基于 NTP 的航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)系統(tǒng)研究論文
0 引言
隨著我國(guó)航天技術(shù)的快速發(fā)展，在系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)形成了多種業(yè)務(wù)種類、多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的航天網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系。例如衛(wèi)星發(fā)射和測(cè)控系統(tǒng)需要依靠高可靠性和高精確度的計(jì)算機(jī)來(lái)控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工作。這類應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備的時(shí)鐘統(tǒng)一性和精確度要求很高，必須對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步，以保持航天器與測(cè)控系統(tǒng)各用戶設(shè)備時(shí)間和頻率的高度一致。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(network time protocol，NTP)采用主動(dòng)對(duì)時(shí)方法，克服了網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制對(duì)系統(tǒng)校時(shí)精度的影響，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的一致和精確;因此，采用 NTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)系統(tǒng)，可以有效解決這一問(wèn)題。筆者對(duì) NTP 基本原理、工作模式等進(jìn)行研究，建立了在航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的 NTP 對(duì)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)架，設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)了 NTP 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)系統(tǒng)。
1 NTP 的基本概念
1.1 NTP 協(xié)議
NTP 協(xié)議是美國(guó) Delaware 大學(xué)的 Mills 教授在1985 年提出的，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間服務(wù)器或精確的時(shí)鐘源(如石英鐘、GPS 等)同計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘同步。NTP協(xié)議適用于在擁塞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供精確和健壯的對(duì)時(shí)服務(wù)，把計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源上，可實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)上誤差小于 1 ms，廣域網(wǎng)上幾十毫秒的高精度時(shí)間校準(zhǔn)，同時(shí)其加密認(rèn)證的模式可防止惡意的協(xié)議攻擊，具有廣泛的應(yīng)用前景。
1.2 NTP 基本原理
NTP協(xié)議主要以客戶端/服務(wù)器方式進(jìn)行對(duì)時(shí)，而且適用于性能差異大的客戶端及服務(wù)器，每次對(duì)時(shí)共需2個(gè)數(shù)據(jù)包。假設(shè)客戶端發(fā)送對(duì)時(shí)請(qǐng)求的本地時(shí)間為T1，服務(wù)器端接收對(duì)時(shí)請(qǐng)求的服務(wù)器時(shí)間為T2，服務(wù)器端返回對(duì)時(shí)請(qǐng)求的服務(wù)器時(shí)間為T3，客戶端收到返回請(qǐng)求的本地時(shí)間為T4為客戶端和服務(wù)器端的時(shí)間偏差，T1到T2的路徑延遲為1，T3到T4的路徑延遲為2總路徑延遲。
2 NTP 在航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)架構(gòu)
目前，航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備使用直接連接時(shí)鐘源的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，如以銣原子鐘為高精度時(shí)鐘源，IRIG-B 為串行時(shí)間同步碼(該碼可以實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)時(shí)，具有標(biāo)準(zhǔn)化接口等特點(diǎn))。這樣每臺(tái)設(shè)備都需配置 PCI 時(shí)統(tǒng)卡來(lái)解 B(DC)碼，造成系統(tǒng)成本高且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而未配置 PCI 時(shí)統(tǒng)卡的設(shè)備時(shí)鐘大多靠人工手動(dòng)來(lái)調(diào)整，鑒于人工手動(dòng)調(diào)整引起的.誤差以及各個(gè)設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘的性能差異等因素，會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備時(shí)間的不統(tǒng)一。
3 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
筆者以 Visual C++6.0 為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用 Winsock網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 NTP 報(bào)文的收發(fā)功能。
3.1 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3 所示。服務(wù)器運(yùn)行后，通過(guò)對(duì)串口接收數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷上級(jí)時(shí)鐘源的類型，計(jì)算出 UTC 時(shí)間;根據(jù)工作模式的設(shè)置可以定時(shí)向客戶端廣播時(shí)間報(bào)文，或接收客戶端的時(shí)間同步請(qǐng)求，調(diào)用本地時(shí)鐘查詢函數(shù)來(lái)添加請(qǐng)求報(bào)文的到達(dá)時(shí)間戳 T2，將上述報(bào)文保存在表中，接收下一個(gè)時(shí)間同步請(qǐng)求;如果此時(shí)沒有新的請(qǐng)求，則再次調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間并添加返回給客戶端的時(shí)間戳 T3，并同時(shí)將時(shí)間報(bào)文送回客戶端。
3.2 客戶端軟件實(shí)現(xiàn)
客戶端軟件主要功能有：定時(shí)向 NTP 時(shí)間服務(wù)器發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求并接收時(shí)間服務(wù)器返回的帶有時(shí)間戳的 NTP 報(bào)文，計(jì)算時(shí)間偏差、網(wǎng)絡(luò)延遲和調(diào)整本地系統(tǒng)時(shí)間;能夠通過(guò)廣播方式接收?qǐng)?bào)文并直接調(diào)整本地系統(tǒng)時(shí)間;提供對(duì)時(shí)請(qǐng)求函數(shù)接口為其他應(yīng)用程序調(diào)用。
4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐結(jié)果證明：該系統(tǒng)能把全網(wǎng)中的設(shè)備時(shí)間偏差精度控制在 1 ms 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高精度對(duì)時(shí)，確保了航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)時(shí)間的準(zhǔn)確性和一致性。
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