- 通信網(wǎng)中的時(shí)間同步問題的描述和分析
- 通信網(wǎng)內(nèi)采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的組網(wǎng)方案
- 時(shí)間源的選擇
- 授時(shí)技術(shù)的選擇
- NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步
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(shí)間誤差非常大。通信網(wǎng)的計(jì)費(fèi),運(yùn)營管理,事件記錄和故障判別需要統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)?,F(xiàn)代通信網(wǎng)設(shè)備日益采用計(jì)算機(jī)平臺(tái),日益IP化。采用軟交換技術(shù),時(shí)間同步采用TCP/IP時(shí)間協(xié)議NTP協(xié)議成為趨勢(shì)。通信網(wǎng)內(nèi)獲得時(shí)間同步,要按照不同精度要求和穩(wěn)定要求選擇時(shí)間源,選擇合適的時(shí)間傳輸技術(shù)和校準(zhǔn)方法。
2、時(shí)間源的選擇
現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源是原子鐘。原子鐘是原子頻率的簡(jiǎn)稱,是根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)原理制造的高準(zhǔn)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(chǎng)無關(guān),可以利用量子躍遷實(shí)現(xiàn)頻率控制。因?yàn)樵隅娬袷庮l率存在著系統(tǒng)的和隨機(jī)誤差,人們通常采用一組原子鐘,用統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)成一個(gè)“平均原子鐘”,取得原子時(shí)。
現(xiàn)在國際原子時(shí)由50多個(gè)原子鐘計(jì)算得到。按照廣義相對(duì)論四維時(shí)空框架,世界各國的原子鐘按照規(guī)定的方法進(jìn)行相互比對(duì),其數(shù)據(jù)再由專門的國際機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理,求出全世界統(tǒng)一的國際原子時(shí)(IAT)。UTC(CoordinatedUniversalTime協(xié)調(diào)世界時(shí))是一個(gè)復(fù)合的時(shí)間標(biāo)度,由原子鐘驅(qū)動(dòng)的時(shí)間標(biāo)度和地球旋轉(zhuǎn)速率為基準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)度組成。UTC時(shí)間可由國內(nèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星得到。
銫原子鐘有很高的準(zhǔn)確度,穩(wěn)定度和均勻度,準(zhǔn)確度達(dá)到±3×10-15,長期穩(wěn)定度±2×10-15,因此成為現(xiàn)代最高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)間源有兩種,一個(gè)是國內(nèi)的原子時(shí)間源,在武漢和北京的銫原子鐘,一個(gè)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(tái)的UTC(USTU),為全世界用戶提供時(shí)間服務(wù),美國海軍天文臺(tái)的UTC由20多個(gè)銫原子鐘形成,這種時(shí)間源完全能夠達(dá)到電信網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備時(shí)間同步的精度要求。
GPS時(shí)鐘與地面鐘不同,要考慮狹義相對(duì)論中的衛(wèi)星和接收機(jī)相對(duì)于地心慣性坐標(biāo)系移動(dòng)的校正,和廣義相對(duì)論中衛(wèi)星和接收機(jī)引力周期變化的校正,以使用戶更準(zhǔn)確的得到時(shí)間。
3、授時(shí)技術(shù)的選擇
授時(shí)服務(wù)為國家計(jì)量機(jī)構(gòu)提供,為用戶提供3種信息:日期和時(shí)刻,精密的時(shí)間間隔,標(biāo)準(zhǔn)頻率。在我國可以主要得到下面授時(shí)信號(hào)。(1)地面無線電波授時(shí):國內(nèi)有BPM短波授時(shí)和BPL長波授時(shí)。都有精度高,覆蓋大的優(yōu)點(diǎn),如圖1所示。
圖1 地面無線電波授時(shí)
衛(wèi)星授時(shí)GPS導(dǎo)航系統(tǒng):提供的時(shí)間信號(hào)對(duì)世界協(xié)調(diào)時(shí)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(hào),可用來提供2.048Mbit/s基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。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(dá)到50ns,目前覆蓋中國,同步衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備體積較大,系統(tǒng)還未建成。(3)網(wǎng)絡(luò)授時(shí):通過互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)。使用NTP(NetworkTimeProtocol,網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議,RFC1305)。(4)電話授時(shí):通過公共電話網(wǎng),用戶用調(diào)制解調(diào)器接首時(shí)間信號(hào)。(5)電視授時(shí):通過電視網(wǎng)授時(shí)。(6)電信有線傳輸網(wǎng)授時(shí)表1是授時(shí)精度比較表1
授時(shí)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(shí)最佳,采用美國GPS系統(tǒng)較佳。GPS得到比較好的維護(hù),可靠,終端商業(yè)化。在通信網(wǎng)中GPS要與各級(jí)原子鐘主備用。
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4、NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)間協(xié)議,RFC1305)修正通信系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間。NTP采用客戶機(jī)/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(bào)文,響應(yīng)其他設(shè)備作為客戶機(jī)向NTP服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求,發(fā)送32位整數(shù)表示的當(dāng)前時(shí)間報(bào)文、計(jì)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(shí)間。
RFC1305屬于TCP/IP協(xié)議族,這種協(xié)議傳送時(shí)間的要點(diǎn)是取得傳送的時(shí)間延遲并進(jìn)行延遲補(bǔ)償,協(xié)議的傳輸延時(shí)與時(shí)間偏差計(jì)算方式是一種實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)機(jī)制,采用Filtering和Selection算法,包括Clock-Filter算法,interval-intersection算法,clustering算法。客戶端可以和幾個(gè)時(shí)間服務(wù)器對(duì)時(shí),用算法過濾來自不同服務(wù)器的時(shí)間,選擇最佳的路徑和來源來校正時(shí)間。每一個(gè)時(shí)間報(bào)文內(nèi)包含最近一次的事件的時(shí)間信息、包括上次事件的發(fā)送與接收時(shí)間、傳遞現(xiàn)在事件的當(dāng)?shù)貢r(shí)間、及此包的接收時(shí)間。在收到上述報(bào)文后即可計(jì)算出時(shí)間的偏差量與傳遞報(bào)文的時(shí)間延遲。
僅從一個(gè)時(shí)間服務(wù)器獲得校時(shí)信息,不能校正通訊過程所造成的時(shí)間偏差,而同時(shí)與許多時(shí)間服務(wù)器通信校時(shí),就可利用算法找出相對(duì)較可靠的時(shí)間來源,然后采用它的時(shí)間來校時(shí)。時(shí)間服務(wù)器用算法將先前8個(gè)校時(shí)報(bào)文計(jì)算出時(shí)間參考值,以時(shí)間參考值判斷后續(xù)校時(shí)包的精確性,如果后續(xù)有相對(duì)較高的離散程度,表示這個(gè)對(duì)時(shí)報(bào)文的可信度比較低。時(shí)間服務(wù)器可以利用以下3類工作方式:symmetric:時(shí)間服務(wù)器可以從遠(yuǎn)端時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)鐘,也可提供時(shí)間信息給遠(yuǎn)端的時(shí)間服務(wù)器。
此一方式適用于配置多個(gè)時(shí)間服務(wù)器,可以提供更高的時(shí)間精確度給客戶。Client/server:局域網(wǎng)的環(huán)境,時(shí)間服務(wù)器接收上級(jí)時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間信息,并提供時(shí)間信息給下層的用戶。broadcast:局域網(wǎng)的環(huán)境,時(shí)間服務(wù)器以廣播的方式周期性地將時(shí)間信息傳送給其他時(shí)間服務(wù)器,其時(shí)間僅會(huì)有少許的延遲,配置簡(jiǎn)單,精確度并不高。最高時(shí)間服務(wù)器要以高精度時(shí)鐘參考,一般是GPS信號(hào)。
國際互聯(lián)網(wǎng)的NTP時(shí)標(biāo)以UTC時(shí)標(biāo)為基礎(chǔ),以1972年1月1日0時(shí)起,這個(gè)時(shí)間NTP計(jì)為2272060800s(以1900年1月1日0時(shí)為起點(diǎn)),例如UTC時(shí)間的1990年12月31日23:59:59,NTP時(shí)標(biāo)為2871590399s。如果構(gòu)建用戶自己的NTP授時(shí)網(wǎng),可以自己選擇起點(diǎn),中國科學(xué)院國家授時(shí)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(shí)間服務(wù)器的精度以Stratum定義,Stratum1時(shí)鐘精度大約比授時(shí)信號(hào)差10倍,按照系統(tǒng)和設(shè)備時(shí)間精度需求,選擇級(jí)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(jiǎn)化版本,沒有NTP復(fù)雜的算法,一般在windows上的實(shí)現(xiàn),如圖2所示。
圖2 NTP結(jié)構(gòu)圖
安全機(jī)制:使用了驗(yàn)證(Authentication)機(jī)制,檢查來對(duì)時(shí)的信息是否是真正來自所宣稱的服務(wù)器并檢查報(bào)文的返回路徑,以對(duì)抗攻擊,但是加密算法要求計(jì)算機(jī)性能比較高,并影響時(shí)間精確度。
5、通信網(wǎng)內(nèi)采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)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(shí)間信息。運(yùn)營商的DCN是省內(nèi)互聯(lián)電信運(yùn)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(shí)間同步網(wǎng)。采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí),參照中國科學(xué)院國家授時(shí)中心建的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù),廣域網(wǎng)定時(shí)精度300ms,局域網(wǎng)<15ms級(jí)。一個(gè)省電信網(wǎng)有8~10個(gè)本地網(wǎng)有Stratum1服務(wù)器,其他地市用Stratum2級(jí)時(shí)間服務(wù)器。
本地網(wǎng)級(jí)的Stratum1時(shí)間服務(wù)器之間互相聯(lián)網(wǎng),以symmetric方式互相校時(shí),避免GPS時(shí)間源出故障造成中斷,還可以達(dá)到更高精度。Stratum1時(shí)間服務(wù)器對(duì)下級(jí)采用client/server方式。Stratum1時(shí)間服務(wù)器取得GPS時(shí)間信號(hào)和其他授時(shí)方式時(shí)間信號(hào),比如其他導(dǎo)航衛(wèi)星,短波,長波方式,互為備用。上下級(jí)Stratum采用DCN相連或?qū)>€相連,保持穩(wěn)定相連。各級(jí)時(shí)間服務(wù)器把時(shí)間信號(hào)發(fā)到各個(gè)通信設(shè)備,如圖3所示。
圖3 省內(nèi)電信時(shí)間同步網(wǎng)參考商用產(chǎn)品測(cè)試指標(biāo),Stratum1授時(shí)精度達(dá)到1~10ms,估計(jì)Stratum2訪問Stratum1達(dá)到10-100ms,Stratum3達(dá)到100ms-1s,整個(gè)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)分2-3級(jí),達(dá)到100ms級(jí),滿足電信網(wǎng)秒級(jí)精度要求。如果要求更高時(shí)間精度,例如信令分析,在電信網(wǎng)中用DDN專線傳輸時(shí)間信號(hào),精度達(dá)到1~10ms。
6、時(shí)間服務(wù)器選擇
Stratum1時(shí)間精度決定于時(shí)間源和硬件接口,如果采用原子鐘和高速接口可以達(dá)到10ms內(nèi)。Stratum1時(shí)間服務(wù)器要在計(jì)算機(jī)上直接插入PCI總線定時(shí)板卡用于接收和維持時(shí)間信息,就可以直接連接并同步到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源上——例如GPS或短波接收機(jī),它們可以獨(dú)立維持時(shí)間而不受主機(jī)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(shí)間服務(wù)器。根據(jù)客戶端數(shù)量,校準(zhǔn)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(shí)間源
通信設(shè)備也要采取措施提高時(shí)間源精度和穩(wěn)定度。選擇合適振蕩器級(jí)別。表2
振蕩Stratum級(jí)別Stratum1:國家級(jí)時(shí)鐘源,GPS時(shí)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(jī)