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摘要：時頻系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)多，故障排查困難。本文首先介紹了典型時頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障診斷難點，深入研究了網(wǎng)絡(luò)嗅探診斷技術(shù)，提出了時頻故障排查方法和基于網(wǎng)絡(luò)嗅探器的數(shù)據(jù)故障排查方法，設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)的時頻故障診斷軟件，最后分析了該方法在某時頻系統(tǒng)中的故障診斷應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)；氫原子鐘；故障診斷

0引言

時間頻率系統(tǒng)作為信息系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、電力傳輸、航空航天等各個領(lǐng)域。時間頻率系統(tǒng)的健康程度決定信息系統(tǒng)的工作狀態(tài)，時間頻率系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將對信息系統(tǒng)運行造成致命的損害。時間頻率系統(tǒng)的故障診斷和排除已成為信息系統(tǒng)維護的重要內(nèi)容和關(guān)鍵步驟。時頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備精密，核心參數(shù)多，上下級設(shè)備配合緊密，容易出現(xiàn)設(shè)備故障且故障原因不易定位的問題?；诰W(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)研究出一套快速有效、定位準確的診斷方法，可以在監(jiān)控軟件的設(shè)備監(jiān)測與控制功能失效時迅速診斷排除故障[1-4]，從而提高時頻系統(tǒng)可用度。

1典型時頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障診斷難點

1.1時頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

時間頻率系統(tǒng)是信息系統(tǒng)的重要組成部分，為信息系統(tǒng)提供準確、穩(wěn)定、可靠的時頻信號。典型的時間頻率系統(tǒng)一般由高精度時間頻率源、頻率切換、時碼產(chǎn)生、信號放大、比相監(jiān)測、監(jiān)控等關(guān)鍵設(shè)備組成。高精度時間頻率源是整個系統(tǒng)頻率基準的核心，可以為其他設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準時間頻率信號，要求高的系統(tǒng)往往采用氫原子鐘作為時間頻率基準；頻率切換設(shè)備可以選擇主用時鐘源，并且實現(xiàn)主、備時鐘源間的無縫切換，確保時頻信號可靠不中斷；時碼產(chǎn)生設(shè)備可以向標(biāo)準時間溯源，再結(jié)合本地時間頻率源頻率信號產(chǎn)生本地時間信息及時標(biāo)信號；信號放大設(shè)備可以把頻率信號、時標(biāo)信號迚行數(shù)量擴充和強度放大，用以輸出給其他設(shè)備；比相監(jiān)測設(shè)備可以對時間頻率系統(tǒng)各設(shè)備產(chǎn)生的時間頻率信號迚行相位比對監(jiān)測，確保信號輸出的正確性；監(jiān)控設(shè)備用來監(jiān)控所有時間頻率設(shè)備的狀態(tài)工況[5]。

1.2時間頻率系統(tǒng)運行要求

時間頻率系統(tǒng)作為信息系統(tǒng)的核心和運行基礎(chǔ)，其可靠性直接決定了信息系統(tǒng)的可靠性，這對時間頻率系統(tǒng)的運行和維護提出了較高要求。時間頻率系統(tǒng)的運行要求包括：①信號輸出準確性：要求輸出信號具備較高的頻率準確度。②信號輸出穩(wěn)定性：要求輸出信號具備較高的頻率穩(wěn)定度。③可靠性：系統(tǒng)要保持較高的可用度，一般采用多臺關(guān)鍵設(shè)備熱備份運行。④自評估能力：系統(tǒng)可以對自身設(shè)備狀態(tài)迚行評估，并且可以自動選擇主用設(shè)備并迚行切換。⑤無縫切換性：切換過程應(yīng)當(dāng)確保信號不發(fā)生跳變，用戶感受不到設(shè)備的切換。由于時間頻率系統(tǒng)運行要求較為苛刻，系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，冗余設(shè)備較多，因此故障發(fā)生后難以對其精準定位。尤其是大部分故障診斷方法均需要中斷系統(tǒng)開展故障定位，會對系統(tǒng)可靠性造成影響，降低系統(tǒng)可用度。

1.3時間頻率系統(tǒng)故障處置要求

根據(jù)時間頻率系統(tǒng)故障對其信號輸出造成的影響，故障主要可以分為3類：1）信號輸出功能失效：此類故障發(fā)生時系統(tǒng)已停止輸出信號，或時頻信號發(fā)生跳變，造成系統(tǒng)可用度降低。2）關(guān)鍵設(shè)備單點運行：此類故障發(fā)生時，雖然信號可以暫時輸出，但由于關(guān)鍵設(shè)備已處于單點運行，主備切換功能已經(jīng)失效，若此時主用設(shè)備也失效，將惡化為第1類故障。3）監(jiān)控軟件監(jiān)控功能失效：在此故障中，信號產(chǎn)生和輸出設(shè)備均正常，但監(jiān)控功能失效，可能導(dǎo)致故障向第2類或第1類惡化。對于第1類故障，此時信號已中斷，已經(jīng)對系統(tǒng)可用度造成影響，而第2類和第3類故障發(fā)生時，系統(tǒng)仍正常輸出信號，此時的快速診斷和故障排除可以避免故障向第1類故障惡化，對提升系統(tǒng)可用度和可靠性具有重要意義。

1.4故障診斷難點

對于后兩類故障的診斷排除，難點共有兩個：首先是時頻系統(tǒng)很復(fù)雜，部分設(shè)備輸入輸出邏輯交聯(lián)在一起，故障難以快速定位；其次是此時系統(tǒng)仍然輸出信號，無法中斷系統(tǒng)對故障迚行排查，因此需要在系統(tǒng)運行過程中獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，這也對故障診斷提出了較高要求。針對這兩個難點，采用網(wǎng)絡(luò)嗅探方法對后兩類故障迚行診斷，是一種有效的診斷方法。

2網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)嗅探器，是一種在網(wǎng)絡(luò)上收集和分析數(shù)據(jù)的技術(shù)。采用網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)迚行信息系統(tǒng)監(jiān)控和故障排查，可以不影響原系統(tǒng)的正常運行，在系統(tǒng)不中斷的情況下獲取原始運行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并迚行分析，便于多設(shè)備的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障排查。

2.1嗅探流程

通過網(wǎng)絡(luò)嗅探抓取數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)提取至應(yīng)用程序中，這個過程需要對網(wǎng)絡(luò)物理層到應(yīng)用層迚行協(xié)調(diào)設(shè)置。在以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的流通流程為：①物理層：數(shù)據(jù)自一個節(jié)點在網(wǎng)線和交換設(shè)備中傳輸至另一個節(jié)點。②數(shù)據(jù)鏈路層：節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡）篩選屬于自己且正確合法的數(shù)據(jù)幀重構(gòu)成數(shù)據(jù)包送入操作系統(tǒng)的協(xié)議棧。③網(wǎng)絡(luò)層至運輸層：操作系統(tǒng)的協(xié)議棧通過這兩層中的協(xié)議判斷到來的數(shù)據(jù)包的目標(biāo)（操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序）。如果數(shù)據(jù)包合法，操作系統(tǒng)通過端口將數(shù)據(jù)包重構(gòu)成報文送入應(yīng)用程序[6-8]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的物理條件滿足后，數(shù)據(jù)才會來到嗅探器中，首先到達的地方就是網(wǎng)卡，網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)（Bits流）變成數(shù)據(jù)幀的形式，開始迚行判斷接收。當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)層鏈路后，還要通過操作系統(tǒng)協(xié)議棧的審核，系統(tǒng)協(xié)議棧在開發(fā)環(huán)境中設(shè)置混雜模式，就可以接收從驅(qū)動層來的各種數(shù)據(jù)，最后通過嗅探軟件在應(yīng)用程序?qū)又薪馕霁@取數(shù)據(jù)[9-11]。在采用網(wǎng)絡(luò)嗅探獲取數(shù)據(jù)時，可以采用區(qū)別于目標(biāo)計算機的其他計算機迚行數(shù)據(jù)抓取，也可以在本機直接抓取。考慮到在對時頻系統(tǒng)迚行故障診斷時，為了便于數(shù)據(jù)抓取，可以直接將嗅探軟件部署于監(jiān)控計算機本地，這樣不需要對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)迚行改造就可直接迚行抓取[12]。

2.2嗅探機制

由于操作系統(tǒng)的分層機制，造成了網(wǎng)絡(luò)嗅探的復(fù)雜性。為了確保操作系統(tǒng)的穩(wěn)定，用戶無法直接使用內(nèi)核的資源，用戶只能在用戶模式的層次上使用自己的內(nèi)存和其他資源，各類用戶操作也只有通過一定的轉(zhuǎn)換才能到達核心層，這隔離了用戶對操作系統(tǒng)的直接影響，但是也加大了計算機資源的負荷。由于不同操作系統(tǒng)的差異，其數(shù)據(jù)的過濾捕獲機制往往也存在差異。Unix類型的操作系統(tǒng)中主要的截獲機制有：BSD類系統(tǒng)中的BPF機制，SVR4中的DLPI機制以及Linux中的SOCK_PACKET類型套接字，而在Windows操作系統(tǒng)下，因為Windows系統(tǒng)沒有提供對鏈路層直接操縱的接口，需要利用系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序接口規(guī)范（NetworkDriverInterfaceSpecification，NDIS）機制開發(fā)中間驅(qū)動程序來完成對數(shù)據(jù)包的截獲，并且，Windows操作系統(tǒng)還提供了接口程序SPI，因此可以利用SPI截取數(shù)據(jù)包[13]。

3基于網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)的時頻故障診斷軟件設(shè)計

運用網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)可以對時頻系統(tǒng)的監(jiān)控計算機迚行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的抓取，通過監(jiān)控計算機這個中心節(jié)點獲取時頻系統(tǒng)中各設(shè)備的數(shù)據(jù)流并解析其內(nèi)容，最終通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)系統(tǒng)故障的診斷。

3.1設(shè)計目標(biāo)

在基于嗅探技術(shù)的時頻診斷軟件中，軟件對流經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)的所有設(shè)備數(shù)據(jù)迚行監(jiān)視，充分發(fā)揮軟件的監(jiān)督作用。根據(jù)時頻系統(tǒng)常見故障特點和運行要求，對于診斷軟件的具體設(shè)計目標(biāo)如下：①監(jiān)控全面：應(yīng)能夠?qū)λ袝r頻系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)迚行監(jiān)測。②安全性高：故障診斷的過程不影響時頻系統(tǒng)運行，不會對原系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。③操作性強：人機交互應(yīng)當(dāng)友好，操作方便。④定制靈活：時頻設(shè)備數(shù)據(jù)種類多，需要對部分重要數(shù)據(jù)迚行監(jiān)控和分析時，可以迚行靈活定制，以節(jié)約監(jiān)控資源、突出分析重點[14]。

3.2功能組成

根據(jù)軟件設(shè)計目標(biāo)，可以分析出軟件設(shè)計的主要功能如圖2所示，具體包括：①網(wǎng)絡(luò)嗅探：通過嗅探器對以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)包迚行捕獲，將這些信息提交給數(shù)據(jù)分析引擎。②數(shù)據(jù)分析：對已經(jīng)捕獲的數(shù)據(jù)迚行應(yīng)用層的協(xié)議分類，并應(yīng)用相對應(yīng)的分析策略迚行處理。分析內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)源及目的地址是否正確、數(shù)據(jù)長度是否正確、數(shù)據(jù)栺式是否符合協(xié)議、關(guān)鍵參數(shù)是否符合邏輯等。③參數(shù)設(shè)置：可以對監(jiān)聽的網(wǎng)口、端口迚行設(shè)置，以獲取感興趣的數(shù)據(jù)。④數(shù)據(jù)顯示：對監(jiān)聽數(shù)據(jù)報的數(shù)量、來源IP及端口、目的IP及端口、報文內(nèi)容迚行顯示。⑤數(shù)據(jù)存儲：對需要分析的數(shù)據(jù)迚行存儲[15]。

3.3總體結(jié)構(gòu)

整個網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)功能示意圖如圖3所示，根據(jù)其功能和物理位置分為3個主要的模塊：①網(wǎng)絡(luò)嗅探器：可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽、捕獲。軟件安裝在被監(jiān)控時頻系統(tǒng)的監(jiān)控計算機上，通過綁定網(wǎng)卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。②協(xié)議分析引擎模塊：對抓取的數(shù)據(jù)迚行應(yīng)用層協(xié)議分析，并應(yīng)用相對應(yīng)的分析策略迚行處理。③監(jiān)控臺模塊：實現(xiàn)操作交互、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲功能。

3.4時頻系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)嗅探方法適用于采用以太網(wǎng)迚行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)視控制的時頻系統(tǒng)，但串口作為成熟的工業(yè)傳輸接口，也廣泛應(yīng)用于信息系統(tǒng)之中，針對這類時頻系統(tǒng)可以通過改造數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以使結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。串口在使用過程中，具有以下缺點：連接不便、對于多設(shè)備節(jié)點不便于拓撲擴展；串口尺寸較大，不利于走線；串口易損毀，不能熱插拔，不便于系統(tǒng)斷路調(diào)試等。通過串口服務(wù)器將串口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效地克服上述缺點。串口服務(wù)器可以把多路串口線路轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其主要具備兩大功能：①數(shù)據(jù)傳輸形式轉(zhuǎn)換：串口服務(wù)器可以將設(shè)備輸出鏈路由串口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)鏈路，通過網(wǎng)卡和設(shè)備相連接。監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控軟件編寫過程中，可以通過串口服務(wù)器的驅(qū)動程序采用邏輯串口監(jiān)控設(shè)備，也可以直接使用網(wǎng)絡(luò)編程方法監(jiān)控設(shè)備，方法靈活多樣。在采用網(wǎng)絡(luò)編程方法監(jiān)控設(shè)備時，通過訪問串口服務(wù)器設(shè)置的IP地址連接到串口服務(wù)器，再通過不同的端口號便可訪問到該串口服務(wù)器上連接的各設(shè)備。②迚行多點數(shù)據(jù)交換：串口服務(wù)器可以同時連接多個串口設(shè)備，起到網(wǎng)絡(luò)交換機的作用，從而使一臺監(jiān)控系統(tǒng)同時監(jiān)控多臺設(shè)備，由于串口服務(wù)器連接監(jiān)控系統(tǒng)的一端為網(wǎng)口，在監(jiān)控設(shè)備數(shù)量較多時，還可以采用交換機連接多臺串口服務(wù)器，擴展快速簡便。此外，采用串口服務(wù)器迚行時頻系統(tǒng)監(jiān)控，可以使數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡收發(fā)，從而可采用網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況。

4典型故障診斷方法

采用網(wǎng)絡(luò)嗅探器，可以對1.3節(jié)中后兩類故障迚行較為快速的診斷定位。下面將以某典型時間頻率系統(tǒng)為例，分析該系統(tǒng)設(shè)備故障的診斷定位方法。

4.1相位調(diào)整失敗故障

該故障發(fā)生時，時頻監(jiān)控系統(tǒng)可以正常更新鐘組數(shù)據(jù)，但發(fā)送相位和頻率準確度調(diào)整指令后，鐘無法執(zhí)行指令。該故障可能為由于備鐘故障造成的第2類故障，也可能是監(jiān)控軟件錯誤造成的第3類故障。在某時間頻率系統(tǒng)中，通過報文分析，可以發(fā)現(xiàn)軟件發(fā)送的目的地址端口與設(shè)備實際地址端口不一致，如圖5所示，根據(jù)報文解析，指令發(fā)送的目的地址和端口為：202.127.24.186:4001，但實際設(shè)備端口為4002，故造成故障發(fā)生。由此定位故障為軟件設(shè)計出現(xiàn)問題，無法根據(jù)實際配置的串口向鐘組發(fā)送控制指令。

4.2監(jiān)控失敗故障

該故障現(xiàn)象是時頻監(jiān)控計算機對某臺鐘源的數(shù)據(jù)停止更新，對鐘的控制指令失效。該故障發(fā)生的原因主要有3種：線路接口松動、監(jiān)控軟件端口選擇錯誤、鐘源監(jiān)控系統(tǒng)損壞。若由于線路出現(xiàn)問題或鐘源監(jiān)控系統(tǒng)損壞，則故障為第2類故障；若由于軟件端口選擇錯誤，則故障為第3類故障。該故障發(fā)生時，首先應(yīng)當(dāng)檢查線路、接口和通信設(shè)備，確保數(shù)據(jù)傳輸鏈路正常。若傳輸線路正常時仍然存在故障，采用嗅探器檢查故障原因。若通過嗅探器判斷數(shù)據(jù)收發(fā)正常，則時頻監(jiān)控系統(tǒng)故障。啟動網(wǎng)絡(luò)嗅探軟件抓取原始數(shù)據(jù)報文，通過分析報文中的IP地址、端口號等內(nèi)容判斷軟件故障原因。若通過嗅探器判斷軟件發(fā)送數(shù)據(jù)正常，但鐘源未反饋數(shù)據(jù)，則可定位故障于鐘源監(jiān)控系統(tǒng)，此時可直接對該鐘迚行維修。例如，某時頻監(jiān)控軟件對鐘源監(jiān)控過程中發(fā)生該故障。在確定線路正常后，啟動網(wǎng)絡(luò)嗅探軟件對數(shù)據(jù)包迚行分析。通過分析可以看出，當(dāng)選擇該鐘端口B（對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口為202.127.24.186：4010，如圖6所示）為主端口時，數(shù)據(jù)可以正常通信，但當(dāng)設(shè)置端口A（對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口為202.127.24.186：4001）為主端口時，數(shù)據(jù)無法更新，因此推斷為鐘源監(jiān)控系統(tǒng)故障。

4.3監(jiān)控誤報警故障

該故障發(fā)生時，時頻監(jiān)控系統(tǒng)可以更新設(shè)備數(shù)據(jù)，但會頻繁出現(xiàn)報警。該報警與設(shè)備工作狀態(tài)不符，為誤報警。發(fā)生該故障時，一般為軟件故障，為第3類故障。某時頻監(jiān)控軟件對3臺鐘源頻繁出現(xiàn)報警現(xiàn)象，通過查看各鐘與故障分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控報警與實際原子鐘運行狀態(tài)不符。通過網(wǎng)絡(luò)嗅探軟件分析原始數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)在發(fā)送過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包不完整現(xiàn)象。時頻監(jiān)控軟件接收到不完整的鐘源監(jiān)控數(shù)據(jù)后直接迚行數(shù)據(jù)解析，導(dǎo)致對不完整數(shù)據(jù)內(nèi)存之后的內(nèi)容迚行了解析，最終產(chǎn)生錯誤參數(shù)并發(fā)生報警。修改時頻監(jiān)控軟件后該故障消除。

5結(jié)語

時間頻率系統(tǒng)是信息系統(tǒng)的重要組成部分，對時間頻率系統(tǒng)迚行故障診斷，存在無法中斷排查和難以定位的特點。網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)可以實現(xiàn)計算機數(shù)據(jù)包的抓取和數(shù)據(jù)分析。采用網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)，可以快速診斷定位時頻系統(tǒng)故障，并且對部分功能失效的系統(tǒng)迚行不間斷排查，從而提高時頻系統(tǒng)可用度，最終確保信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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作者：李錫瑞   單位：中國科學(xué)院