算机时间同步的一种协议。它的用途是把计算机或者其它空管设备的时钟同步到世界协调时UTC，其精度在局域网内可达0.1ms。NTP协议属于应用层协议，定义了協议实现过程中所使用的结构、算法、试题和协议。NTP协议是基于IP和UDP的，也可以被其它协议组使用。默认使用的UDP端口号为123。对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其它时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其它的时钟，并且可以和其它设备互相同步。
2 NTP工作原理
2.1 NTP分层架构
NTP使用一种树状的，半分层的时间源系统。每一层称之为 stratum。每个 stratum 都有一个编号，从1开始，最大到15，16被用来标记设备未同步。一般情况下，顶层的为stratum 1，工作中一般由GPS时钟介入，stratum2的计算机将查询层1服务器。层2计算机也可能与其它层2计算机对等相连，为对等组中的所有设备提供更稳定的时间。后面第 n+1 层 stratum 从第 n 层同步时间，以此类推。
2.2 NTP计算时间延迟
Server和Client通过网络相连，它们都有自己独立的系统时钟，系统时钟同步的工作过程如下：
（1）Client向Server发送一个NTP报文，请求数据包传输的客户端时间戳为t0
（2）Server收到此NTP报文，请求数据包回复的服务器时间戳为t1。
（3）当此NTP报文离开Server时，Server再加上自己的时间戳，该时间戳为t2。
（4）当Client接收到该响应报文时，Client的本地时间为t3。
至此，Client已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数：Client相对Server的时间差θ=（（t1 - t0）+（t2 - t3））/2；
NTP报文的往返延迟δ=（t3 - t0）-（t2 - t1）Client就能根据这两个值来设定自己的本地时钟，使之与Server的时钟同步。
2.3 NTP工作模式
说到NTP的工作模式就不得不先解释一下NTP的报文格式。NTP的报文类型有时钟同步报文和控制报文两种，控制报文主要用于网络管理，这里就不展开说，主要介绍时钟同步报文。时钟同步报文封装在UDP报文中，主要字段包括LI（告警状态）、VN（NTP版本号）、Mode（NTP工作模式）、Stratum（系统时钟层数）等。Mode字段长度为3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含义分别是：0未定义、1表示主动对等体模式、2表示被动对等体模式、3表示客户模式、4表示服务器模式、5表示广播模式或组播模式、6表示此报文为NTP控制报文、7预留给内部使用。由此可知，NTP的工作模式包括4 种工作模式：对等体模式、客户/服务器模式、广播模式和组播模式。
对等体模式：主动端发送Mode值1的同步请求报文，被动端接收后自动工作在被动对等体模式，并回复Mode值2的应带报文。主动对等体和被动对等体可以互相同步，如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准。
客户/服务器模式：客户端发送Mode值3得同步请求报文，服务器端接收后自动工作在服务器模式，并回复Mode值4的应答报文，客户端接收后经过滤优选同步到服务器端。客户端仅能单向同步到服务器端。
广播模式：服务器端周期性发送时钟同步报文到广播地址255.255.255.255，客户端接收广播后先启用一个短暂的服务器/客户端模式与远程服务器交换消息估计延迟，随后进入广播客户端模式，根据广播同步时钟。
组播模式：服务器端周期性发送时钟同步报文到组播地址224.0.1.1，客户端接收广播后先启用一个短暂的服务器/客户端模式与远程服务器交换消息估计延迟，随后进入组播客户端模式，根据组播同步时钟。
3 案例分析
3.1 SCHMID内话面板的时钟与UTC时间偏差，最大偏差五分钟。造成录音回放与实际时间不一致。
SCHMID内话采用server/client模式校时，CtrlA，CtrlB定期向服务器端Mgmt1发送报文，依照Mgmt1的时钟进行同步。为了确保时钟的准确性，为Mgmt电脑引接了一路GPS信号，并用东进GPS校时软件进行校时。内话面板时钟误差说明NTP校时未正常工作。
解决方案：
（1）维护电脑上运行Cygwin.输入 ssh root@192.168.XX.1 登陆到commcontroller A Password：XX.#提示符下运行 install New Software，系统会自动从监控服务器下载软件，下载后系统会自动重启，此过程中请保持维护电脑到内话系统网络畅通。
（2）再次运行Cygwin.输入ssh root@192.168.XX.75 登陆到commcontroller B Password：XX.#提示符下运行 installNewSoftware
（3）待全部重启完成后，运行Cygwin分别登陆到 Controller A和B，
（4）运行NTPStart restart，查看NTP daemon是否正常运行。
内话运行过程中NTP进程吊死。重新启动NTP daemon后恢复正常。
3.2 现场监控系统时钟不准确，回放时间与实际UTC时间不一致。
现场监控系统采用server/client模式，各个摄像头从服务器读取时间，服务器没有外接GPS时钟，服务器长期运行导致时间偏差，时间的不精确导致与实际时间偏差。
解决方案：从东进GPS时钟服务器引接一路RS232时钟信号到现场监控服务器，然后使用东进GPS时钟软件对服务器电脑进行校时。东进GPS时钟服务器只能提供RS232接口信号，而监控服务器没有RS232接口。故引接一路RS232 GPS信号，经由C818E3 IP智能微控器将串口信号转换为IP信号，然后将IP信号接进现场监控系统交换机，在服务器中使用Xframe虚拟串口软件将IP信号转换为串口信号，这样就可以使用东进GPS校时软件对服务器校时。
4 结语
随着空管领域对设备稳定性可靠性的要求不断提高，设备系统数量又不断增加，设备校时的需求不断增大，传统的人工校时显得不切实际。GPS时钟的接口资源有限，不可能做到每一台设备连接一路GPS信号。单套系统连接一路GPS信号，通过server/client模式进行NTP校时，就可以同时实现多系统的准确校时需求。日常维护中，在资源有限的情况下，灵活使用协议转换等手段可以有效解决问题。笔者通过几年的空管系统设备维护，处理GPS时钟相关问题，逐步开始深入了解NTP校时协议，并结合设备维护提出自己的一些体会。
参考文献：
[1] 陈明.苏小敏.基于GPS的NTP网络实现[J].现代电子技术.2011年16期
[2] 沈燕芬.用于网络时间同步的NTP协议[J].现代计算机.2004年04期
[3] 贺鹏.李菁.吴海涛.网络时间同步算法研究与实现[J].计算机应用.2003年02期
（作者单位：民航浙江空管分局）