通信網(wǎng)中的時(shí)間同步問題分析

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(yíng)管理，事件記錄和故障判別需要統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

現(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(wú)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(guó)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(guó)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(guó)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，求出全世界統(tǒng)一的國(guó)際原子時(shí)（IAT）。UTC（Coordinated Universal Time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(guó)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(zhǎng)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(guó)電信系統(tǒng)采用的時(shí)間源有兩種，一個(gè)是國(guó)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(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， GPS發(fā)送美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)可以主要得到下面授時(shí)信號(hào)。

（1）地面無(wú)線電波授時(shí)：國(guó)內(nèi)有BPM短波授時(shí)和BPL長(zhǎng)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(wú)線電波授時(shí)

（2）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100 ns。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(lái)提供2.048 Mbit/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(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)：精度達(dá)到50 ns，目前覆蓋中國(guó)，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(guò)互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)。使用NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，RFC1305）。

（4）電話授時(shí)：通過(guò)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(guò)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(wú)論是精度，還是覆蓋范圍來(lái)看，以衛(wèi)星授時(shí)最佳，采用美國(guó)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。

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(guò)IP網(wǎng)絡(luò)，使用NTP（Network Time Protocol，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?？蛻舳丝梢院蛶讉€(gè)時(shí)間服務(wù)器對(duì)時(shí)，用算法過(guò)濾來(lái)自不同服務(wù)器的時(shí)間，選擇最佳的路徑和來(lái)源來(lái)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(guò)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(lái)源，然后采用它的時(shí)間來(lái)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(guó)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(guó)科學(xué)院國(guó)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(lái)對(duì)時(shí)的信息是否是真正來(lái)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(lái)傳播時(shí)間信息。運(yùn)營(yíng)商的DCN是省內(nèi)互聯(lián)電信運(yùn)營(yíng)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(guó)科學(xué)院國(guó)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300 ms，局域網(wǎng)＜15 ms級(jí)。一個(gè)省電信網(wǎng)有8～10個(gè)本地網(wǎng)有Stratum 1服務(wù)器，其他地市用Stratum 2級(jí)時(shí)間服務(wù)器。本地網(wǎng)級(jí)的Stratum 1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。Stratum 1時(shí)間服務(wù)器對(duì)下級(jí)采用client/server方式。

Stratum 1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(zhǎng)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)，Stratum 1授時(shí)精度達(dá)到1～10 ms，估計(jì)Stratum 2訪問Stratum 1達(dá)到10-100 ms，Stratum 3達(dá)到100 ms-1 s，整個(gè)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)分2-3級(jí)，達(dá)到100 ms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1～10 ms。

6、時(shí)間服務(wù)器選擇

Stratum 1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10 ms內(nèi)。Stratum 1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。 WINDOWS 2000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(lái)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