北極星時鐘系統接口原始報文研究

馬小龍

摘要：地鐵的北極星時鐘系統為地鐵公司控制中心調度員、車站值班員、各部門的工作人員及乘客提供統一的標準時間信息，為地鐵其它系統的設備提供統一的標準時間信號。北極星時鐘系統的設置保證了地鐵運行計時準確，同時也極大提高了運營服務質量。為加深對北極星時鐘系統的認知，在發生時間突變時能夠分辨出是Server標準時間故障還是Client系統自身故障，需根據接口協議，對時鐘系統Server發送的報文進行分析，確認標準時間正確與否。對RS-422和NTP協議的研究有助于協助其他系統進行授時。

關鍵詞：地鐵;北極星時鐘系統;RS-422;NTP;報文分析

1研究背景

2018年3月17日，機場線時鐘系統GPS天線故障，失去GPS標準時間信號，信號泰雷茲系統開始使用本系統內NTP服務器作為授時源。3月18日，GPS天線維修完畢，開始為信號泰雷茲系統授時，此時，信號系統發生時間突變（見圖1），所有列車發生瞬時車載故障。

圖1信號系統時間突變

時鐘系統平時不顯眼，但是極為重要，沒有時鐘系統，信號系統會出現紊亂導致列車無法準確行駛，乘客無法得知候車和乘車時間，視頻錄像無法準確還原，話費賬單統計錯誤等等。因此，有必要通過接口協議和報文，對時間信號進行深入剖析。

2RS-422及NTP接口協議

機場線北極星時鐘系統一級母鐘接收GPS信號，采用RS-422接口向傳輸、公務電話、專用電話、廣播、PIS、電源、集中告警、FAS等系統和外專業提供標準時間信號。

同時，本系統一級母鐘與二級母鐘之間采用NTP協議校時，通過共線的10M/100M以太網傳輸通道進行校時和網管信息傳遞。

2.1RS-422接口協議和報文

2.1.1RS-422接口協議

RS-422接口的最大傳輸距離約為1219米，其最大傳輸速率為10Mb/s。其傳輸速率與平衡雙絞線的長度成反比，在100kb/s的速率以下時，才可能達到最大傳輸距離。因此，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。本系統使用的RS-422接口參數設置為

①輸出接口：標準RS-422端口

②波特率：9600bit/s

③數據位：8位④起始位：1位⑤停止位：1位

⑥校驗位：無

⑦工作方式：異步

⑧傳輸距離：不大于1200米

2.1.2RS-422接口報文報文詳述：

時鐘系統在整秒時刻向負載系統發送10毫秒級精度的時間信號。報文格式：

2.2NTP接口協議和報文

2.2.1NTP接口協議

時鐘系統采用10M/100M以太網接口向專用無線、視頻監控、信號、AFC、ISCS、SCADA等系統和外專業提供標準時間信號。通信協議采用國際通用的網絡時間協議，即NTP協議。

隨著網絡拓撲的日益復雜，整個網絡內設備的時間同步將變得十分重要。如果僅依靠網絡管理員手動修改系統時間，不僅工作量巨大，而且也無法保證時間的準確性。網絡時間協議（NTP）的出現就是為了解決網絡內設備系統時鐘的同步問題。NTP協議是一種通過Internet服務于計算機時鐘的時間同步協議。它提供了一種時間同步機制，能在龐大而復雜多樣的Internet中用光速調整時間分配。它使用的是可返回時間設計，分布式子網內的時間服務器能自我組織操作、分層管理配置，經過有線或無線的方式同步子網內的邏輯時鐘達到國家標準時間。此外，通過本地路由選擇運算法則及時間后臺程序，服務器可以重新分配標準時間。

2.2.2NTP接口報文

NTP報文格式如上圖所示，它的字段含義參考如下：

1）LI：閏秒標識器，占用2個bits，值為0表示無leap秒調整;1表示一天的最后一分鐘為61秒;2表示一天的最后一分鐘為59秒;3表示時鐘未被同步;為其他值時NTP本身不做處理。

2）VN：占用3個bits，表示NTP的版本號，現在為4。

3）Mode：工作模式，占用3個bits，表示設備的NTP工作模式。不同的值所表示的含義分別是：

0：未定義

1：主動對等體模式

2：被動對等體模式

3：客戶模式

4：服務器模式

5：廣播模式或組播模式

6：此報文為NTP控制報文

7：預留給內部使用。

4）stratum（層）：系統時鐘的層數，占用8個bits。取值范圍為0～255，它代表著時鐘的準確度。層數值的含義分別是

0：未指定或無效

1-16：1表示時鐘準確度最高，準確度從1到16依次遞減，層數為16的時鐘處于未同步狀態，不能作為參考時鐘

17-255：保留。

1）Poll：NTP報文輪詢間隔，占用8個bits，表示連續的NTP報文之間的時間間隔。

2）Precision：NTP時鐘精度，占用8個bits。

3）RootDelay：根時延，占用8個bits，表示在主參考源之間往返的總共時延。

4）RootDispersion：根離散，占用8個bits，表示系統時鐘相對于主參考時鐘的最大誤差。

5）ReferenceIdentifier：時鐘源標識，占用8個bits，用來標識特殊的時鐘參考源。

6）參考時間戳：占用64個bits，表示上次設置或糾正系統時鐘的時間。

7）原始時間戳：占用64個bits，表示請求離開服務器客戶端的時間，。

8）接受時間戳：占用64個bits，表示客戶端請求以64位時間戳格式到達服務器的時間。

9）傳送時間戳：占用64個bits，表示服務器回復離開服務器的時間。

10）認證符（可選項）：占用96個bits。

3Client接收的實際報文解析

3.1RS-422接口實際報文解析

在Client哈里斯公務、專用電話網管電腦上安裝串口調試助手軟件，設置好波特率等參數后，點擊開始，即可看到Client端所接收到的RS-422串口報文：

該報文為16進制表示，可將其翻譯為十進制：

5C2018032115040283

根據RS-422串口協議可得出，Server發送給Client系統的標準時間為2018年3月21日15點04分02秒，83為校驗位。

3.2NTP接口實際報文解析

NTP報文通過網絡進行傳輸，需使用Wireshark軟件捕捉其報文，并進行分析。

視頻監視系統中傳輸的NTP報文如下：

根據上圖，可以看出NTP授時順序為Client首先發送一個NTP請求報文，Server回發一個應答報文，即可對Client進行授時。

該報文為16進制表示，需先將其翻譯為2進制，然后根據需要翻譯成所需要的信息。接下來解析幾個比較重要的值：

3.2.1Client和Server的MAC地址

由EthernetII部分可知，Server的MAC地址為00：03：b9：71：40：4b，Client的MAC地址為9c：b6：54：1d：48：a8。

3.2.2Client和Server的IP地址

由InternetProtocolVersion4部分可知，Server的IP地址為192.6.61.8，Client的IP地址為192.6.61.11。

3.2.3UDP端口

由UserDatagramProtocol部分可知，Server的UDP端口為123，Client的UDP端口為64576。

3.2.4NTP版本號及模式

Client發送報文的NTP協議部分第一個字節為13，翻譯成二進制為00010011。NTP版本號占用3-5bit，也就是010，翻譯成十進制為2，也就是當前使用的NTP版本為2;NTP模式占用6-8bit，也就是011，翻譯成十進制為3，也就是當前Clinet的NTP模式為客戶模式。

Server發送報文的NTP協議部分第一個字節為14，翻譯成二進制為00010100。NTP版本號占用3-5bit，也就是010，翻譯成十進制為2，也就是當前使用的NTP版本為2;NTP模式占用6-8bit，也就是100，翻譯成十進制為4，也就是當前Clinet的NTP模式為服務器模式。

以上信息與實際設備使用的NTP版本、MAC地址、IP地址相符。

3.2.5NTP時鐘層數

Client發送報文的NTP協議部分第二個字節為00，即其時鐘層數為0，不可參考。

Server發送報文的NTP協議部分第二個字節為01，即其時鐘層數為1，準確度最高，可參考。

3.2.6ReferenceID

47505300字段表示參考時鐘標識符，查詢asiii碼表可知其意為“GPS.”，即該系統授時的時間源為GPS標準時間。

3.2.7ReferenceTimestamp

de5b35c0c872af39為時間戳。

先處理高位32bit“de5b35c0”，將其轉換為10進制3730519488，由于NTP時間和UTC時間起始不同，需要將該時間減少70年（1900年到1970年）2208988800（0x83AA7E80），則為1521530688，使用UTC轉換器得到2018-03-207：24：48UTC（格林威治時間），2018-03-2015：24：48UTC+8（北京時間）。

再處理低位32bit“c872af39”，將其轉換為10進制3362959161，根據公式計算usec=lsw*232.830644/1000000=782999us=0.782999s。

綜上所述，故NTP參考時間戳“de5b35c0c872af39”轉換成UTC時間為2018-03-2015：24：48.782999UTC+8（北京時間）。

4結語

此項研究，大大加深了維護人員對時鐘系統的認知。在無授時源時，可人為搭建NTPServer，為NTPClient授時，當授時出現錯誤時，可查看授時軟件Log日志或抓包，追溯相應的報文，查看是否標準時間有誤，快速判斷故障點。

參考文獻：

[1]戴俊勉劉暢鐘宇，廣鐵集團數據網NTP系統優化研究，鐵道通信信號，2015，51（6）：61-63。

[2]DavidL.Mills，“NetworkTimeProtocol（Version3）Specification，ImplementationandAnalysis”，UniversityofDelaware，March1992。