基于NTP時(shí)間同步技術(shù)的山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)

程冬焱 胡玉良

（中國太原 030021 山西省地震局）

0 引言

山西“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建成后，前兆臺(tái)網(wǎng)大部分前兆觀測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。根據(jù)“十五”地震前兆觀測(cè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)程（中國地震局，2005）要求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的前兆觀測(cè)儀器需支持網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)校時(shí)服務(wù)，即采用SNTP標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器進(jìn)行校時(shí)。

網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和前兆服務(wù)器由于硬件或軟件原因，如外接晶振頻率的精確度、時(shí)鐘芯片的精確度和儀器軟件操作所帶來的時(shí)鐘誤差等，長時(shí)間運(yùn)行后，時(shí)鐘誤差會(huì)增大，當(dāng)超過儀器采樣率后，將嚴(yán)重影響多臺(tái)同類型儀器數(shù)據(jù)的對(duì)比分析；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)時(shí)鐘誤差較大，在填寫各種日志時(shí)，其記錄時(shí)間會(huì)不準(zhǔn)確；當(dāng)前兆服務(wù)器時(shí)鐘誤差超過中國地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)規(guī)定的范圍時(shí)，通過管理系統(tǒng)自動(dòng)或者手動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器時(shí)會(huì)出現(xiàn)元數(shù)據(jù)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

Network Time Protocol（NTP）可以提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正（局域網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差小于1 ms，廣域網(wǎng)小于幾十毫秒），該文基于NTP時(shí)間同步技術(shù)，在山西前兆臺(tái)網(wǎng)利用現(xiàn)有前兆服務(wù)器搭建兩級(jí)NTP時(shí)間同步網(wǎng)，保障網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和前兆服務(wù)器時(shí)鐘準(zhǔn)確同步，從而確保山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)日常業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

1 山西前兆臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中國前兆臺(tái)網(wǎng)是一個(gè)臺(tái)站—區(qū)域中心—國家前兆臺(tái)網(wǎng)中心—學(xué)科中心的互聯(lián)互通分布式系統(tǒng)。由地震前兆觀測(cè)設(shè)備通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)連接到節(jié)點(diǎn)臺(tái)站，也可以通過網(wǎng)絡(luò)直接連接到區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)。允許節(jié)點(diǎn)臺(tái)站擁有子臺(tái)（直屬臺(tái)），利用網(wǎng)絡(luò)可直接管理直屬臺(tái)站的觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)。區(qū)域中心部署數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于存儲(chǔ)本區(qū)域臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)。山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃榕_(tái)站和區(qū)域中心兩級(jí)，連接方式見圖1。

圖1 山西前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology structure of precursory observation network of Shanxi Province

從圖1可見，山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用兩種方式：①SDH光纖連接，2M帶寬，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行較為穩(wěn)定；②CDMA/VPDN無線接入，基于CDMA 1X信道，在省地震局地震臺(tái)網(wǎng)中心建立與山西電信SDH2M專線隧道，選用VPDN固定地址接入模式，采用認(rèn)證服務(wù)即地址綁定技術(shù)，將臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器接入地震行業(yè)內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連通受到基站影響，偶爾出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接失敗現(xiàn)象。

1.2 校時(shí)問題

山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器校時(shí)方式主要采用手動(dòng)校時(shí)、SNTP校時(shí)和命令校時(shí)，存在以下問題：①手動(dòng)校時(shí)和命令校時(shí)受網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和人為操作影響，且由于網(wǎng)絡(luò)化儀器數(shù)量較多，采用人工校時(shí)效率較低；②各前兆儀器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀差異大，采用儀器廠家默認(rèn)的SNTP服務(wù)器，可能導(dǎo)致校時(shí)失敗。

數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)校時(shí)存在的主要問題是：①采用系統(tǒng)默認(rèn)的校時(shí)服務(wù)器進(jìn)行校時(shí)，容易出現(xiàn)校時(shí)失敗現(xiàn)象；②系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)間同步間隔是7天，校時(shí)間隔無法調(diào)整。

山西前兆臺(tái)網(wǎng)中心及前兆臺(tái)站前兆服務(wù)器采用人工方式進(jìn)行校時(shí)，影響準(zhǔn)確性。

2 方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為解決山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和前兆服務(wù)器校時(shí)存在的問題，設(shè)計(jì)以下方案。

2.1 方案設(shè)計(jì)

采用客戶端/服務(wù)器模式，在山西省地震局前兆臺(tái)網(wǎng)中心主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上搭建NTP時(shí)間服務(wù)器，和更高級(jí)別的NTP服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，省地震局前兆應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、前兆備份服務(wù)器均與該時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行同步。各地震臺(tái)利用現(xiàn)有前兆數(shù)據(jù)庫服務(wù)器搭建NTP時(shí)間服務(wù)器，與省地震局配置的時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)及前兆儀器與時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意見圖 2（王秀英等，2009；詹利群等，2010）。

圖 2 山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The clock synchronization network of precursory observation network of Shanxi Province

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于，各臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)前兆儀器和處理計(jì)算機(jī)均與本臺(tái)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行校時(shí)，處于同一局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小，校時(shí)不容易失敗。

2.2 時(shí)間服務(wù)器架設(shè)

2.2.1 山西省地震局時(shí)間服務(wù)器架設(shè)。NTP服務(wù)占用系統(tǒng)資源不多，利用現(xiàn)有前兆服務(wù)器即可對(duì)客戶端提供時(shí)間同步服務(wù)。操作步驟為

（1） 時(shí)區(qū)設(shè)置。代碼如下

（2） 使用tzselect命令設(shè)置時(shí)區(qū)。代碼如下

（3） 復(fù)制相應(yīng)時(shí)區(qū)文件，替換系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)區(qū)。代碼如下

（4） 配置/etc/ntp.conf文件。在配置文件最后添加。代碼如下

（5）啟動(dòng)NTP服務(wù)。代碼如下

（6） 添加到自啟動(dòng)。代碼如下

（7） 檢查時(shí)間同步狀態(tài)，出現(xiàn)以下提示，NTP時(shí)間服務(wù)器配置完成。代碼如下

2.2.2 臺(tái)站時(shí)間服務(wù)器架設(shè)。配置方法相同，需注意，配置/etc/ntp.conf文件時(shí)，上級(jí)時(shí)間服務(wù)器地址是省地震局配置的時(shí)間服務(wù)器。

2.3 客戶端配置

圖3 靜樂地震臺(tái)NTP客戶端軟件界面Fig.3 The NTP client software interface of Jingle Seismic Station

2.3.1 前兆儀器校時(shí)。山西地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)字化前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通訊單元多采用Win98系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)上安裝NTP 客戶端軟件（如Automachron軟件），與上級(jí)NTP時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)校時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)儀器時(shí)鐘精確同步。以靜樂地震臺(tái)SZW-1A水溫儀為例，介紹NTP客戶端軟件配置步驟：①在儀器根目錄下新建NTP文件夾，通過水溫儀FTP功能，上傳Automachron軟件至此文件夾；②使用VNC軟件，遠(yuǎn)程連接靜樂地震臺(tái)SZW-1A水溫儀，雙擊運(yùn)行Automachron軟件；③選擇時(shí)間服務(wù)器：在主窗口點(diǎn)擊“Host...”按鈕，彈出“Add Host”窗口，在“Network host”編輯框中輸入搭建的時(shí)間服務(wù)器IP 地址“10.14.X.X”。在 Protocol下拉列表中，選擇默認(rèn)項(xiàng)“SNTP V2”，點(diǎn)擊“OK”按鈕，關(guān)閉窗體；④設(shè)置同步周期：在“Sync every[ ] seconds”編輯框中，鍵入時(shí)間同步周期，單位s，設(shè)定為 3 600 s，每小時(shí)同步一次；⑤設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：在Options選項(xiàng)中，勾選Run at startup按鈕，設(shè)置程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行；勾選Sync at startup按鈕，設(shè)置程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)同步；勾選Systray icon按鈕，設(shè)置程序作為后臺(tái)托盤程序運(yùn)行。

對(duì)于未采用Win98系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化前兆觀測(cè)儀器，在儀器主頁，把為本臺(tái)搭建的時(shí)間服務(wù)器IP地址設(shè)置為時(shí)間服務(wù)器地址即可。靜樂地震臺(tái)NTP客戶端軟件界面見圖3。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)校時(shí)。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)可以采用兩種方式進(jìn)行時(shí)間同步：①采用上述NTP 客戶端軟件進(jìn)行時(shí)間同步；②利用操作系統(tǒng)提供的校時(shí)服務(wù)（Windows XP適用）：打開“時(shí)間和日期屬性”設(shè)置對(duì)話框；選擇“Internet時(shí)間”標(biāo)簽；選中“自動(dòng)與Internet時(shí)間服務(wù)器同步”選項(xiàng)，在“服務(wù)器”中填入搭建的時(shí)間服務(wù)器IP地址“10.14.X.X”，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，按“立即更新”可直接同步。

第2種校時(shí)方式同步周期只能通過注冊(cè)表進(jìn)行設(shè)置，對(duì)使用者來說較不方便，建議采用第1種方式進(jìn)行時(shí)間同步。

2.3.3 前兆服務(wù)器校時(shí)?？蛻舳藶镾use Linux操作系統(tǒng)，可以直接采用ntpdate命令，代碼為

若需每日定時(shí)同步時(shí)間，按以下步驟編輯crontab定時(shí)任務(wù)：①以root身份登錄命令行；②輸入crontab –e，回車；③按下a鍵進(jìn)入編輯模式；④輸入30 22 * * * root /usr/sbin/ntpdate 10.14.X.X; /sbin/hwclock –w；⑤按下ctrl+c；⑥輸入：wq；⑦輸入/sbin/service cron restart。

3 結(jié)束語

山西前兆臺(tái)網(wǎng)時(shí)鐘同步網(wǎng)的建成，實(shí)現(xiàn)了山西前兆臺(tái)站與山西前兆臺(tái)網(wǎng)中心時(shí)間同步服務(wù)器的級(jí)聯(lián)，徹底解決了山西前兆臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化前兆儀器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和前兆服務(wù)器時(shí)間不同步問題，確保山西前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換及相關(guān)日志時(shí)間記錄的準(zhǔn)確性。通過實(shí)際運(yùn)行表明，設(shè)計(jì)方案達(dá)到了預(yù)期效果。

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