- 通信網(wǎng)中的時間同步問題的描述和分析
- 通信網(wǎng)內(nèi)采用NTP網(wǎng)絡授時的組網(wǎng)方案
- 時間源的選擇
- 授時技術的選擇
- NTP協(xié)議的網(wǎng)絡時間同步
1、問題的描述和分析
目前通信網(wǎng)中的各種設備之間的時間誤差非常大。通信網(wǎng)的計費，運營管理，事件記錄和故障判別需要統(tǒng)一的時間標準。現(xiàn)代通信網(wǎng)設備日益采用計算機平臺，日益IP化。采用軟交換技術，時間同步采用TCP/IP時間協(xié)議NTP協(xié)議成為趨勢。通信網(wǎng)內(nèi)獲得時間同步，要按照不同精度要求和穩(wěn)定要求選擇時間源，選擇合適的時間傳輸技術和校準方法。
2、時間源的選擇
現(xiàn)代標準時間源是原子鐘。原子鐘是原子頻率的簡稱，是根據(jù)原子物理學和量子力學原理制造的高準確度和高穩(wěn)定度的振蕩器。物理原理是原子躍遷頻率只取決于其內(nèi)部特征而與外界電磁場無關，可以利用量子躍遷實現(xiàn)頻率控制。因為原子鐘振蕩頻率存在著系統(tǒng)的和隨機誤差，人們通常采用一組原子鐘，用統(tǒng)計方法構成一個“平均原子鐘”，取得原子時。
現(xiàn)在國際原子時由50多個原子鐘計算得到。按照廣義相對論四維時空框架，世界各國的原子鐘按照規(guī)定的方法進行相互比對，其數(shù)據(jù)再由專門的國際機構進行處理，求出全世界統(tǒng)一的國際原子時（IAT）。UTC（CoordinatedUniversalTime協(xié)調(diào)世界時）是一個復合的時間標度，由原子鐘驅(qū)動的時間標度和地球旋轉速率為基準的時間標度組成。UTC時間可由國內(nèi)計量標準機構和全球?qū)Ш叫l(wèi)星得到。
銫原子鐘有很高的準確度，穩(wěn)定度和均勻度，準確度達到±3×10-15，長期穩(wěn)定度±2×10-15，因此成為現(xiàn)代最高標準時間源，銣原子鐘穩(wěn)定性不夠，但是成本低，GPS可校正銣原子鐘，二者配合使用。我國電信系統(tǒng)采用的時間源有兩種，一個是國內(nèi)的原子時間源，在武漢和北京的銫原子鐘，一個是GPS。全球定位系統(tǒng)GPS是美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS發(fā)送美國海軍天文臺的UTC（USTU），為全世界用戶提供時間服務，美國海軍天文臺的UTC由20多個銫原子鐘形成，這種時間源完全能夠達到電信網(wǎng)內(nèi)各種設備時間同步的精度要求。
GPS時鐘與地面鐘不同，要考慮狹義相對論中的衛(wèi)星和接收機相對于地心慣性坐標系移動的校正，和廣義相對論中衛(wèi)星和接收機引力周期變化的校正，以使用戶更準確的得到時間。
3、授時技術的選擇
授時服務為國家計量機構提供，為用戶提供3種信息：日期和時刻，精密的時間間隔，標準頻率。在我國可以主要得到下面授時信號。（1）地面無線電波授時：國內(nèi)有BPM短波授時和BPL長波授時。都有精度高，覆蓋大的優(yōu)點，如圖1所示。
圖1 地面無線電波授時
衛(wèi)星授時GPS導航系統(tǒng)：提供的時間信號對世界協(xié)調(diào)時跟蹤，精度優(yōu)于100ns。GPS全球覆蓋，接收設備體積小，可以接收6顆衛(wèi)星信號，可用來提供2.048Mbit/s基準時間信號。俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)：目前系統(tǒng)未完成完善，接收設備商業(yè)化不夠。中國的北斗導航系統(tǒng)：精度達到50ns，目前覆蓋中國，同步衛(wèi)星信號接收設備體積較大，系統(tǒng)還未建成。（3）網(wǎng)絡授時：通過互聯(lián)網(wǎng)授時。使用NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議，RFC1305）。（4）電話授時：通過公共電話網(wǎng)，用戶用調(diào)制解調(diào)器接首時間信號。（5）電視授時：通過電視網(wǎng)授時。（6）電信有線傳輸網(wǎng)授時表1是授時精度比較表1
授時精度比較從表1比較看出，無論是精度，還是覆蓋范圍來看，以衛(wèi)星授時最佳，采用美國GPS系統(tǒng)較佳。GPS得到比較好的維護，可靠，終端商業(yè)化。在通信網(wǎng)中GPS要與各級原子鐘主備用。
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4、NTP協(xié)議的網(wǎng)絡時間同步
隨著通信網(wǎng)日益IP化，通過IP網(wǎng)絡，使用NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議，RFC1305）修正通信系統(tǒng)內(nèi)部時間。NTP采用客戶機/服務器模型，NTP服務器端口等待發(fā)送到此端口的UDP報文，響應其他設備作為客戶機向NTP服務器發(fā)送請求，發(fā)送32位整數(shù)表示的當前時間報文、計算精確度和穩(wěn)定度的信息，客戶端接受信息后調(diào)整本地時間。
RFC1305屬于TCP/IP協(xié)議族，這種協(xié)議傳送時間的要點是取得傳送的時間延遲并進行延遲補償，協(xié)議的傳輸延時與時間偏差計算方式是一種實時的動態(tài)機制，采用Filtering和Selection算法，包括Clock-Filter算法，interval-intersection算法，clustering算法?？蛻舳丝梢院蛶讉€時間服務器對時，用算法過濾來自不同服務器的時間，選擇最佳的路徑和來源來校正時間。每一個時間報文內(nèi)包含最近一次的事件的時間信息、包括上次事件的發(fā)送與接收時間、傳遞現(xiàn)在事件的當?shù)貢r間、及此包的接收時間。在收到上述報文后即可計算出時間的偏差量與傳遞報文的時間延遲。
僅從一個時間服務器獲得校時信息，不能校正通訊過程所造成的時間偏差，而同時與許多時間服務器通信校時，就可利用算法找出相對較可靠的時間來源，然后采用它的時間來校時。時間服務器用算法將先前8個校時報文計算出時間參考值，以時間參考值判斷后續(xù)校時包的精確性，如果后續(xù)有相對較高的離散程度，表示這個對時報文的可信度比較低。時間服務器可以利用以下3類工作方式：symmetric：時間服務器可以從遠端時間服務器獲取時鐘，也可提供時間信息給遠端的時間服務器。
此一方式適用于配置多個時間服務器，可以提供更高的時間精確度給客戶。Client/server：局域網(wǎng)的環(huán)境，時間服務器接收上級時間服務器的時間信息，并提供時間信息給下層的用戶。broadcast：局域網(wǎng)的環(huán)境，時間服務器以廣播的方式周期性地將時間信息傳送給其他時間服務器，其時間僅會有少許的延遲，配置簡單，精確度并不高。最高時間服務器要以高精度時鐘參考，一般是GPS信號。
國際互聯(lián)網(wǎng)的NTP時標以UTC時標為基礎，以1972年1月1日0時起，這個時間NTP計為2272060800s（以1900年1月1日0時為起點），例如UTC時間的1990年12月31日23：59：59，NTP時標為2871590399s。如果構建用戶自己的NTP授時網(wǎng)，可以自己選擇起點，中國科學院國家授時中心以1999年12月31日起。RFC1305規(guī)定系統(tǒng)配置一套最高15層服務器的系統(tǒng)，每層時間服務器的精度以Stratum定義，Stratum1時鐘精度大約比授時信號差10倍，按照系統(tǒng)和設備時間精度需求，選擇級別和傳輸技術。TCP/IP協(xié)議族另有Daytime協(xié)議（RFC867）、Time協(xié)議（RFC868）與NTP配合。SNTP協(xié)議（RFC2030）是NTP的簡化版本，沒有NTP復雜的算法，一般在windows上的實現(xiàn)，如圖2所示。
圖2 NTP結構圖
安全機制：使用了驗證（Authentication）機制，檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務器并檢查報文的返回路徑，以對抗攻擊，但是加密算法要求計算機性能比較高，并影響時間精確度。
5、通信網(wǎng)內(nèi)采用NTP網(wǎng)絡授時的組網(wǎng)方案
電信網(wǎng)中可以采用精度較高的有線傳輸方式（SDH，DCN、DDN等）來傳播時間信息。運營商的DCN是省內(nèi)互聯(lián)電信運營管理系統(tǒng)的TCP/IP專用網(wǎng)絡，比較方便在其上建立時間同步網(wǎng)。采用NTP網(wǎng)絡授時，參照中國科學院國家授時中心建的網(wǎng)絡授時系統(tǒng)數(shù)據(jù)，廣域網(wǎng)定時精度300ms，局域網(wǎng)＜15ms級。一個省電信網(wǎng)有8～10個本地網(wǎng)有Stratum1服務器，其他地市用Stratum2級時間服務器。
本地網(wǎng)級的Stratum1時間服務器之間互相聯(lián)網(wǎng)，以symmetric方式互相校時，避免GPS時間源出故障造成中斷，還可以達到更高精度。Stratum1時間服務器對下級采用client/server方式。Stratum1時間服務器取得GPS時間信號和其他授時方式時間信號，比如其他導航衛(wèi)星，短波，長波方式，互為備用。上下級Stratum采用DCN相連或?qū)＞€相連，保持穩(wěn)定相連。各級時間服務器把時間信號發(fā)到各個通信設備，如圖3所示。
圖3 省內(nèi)電信時間同步網(wǎng)參考商用產(chǎn)品測試指標，Stratum1授時精度達到1～10ms，估計Stratum2訪問Stratum1達到10-100ms，Stratum3達到100ms-1s，整個時間網(wǎng)絡分2-3級，達到100ms級，滿足電信網(wǎng)秒級精度要求。如果要求更高時間精度，例如信令分析，在電信網(wǎng)中用DDN專線傳輸時間信號，精度達到1～10ms。
6、時間服務器選擇
Stratum1時間精度決定于時間源和硬件接口，如果采用原子鐘和高速接口可以達到10ms內(nèi)。Stratum1時間服務器要在計算機上直接插入PCI總線定時板卡用于接收和維持時間信息，就可以直接連接并同步到標準時間源上——例如GPS或短波接收機，它們可以獨立維持時間而不受主機操作的影響；板卡上的晶體振蕩器有足夠的精確度。精度要求較高的，例如信令分析，采用GPS與較便宜的銣原子鐘配合。WINDOWS2000或UNIX系統(tǒng)作為時間服務器。根據(jù)客戶端數(shù)量，校準頻率和加密處理來選擇服務器性能配置。
7、通信設備內(nèi)部時間源
通信設備也要采取措施提高時間源精度和穩(wěn)定度。選擇合適振蕩器級別。表2
振蕩Stratum級別Stratum1：國家級時鐘源，GPS時間Stratum2：長途交換和長途傳輸系統(tǒng)Stratum3：本地交換和本地傳輸系統(tǒng)Stratum4：用戶交換機
