宋宇航，劉 敏，吳宏碩，林 杰，楊國(guó)文

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引言

隨著我國(guó)船舶設(shè)備水平的不斷提高，已經(jīng)形成了多種船舶設(shè)備體系，各設(shè)備間的用時(shí)需求和交互需求日益增多[1]。船舶設(shè)備時(shí)間的統(tǒng)一性和精確度是設(shè)備正常工作和交互的前提，同時(shí)也是保障船舶通信、導(dǎo)航、操控等功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)條件[2]。船用時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)多種授時(shí)方式向用時(shí)設(shè)備發(fā)送基準(zhǔn)時(shí)間，為全船提供自主、連續(xù)、統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)信息[3]。目前的船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備大多通過(guò)以太網(wǎng)授時(shí)、以太網(wǎng)授時(shí)+點(diǎn)對(duì)點(diǎn)秒脈沖和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串口授時(shí)+點(diǎn)對(duì)點(diǎn)秒脈沖這三種方式向外授時(shí)。以太網(wǎng)授時(shí)+點(diǎn)對(duì)點(diǎn)秒脈沖和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串口授時(shí)+點(diǎn)對(duì)點(diǎn)秒脈沖授時(shí)方式具有較高的授時(shí)精度，優(yōu)于1μs，該種授時(shí)方式的用戶多為對(duì)于授時(shí)精度要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備。對(duì)于其他入網(wǎng)用戶，若采取上述方式進(jìn)行授時(shí)代價(jià)過(guò)高，一般通過(guò)全船主干網(wǎng)從時(shí)統(tǒng)設(shè)備獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼的方式進(jìn)行以太網(wǎng)授時(shí)。但由于以太網(wǎng)授時(shí)方式無(wú)對(duì)時(shí)秒脈沖信號(hào)，僅用于s級(jí)對(duì)時(shí)，精度難以保證。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)最早于1985年由美國(guó)特拉華大學(xué)的David L. Mills教授提出，目前已經(jīng)發(fā)展到NTP v4版本。NTP源于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Transmission Control Proto-col/Internet Protocol, TCP/IP)，基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)進(jìn)行時(shí)間傳遞，在廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)中均可使用[4-6]。隨著船舶主干網(wǎng)用時(shí)用戶的日益增多，對(duì)于時(shí)間精度的要求也日益增強(qiáng)，衍生出了時(shí)統(tǒng)設(shè)備向NTP授時(shí)服務(wù)器發(fā)送1PPS和TOD信息，再通過(guò)NTP授時(shí)服務(wù)器向外發(fā)送時(shí)間的NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)方式，以提升以太網(wǎng)授時(shí)的精度[7]。因此，若能在原有時(shí)統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種基于NTP授時(shí)的船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備，將能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度，并減少NTP授時(shí)服務(wù)器這一設(shè)備層級(jí)，以提升船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備的組合化和通用性。本文基于NTP授時(shí)原理，通過(guò)在船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備中配置NTP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)，給出了基于全船主干網(wǎng)絡(luò)的NTP授時(shí)方案，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試了設(shè)備的NTP授時(shí)精度。

1 NTP授時(shí)技術(shù)簡(jiǎn)述

NTP是互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要用于保持網(wǎng)絡(luò)中電子設(shè)備時(shí)間的一致性。NTP 提供精確時(shí)間同步服務(wù)的前提是要有精確的時(shí)間源，包括衛(wèi)星信號(hào)、天文臺(tái)信號(hào)、高精度頻率基準(zhǔn)或從互聯(lián)網(wǎng)獲取的時(shí)間信息，其時(shí)間源標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated, UTC)。NTP分為v0、v1、v2、v3、v4共5個(gè)版本，現(xiàn)今使用較多的是v3和v4版本，NTPv3和v4版本分別由RFC1305和RFC5905[8]定義，征求修正意見(jiàn)書(shū)(Request For Comments, RFC)協(xié)議對(duì)NTP的事件、參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、算法和工作模式等內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定和說(shuō)明。現(xiàn)以RFC5905協(xié)議規(guī)定的NTPv4版本為例，說(shuō)明了NTP的工作模式及原理。

NTP的信息報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸基于 UDP，使用固定的UDP端口號(hào)123，可以更好地重復(fù)利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，以便在更多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行高精度時(shí)間同步，表1所示為NTP的報(bào)文格式。LI(Leap Indicator)表示閏秒指示；VN(Version Number)表示NTP版本號(hào)；Mode表示NTP的工作模式，根據(jù)請(qǐng)求方式的不同，NTP工作模式可分為客戶端/服務(wù)器模式、對(duì)等體模式和廣播/組播模式；Stratum表示系統(tǒng)時(shí)鐘所處層級(jí)，數(shù)值越小代表層級(jí)越高，時(shí)間的準(zhǔn)確度越高，一般來(lái)講，在局域網(wǎng)中層級(jí)為1的NTP服務(wù)器即為主參考時(shí)鐘[9-10]。

表1 NTP的報(bào)文格式

NTP時(shí)間同步過(guò)程通過(guò)NTP數(shù)據(jù)包在客戶端和服務(wù)器間的通信完成[11-12]。下面以一個(gè)基本同步過(guò)程簡(jiǎn)述NTP的基本原理：1)客戶端A和服務(wù)器B通過(guò)以太網(wǎng)連接；2)客戶端A向服務(wù)器B請(qǐng)求時(shí)間同步，A發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，其中包含該包離開(kāi)A的時(shí)間戳T1；3)服務(wù)器B接收到數(shù)據(jù)包后，并記錄到達(dá)時(shí)間戳T2；4)B回復(fù)一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含T1、T2、T3，其中T3為B發(fā)出NTP包的時(shí)間；5)A收到來(lái)自B返回的NTP包，記錄包返回的時(shí)間戳T4。NTP授時(shí)原理如圖1所示。

d1為NTP請(qǐng)求包傳送延時(shí)，d2為NTP回復(fù)包傳送延時(shí)，t為服務(wù)器和客戶端之間的時(shí)間偏差，d為NTP包的往返時(shí)間。

(1)

假設(shè)NTP請(qǐng)求和回復(fù)包傳送延時(shí)相等，即d1=d2，則可解得

(2)

根據(jù)式(1)，t也可以表示為

t=(T2-T1)-d1=(T2-T1)-d/2

(3)

可以看出，t和d只與T2、T1差值及T3、T4差值相關(guān)，與T2、T3差值無(wú)關(guān)，即最終的結(jié)果與服務(wù)器處理請(qǐng)求所需的時(shí)間無(wú)關(guān)。根據(jù)這4個(gè)時(shí)間戳確定客戶機(jī)和服務(wù)器之間的時(shí)間偏差t，進(jìn)而調(diào)整本地時(shí)鐘，客戶端A就得到了服務(wù)器B中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。所以在實(shí)際狀態(tài)下，即使服務(wù)器因客戶端請(qǐng)求次數(shù)過(guò)多導(dǎo)致響應(yīng)速度減慢，也不會(huì)對(duì)NTP時(shí)間同步精度產(chǎn)生影響[13]。

2 船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP服務(wù)的硬件架構(gòu)

船用時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)有其自身特點(diǎn)：一方面，當(dāng)船舶駛離大陸，短波和長(zhǎng)波等岸基授時(shí)方式受地理位置因素影響較大，超出服務(wù)范圍則無(wú)法使用；另一方面，需要防止衛(wèi)星授時(shí)受到壓制式干擾或者欺騙式干擾。因此，船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具備如下功能：1)時(shí)統(tǒng)設(shè)備在可接收外部授時(shí)的情況下，通過(guò)衛(wèi)星、短波、長(zhǎng)波等多種方式獲取基準(zhǔn)時(shí)間，以保障船舶時(shí)間基準(zhǔn)的精度；2)設(shè)備內(nèi)應(yīng)具有高精度原子頻標(biāo)，以確保在丟失外部授時(shí)源的狀態(tài)下，能夠通過(guò)自主守時(shí)保證精度；3)時(shí)統(tǒng)設(shè)備可通過(guò)多種途徑向其他用時(shí)設(shè)備進(jìn)行授時(shí)。

根據(jù)船用時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的時(shí)統(tǒng)設(shè)備，可接收多種外部時(shí)間源信號(hào)并進(jìn)行時(shí)間同步，內(nèi)置原子頻標(biāo)具備自主守時(shí)功能，根據(jù)使用環(huán)境配備多種輸出接口。當(dāng)存在外部時(shí)間源信號(hào)時(shí)，時(shí)統(tǒng)設(shè)備處于同步工作模式，跟蹤外部時(shí)間源信息；當(dāng)外部時(shí)間源信號(hào)消失或被干擾時(shí)，時(shí)統(tǒng)設(shè)備處于守時(shí)工作模式，依靠原子頻標(biāo)進(jìn)行守時(shí)，等待外部時(shí)間源信號(hào)的恢復(fù)。在同步或守時(shí)模式下，時(shí)統(tǒng)設(shè)備均能對(duì)外發(fā)出持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的時(shí)間信息。在滿足原有時(shí)統(tǒng)設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了支持NTP服務(wù)的NTP模塊，使時(shí)統(tǒng)設(shè)備具有NTP服務(wù)器功能，可對(duì)外進(jìn)行NTP授時(shí)。

圖2 船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP服務(wù)的硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of NTP service for marine timing equipment

船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備由電源模塊、時(shí)間處理模塊、原子頻標(biāo)和NTP模塊組成。電源模塊接收外部的直流或交流電，并為設(shè)備內(nèi)部各模塊供電。時(shí)間處理模塊負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星、無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備、短波等外部時(shí)間信息，并將其解算為1PPS+TOD，提供1PPS基準(zhǔn)信號(hào)馴服原子頻標(biāo)，為NTP模塊提供1PPS+TOD信號(hào)，以及為外部設(shè)備提供相應(yīng)的時(shí)間基準(zhǔn)信息。原子頻標(biāo)內(nèi)置銣原子鐘，是設(shè)備的內(nèi)部頻率源，當(dāng)外部時(shí)間信息消失時(shí)，可由原子頻標(biāo)進(jìn)行守時(shí)，持續(xù)可靠地對(duì)外輸出1PPS。同時(shí)，原子頻標(biāo)負(fù)責(zé)為NTP模塊提供10MHz基準(zhǔn)和1PPS基準(zhǔn)。NTP模塊通過(guò)內(nèi)部的ARM芯片配置NTP服務(wù)，原子頻標(biāo)提供的10MHz頻率基準(zhǔn)作為ARM的外部時(shí)鐘基準(zhǔn)，其他模塊提供的1PPS+TOD是NTP服務(wù)的精確時(shí)間源，通過(guò)捕獲1PPS基準(zhǔn)信號(hào)定時(shí)校準(zhǔn)NTP服務(wù)時(shí)間。

船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP服務(wù)的授時(shí)精度主要由基準(zhǔn)時(shí)間源、ARM硬件時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘的漂移、NTP指令處理時(shí)間及局域網(wǎng)延時(shí)決定。時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP服務(wù)的時(shí)間源由天線、衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)等外部時(shí)間基準(zhǔn)信息或內(nèi)部原子頻標(biāo)高精度守時(shí)提供，具有極高的準(zhǔn)確性，以接收北斗二號(hào)衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)為例，其授時(shí)精度可達(dá)到20ns。NTP服務(wù)通過(guò)ARM實(shí)現(xiàn)，一般ARM的硬件時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘由晶振驅(qū)動(dòng)，ARM時(shí)鐘的準(zhǔn)確度由晶振的頻率準(zhǔn)確度決定。為減少因時(shí)鐘漂移產(chǎn)生的時(shí)間偏差，ARM的硬件時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘由原子頻標(biāo)提供的高精度頻率基準(zhǔn)10MHz驅(qū)動(dòng)，10MHz頻率準(zhǔn)確度可達(dá)5×10-12。NTP服務(wù)運(yùn)行時(shí)，ARM高優(yōu)先級(jí)處理外部1PPS中斷，用外部高精度1PPS對(duì)服務(wù)器進(jìn)行定期同步，以提高時(shí)鐘長(zhǎng)期計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度。此外，選擇高主頻ARM構(gòu)架平臺(tái)，利用實(shí)時(shí)任務(wù)處理機(jī)制，加快指令處理速度。NTP是UDP，通常處理1個(gè)NTP指令的執(zhí)行時(shí)間基本是亞ms級(jí)別。NTP授時(shí)精度還和NTP服務(wù)器與客戶端間的網(wǎng)絡(luò)狀況有關(guān)，局域網(wǎng)內(nèi)100MB以太網(wǎng)幀在百兆網(wǎng)絡(luò)物理層單向延時(shí)理論值約8μs。綜上所述，在不考慮主干網(wǎng)路由器產(chǎn)生的延遲下，通過(guò)船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行NTP授時(shí)的理論精度可以達(dá)到亞ms級(jí)。

3 船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP授時(shí)方案與軟件配置

在NTP授時(shí)方式下，船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為1級(jí)NTP服務(wù)器向外同步時(shí)間，時(shí)統(tǒng)設(shè)備處于Stratum 1層級(jí)，是船用網(wǎng)絡(luò)NTP服務(wù)的時(shí)間基準(zhǔn)。用時(shí)設(shè)備需按照RFC5905要求配置相應(yīng)的NTP接收終端軟件。根據(jù)實(shí)際需要，時(shí)統(tǒng)設(shè)備可采取不同的工作模式向不同用戶進(jìn)行NTP授時(shí)。由于時(shí)統(tǒng)設(shè)備內(nèi)置了NTP模塊，主干網(wǎng)內(nèi)無(wú)需配置額外的NTP 1級(jí)授時(shí)服務(wù)器向外輸出NTP時(shí)間信號(hào)，有效減少了設(shè)備層級(jí)，提升了時(shí)統(tǒng)設(shè)備的通用性。本文以一種最簡(jiǎn)方案為例，說(shuō)明了船舶主干網(wǎng)絡(luò)的NTP授時(shí)過(guò)程，如圖3所示。

圖3 船舶主干網(wǎng)絡(luò)NTP授時(shí)方案Fig.3 NTP timing scheme for ship network

1)時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為NTP 1級(jí)服務(wù)器，以客戶端/服務(wù)器模式向接入的用戶1進(jìn)行時(shí)間同步。用戶1向時(shí)統(tǒng)設(shè)備提出對(duì)時(shí)請(qǐng)求，根據(jù)交換的數(shù)據(jù)包計(jì)算其間的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，并調(diào)整用戶1的本地時(shí)鐘。

2)時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為NTP 1級(jí)服務(wù)器，通過(guò)船用主干網(wǎng)絡(luò)以廣播模式周期性地發(fā)送NTP時(shí)間信息，用戶2接收到NTP時(shí)間信息后，無(wú)需計(jì)算時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，直接使用收到的時(shí)間信息調(diào)整用戶2的本地時(shí)鐘。

3)時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為NTP 1級(jí)服務(wù)器，根據(jù)需求以客戶端/服務(wù)器模式或廣播模式向2級(jí)授時(shí)服務(wù)器發(fā)送基準(zhǔn)時(shí)間，2級(jí)授時(shí)服務(wù)器根據(jù)需求再以不同的工作模式向下一級(jí)授時(shí)服務(wù)器或用戶進(jìn)行時(shí)間同步。

為實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，需要對(duì)NTP服務(wù)進(jìn)行軟件配置。本文采用Linux平臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間校正協(xié)議(Network Time Protocol Daemon, NTPD)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，NTPD服務(wù)較為成熟，可配置的參數(shù)較多，對(duì)服務(wù)的控制較細(xì)[14]。通過(guò)修改ntp.conf文件實(shí)現(xiàn)NTP服務(wù)的安全性設(shè)置、訪問(wèn)控制策略、NTP服務(wù)器的stratum和工作模式等內(nèi)容。配置成功后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行NTP報(bào)文格式驗(yàn)證和NTP授時(shí)精度測(cè)試。計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與時(shí)統(tǒng)設(shè)備連接，使用wireshark軟件接收時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP報(bào)文，圖4所示為時(shí)統(tǒng)設(shè)備輸出的NTP報(bào)文格式?？梢钥闯?，船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP版本為4，stratum層級(jí)為1，UDP端口號(hào)為123。時(shí)統(tǒng)設(shè)備工作在北斗同步模式下，設(shè)備正常工作0.5h后通過(guò)網(wǎng)線與TimeAcc007時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x連接，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為2h，圖5所示為通過(guò)TimeAcc007測(cè)量的NTP授時(shí)精度，考慮到TimeAcc007的NTP測(cè)量精度為±35ns，則NTP授時(shí)精度優(yōu)于450μs。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備具備N(xiāo)TP 1級(jí)授時(shí)服務(wù)器的全部條件。

圖4 船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP輸出報(bào)文Fig.4 NTP time formats of marine timing system

圖5 船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP授時(shí)精度Fig.5 NTP timing accuracy of marine timing system

4 結(jié)論

本文基于NTP授時(shí)的基本原理，設(shè)計(jì)了新型船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備，通過(guò)配置相關(guān)軟件，實(shí)現(xiàn)了時(shí)統(tǒng)設(shè)備的NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，時(shí)統(tǒng)設(shè)備可作為NTP 1級(jí)授時(shí)服務(wù)器對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行不同工作模式下的NTP授時(shí)服務(wù)。時(shí)統(tǒng)設(shè)備N(xiāo)TP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)有效解決了船舶入網(wǎng)設(shè)備的用時(shí)需求，同時(shí)簡(jiǎn)化了NTP授時(shí)服務(wù)的設(shè)備層級(jí)，保證了船用時(shí)統(tǒng)設(shè)備授時(shí)服務(wù)的準(zhǔn)確性，提升了時(shí)統(tǒng)設(shè)備的通用性和授時(shí)方式的多樣性。