NTP时统设备监测软件的设计

NTP时统设备监测软件的设计

郑志宏,,陈国华，刘厚智，姚诚

广州气象卫星地面站，广东省广州，510640

摘要: 时统设备有4个时间服务器，实施授时的业务计算机有30多台，由于这些设备放置的位置分散且距离远，对他们的授时信号锁定和授时状态无法了解，使授时工作变得不可靠。本文主要阐述设计一种时统设备监测软件，对4个时间服务器和30多台业务计算机授时进行闭环监测，实现智能授时，有效改善对时错误和死机现象，确保时间输出的连续性，大大提高时间服务器和业务计算机时间的准确性，使NTP授时变得安全和可靠。

关键词:  时间服务器；NTP；闭环监测；智能授时

前言

地面应用系统是气象卫星系统工程中十分重要的组成部分，每天要接收数颗气象卫星，由于气象卫星过境时间短，地面接收系统若要准确接收卫星信号，这就要求地面接收设备时间要准确、统一，尤其是计算机系统，担负着卫星轨道计算，天线跟踪，云图进机处理等任务。随着时间的推移，计算机的时钟会倾向于漂移，因此，使用网络时间协议（Network Time Protocol,NTP）来校正计算机系统时间就非常重要。

地面应用系统的时统设备有4个时间服务器，实施授时的业务计算机有30多台，由于这些设备放置的位置分散且距离远，对他们的授时信号锁定和授时状态无法了解，使授时工作变得不可靠。本文主要阐述设计一种时统设备监测软件，对4个时间服务器和30多台业务计算机授时进行闭环监测，实现智能授时，有效改善对时错误和死机现象，确保时间输出的连续性，大大提高时间服务器和业务计算机时间的准确性，使NTP授时变得安全和可靠。

1 授时系统

      1.1 NTP概述

将网络环境中的各种设备或主机的时间信息基于UTC 时间偏差限定在足够小的范围内(如100ms)，这种同步过程叫做时间同步。NTP是其中一种时间同步方式，适用于网络环境下，可以在一个无序的网络环境下提供精确和健壮的时间服务。

NTP 由美国特拉华大学的David L．Mills教授提出，是互联网上公认的时间同步工具[1]。NTP 协议是一种用在分布式时间服务器和客户端之间的时间同步授时技术[2] 。NTP由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源。它使用UTC作为时间标准，是基于无连接的IP 协议和UDP协议的应用层协议，使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备及进程延迟的严格控制。

1.2 地面应用系统的授时系统

采用原子钟来产生和保持标准时间，叫做"时间基准"，通过短波、长波、电话网、互联网、卫星等送达用户, 这一过程就称为"授时系统"。卫星授时在时间传递精度，覆盖范围，使用便利方面都有很大优势，目前应用广泛的卫星同步时间源主要有GPS和北斗。地面应用系统的授时系统采用高精度的卫星授时手段，有4台时间服务器接收GPS和北斗信号，通过NTP方式对30多台业务计算机进行授时，结构见框图1。

图 1  授时系统结构图

1.3 时统设备监测软件

1.对时间服务器进行监控，显示监测结果；

2.对业务计算机对时状态进行监控，显示监测结果。

一旦设备出现故障，监测软件就会获取到数据，通过告警方式通知外界，结构见图2。

图 2  改进后的授时系统结构图

2 时统设备监测软件的设计

时统设备监测软件是利用C#开发设计的C/S桌面系统软件，该软件主要实现数据库存储，系统参数配置，时统设备轮询，时间同步，时间比对，异常信息查询，告警提示等功能。

2.1设计流程和数据库的建立

时统设备监测软件，可监测在同一个局域网内的所有时统设备的时间。首先要确认一个目标地址，也就是目标时统设备，进行时间同步,然后,非目标时统设备的时间需要跟目标时统设备的时间进行对比；软件通过协议轮询列表目标时统设备，并且进行时间显示。自动显示所需监测时统设备与目标时统设备的时间差，达到一定的门限值就会进行报警，提示某设备出现异常现象。详细工作流程见图3。

                           图3  工作流程图

SQL Server 数据库可以组织管理任何数据，它可以将结构化、半结构化和非结构化文档的数据直接存储到数据库中。它具有可信任的、高效的、智能的等特点。时统设备监测软件使用Microsoft SQL Server存储数据，包括时间服务器相关信息、对比过程数据、时间错误预警记录数据,见图4和图5。

图4 数据库字段的建立图5 存储在数据库中的数据

2.2时统设备监测软件

2.2.1系统参数设置

将添加的时间服务器的详细资料，包括：设备名称、设备地址、天计数、日期、时间、是否同步、网络是否连通等信息综合到一个界面中进行显示，进而做到更加简洁、直观，如图6所示。

图6  系统参数设置

2.2.2 时间显示

     时间显示是时统设备监测软件的一个重要部分，可以时刻监测时间服务器的工作状态。为了比对时间的需要，分别设置主参时间服务器，时间服务器2，时间服务器3，时间服务器4，其中第一个显示的时间服务器为主参考时间服务器，如图7所示。

图7  时间显示区

2.2.3 时间同步

每一个显示时间定时与对应时间服务器进行时间同步，确保显示时间准确，设定同步时间阀值为10ms，并将同步结果记录存储到数据库。

2.2.4 轮询比对

通过内网，同时向所有时间服务器发出获取时间请求,返回每个时间服务器的时间，将其与主参照时间服务器的时间进行对比，并将对比结果记录存储到数据库。通过该数据也可得知比对数据是否存在异常，如时统设备或各项数值是否在正常范围内。

2.2.5 告警提示

当比对时间差连续三次超出阈值时，设置时间差阈值为95ms，在软件界面上提示“服务器时间错误告警”。

2.2.6 业务计算机授时状态

监测30台业务计算机授时状态也是监测软件重要部分。通过开始日期、截止日期和设备IP，可以查询、统计该段时间内的所有业务计算机比对时间超出阀值数值、超出阀值次数、与参考时间服务器失联次数和记录数据的总数。

3 应用效果

2021年5月时统设备监测软件投入使用。2021年12月，时统设备监测软件监测到8#塔的时间服务器 ( server 2 ) 出现异常，经检查，发现是网络出现连接不通问题，及时修复网络故障，8#塔的时间服务器 ( server 2 ) 状态恢复正常，确保了卫星轨道的正常接收；2022年3月，1#天线接收卫星信号有失锁现象，经检查后，发现静止时统设备( server 1 )出现秒跳现象，就是偶尔会输出时间差999秒现象，及时更换授时时间服务器( server 2 ) ，确保了天线跟踪正常；同时通过该软件获取的数据，经分析，发现极轨时统设备授时性能比静止时统设备好，故选用极轨时统设备( server 2 )作为授时主参考时间服务器。

4 结束语

自时统设备监测软件投入使用后，对时间服务器和业务计算机授时进行监测，对设备出现故障进行告警提示，有效减少对时错误和死机情况，对传统授时系统的网络安全性提升也有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 徐怡山，陶克，贺鹏．NTP 时间同步性能研究［J］．三峡大学学报( 自然科学版) ，2004，26( 6) : 537－539．

[2]  张红，王志强，陈前斌，等．NTP 协议及其在电信网络中的应用［J］．计算机应用，2004( S1) : 26－27．

作者简介：郑志宏（1968.10）汉族，女，福建省人，本科学历，高级工程师，从事研究方向：气象卫星接收及应用。