通信網(wǎng)中的時間同步問題

1、問題的描述和分析

目前通信網(wǎng)中的各種設(shè)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?，F(xiàn)代通信網(wǎng)設(shè)備日益采用計算機平臺，日益 IP化。采用軟交換技術(shù)，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(shù)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(xué)和量子力學(xué)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(guān)，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(gòu)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(gòu)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(fù)合的時間標度，由原子鐘驅(qū)動的時間標度和地球旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(dǎo)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(wù)，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(shè)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(shù)的選擇

授時服務(wù)為國家計量機構(gòu)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)：目前系統(tǒng)未完成完善，接收設(shè)備商業(yè)化不夠。中國的北斗導(dǎo)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(shè)備體積較大，系統(tǒng)還未建成。（3）網(wǎng)絡(luò)授時：通過互聯(lián)網(wǎng)授時。使用 NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡(luò)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。
4、NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時間同步

隨著通信網(wǎng)日益IP化，通過IP網(wǎng)絡(luò)，使用NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡(luò)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(wù)器模型，NTP服務(wù)器端口等待發(fā)送到此端口的UDP報文，響應(yīng)其他設(shè)備作為客戶機向NTP服務(wù)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(wù)器對時，用算法過濾來自不同服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)器可以利用以下3類工作方式：symmetric：時間服務(wù)器可以從遠端時間服務(wù)器獲取時鐘，也可提供時間信息給遠端的時間服務(wù)器。

此一方式適用于配置多個時間服務(wù)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(wù)器接收上級時間服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(chǔ)，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(gòu)建用戶自己的NTP授時網(wǎng)，可以自己選擇起點，中國科學(xué)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(wù)器的系統(tǒng)，每層時間服務(wù)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(shè)備時間精度需求，選擇級別和傳輸技術(shù)。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(fù)雜的算法，一般在 windows上的實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2　NTP結(jié)構(gòu)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(wù)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(luò)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(luò)，比較方便在其上建立時間同步網(wǎng)。采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時，參照中國科學(xué)院國家授時中心建的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，其他地市用Stratum2級時間服務(wù)器。

本地網(wǎng)級的Stratum1時間服務(wù)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(wù)器對下級采用client/server方式。Stratum1時間服務(wù)器取得GPS時間信號和其他授時方式時間信號，比如其他導(dǎo)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(wù)器把時間信號發(fā)到各個通信設(shè)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(luò)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(wù)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(wù)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(wù)器。根據(jù)客戶端數(shù)量，校準頻率和加密處理來選擇服務(wù)器性能配置。

7、通信設(shè)備內(nèi)部時間源

通信設(shè)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