通信網(wǎng)中的時(shí)間同步問(wèn)題

1、問(wèn)題的描述和分析

目前通信網(wǎng)中的各種設備之間的時(shí)間誤差非常大。通信網(wǎng)的計費，運營(yíng)管理，事件記錄和故障判別需要統一的時(shí)間標準?，F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(shù)，時(shí)間同步采用TCP/IP時(shí)間協(xié)議NTP協(xié)議成為趨勢。通信網(wǎng)內獲得時(shí)間同步，要按照不同精度要求和穩定要求選擇時(shí)間源，選擇合適的時(shí)間傳輸技術(shù)和校準方法。

2、時(shí)間源的選擇

現代標準時(shí)間源是原子鐘。原子鐘是原子頻率的簡(jiǎn)稱(chēng)，是根據原子物理學(xué)和量子力學(xué)原理制造的高準確度和高穩定度的振蕩器。物理原理是原子躍遷頻率只取決于其內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)現頻率控制。因為原子鐘振蕩頻率存在著(zhù)系統的和隨機誤差，人們通常采用一組原子鐘，用統計方法構成一個(gè)“平均原子鐘”，取得原子時(shí)。

現在國際原子時(shí)由50多個(gè)原子鐘計算得到。按照廣義相對論四維時(shí)空框架，世界各國的原子鐘按照規定的方法進(jìn)行相互比對，其數據再由專(zhuān)門(mén)的國際機構進(jìn)行處理，求出全世界統一的國際原子時(shí)（IAT）。UTC（CoordinatedUniversalTime協(xié)調世界時(shí)）是一個(gè)復合的時(shí)間標度，由原子鐘驅動(dòng)的時(shí)間標度和地球旋轉速率為基準的時(shí)間標度組成。UTC時(shí)間可由國內計量標準機構和全球導航衛星得到。

銫原子鐘有很高的準確度，穩定度和均勻度，準確度達到±3×10-15，長(cháng)期穩定度±2×10-15，因此成為現代最高標準時(shí)間源，銣原子鐘穩定性不夠，但是成本低，GPS可校正銣原子鐘，二者配合使用。我國電信系統采用的時(shí)間源有兩種，一個(gè)是國內的原子時(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GPS是美國衛星導航系統，GPS發(fā)送美國海軍天文臺的UTC（USTU），為全世界用戶(hù)提供時(shí)間服務(wù)，美國海軍天文臺的UTC由20多個(gè)銫原子鐘形成，這種時(shí)間源完全能夠達到電信網(wǎng)內各種設備時(shí)間同步的精度要求。

GPS時(shí)鐘與地面鐘不同，要考慮狹義相對論中的衛星和接收機相對于地心慣性坐標系移動(dòng)的校正，和廣義相對論中衛星和接收機引力周期變化的校正，以使用戶(hù)更準確的得到時(shí)間。

3、授時(shí)技術(shù)的選擇

授時(shí)服務(wù)為國家計量機構提供，為用戶(hù)提供3種信息：日期和時(shí)刻，精密的時(shí)間間隔，標準頻率。在我國可以主要得到下面授時(shí)信號。（1）地面無(wú)線(xiàn)電波授時(shí)：國內有BPM短波授時(shí)和BPL長(cháng)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(xiàn)電波授時(shí)

衛星授時(shí)GPS導航系統：提供的時(shí)間信號對世界協(xié)調時(shí)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顆衛星信號，可用來(lái)提供 2.048Mbit/s基準時(shí)間信號。俄羅斯的GLONASS衛星導航系統：目前系統未完成完善，接收設備商業(yè)化不夠。中國的北斗導航系統：精度達到 50ns，目前覆蓋中國，同步衛星信號接收設備體積較大，系統還未建成。（3）網(wǎng)絡(luò )授時(shí)：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)。使用 NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議，RFC1305）。（4）電話(huà)授時(shí)：通過(guò)公共電話(huà)網(wǎng)，用戶(hù)用調制解調器接首時(shí)間信號。（5）電視授時(shí)：通過(guò)電視網(wǎng)授時(shí)。（6）電信有線(xiàn)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，以衛星授時(shí)最佳，采用美國GPS系統較佳。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(shí)間同步

隨著(zhù)通信網(wǎng)日益IP化，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )，使用NTP（NetworkTimeProtocol，網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議，RFC1305）修正通信系統內部時(shí)間。NTP采用客戶(hù)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，響應其他設備作為客戶(hù)機向NTP服務(wù)器發(fā)送請求，發(fā)送32位整數表示的當前時(shí)間報文、計算精確度和穩定度的信息，客戶(hù)端接受信息后調整本地時(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)行延遲補償，協(xié)議的傳輸延時(shí)與時(shí)間偏差計算方式是一種實(shí)時(shí)的動(dòng)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?hù)端可以和幾個(gè)時(shí)間服務(wù)器對時(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)間報文內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、傳遞現在事件的當地時(shí)間、及此包的接收時(shí)間。在收到上述報文后即可計算出時(shí)間的偏差量與傳遞報文的時(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)報文計算出時(shí)間參考值，以時(shí)間參考值判斷后續校時(shí)包的精確性，如果后續有相對較高的離散程度，表示這個(gè)對時(shí)報文的可信度比較低。時(shí)間服務(wù)器可以利用以下3類(lèi)工作方式：symmetric：時(shí)間服務(wù)器可以從遠端時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)鐘，也可提供時(shí)間信息給遠端的時(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(hù)。Client/server：局域網(wǎng)的環(huán)境，時(shí)間服務(wù)器接收上級時(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(hù)。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。

國際互聯(lián)網(wǎng)的NTP時(shí)標以UTC時(shí)標為基礎，以1972年1月1日0時(shí)起，這個(gè)時(shí)間NTP計為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)標為2871590399s。如果構建用戶(hù)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規定系統配置一套最高15層服務(wù)器的系統，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)信號差10倍，按照系統和設備時(shí)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(jiǎn)化版本，沒(méi)有NTP復雜的算法，一般在 windows上的實(shí)現，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(lái)對時(shí)的信息是否是真正來(lái)自所宣稱(chēng)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(shí)間精確度。

5、通信網(wǎng)內采用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(xiàn)傳輸方式（SDH，DCN、DDN等）來(lái)傳播時(shí)間信息。運營(yíng)商的DCN是省內互聯(lián)電信運營(yíng)管理系統的TCP/IP專(zhuān)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)系統數據，廣域網(wǎng)定時(shí)精度300ms，局域網(wǎng)＜15ms 級。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級時(shí)間服務(wù)器。

本地網(wǎng)級的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，還可以達到更高精度。 Stratum1時(shí)間服務(wù)器對下級采用client/server方式。Stratum1時(shí)間服務(wù)器取得GPS時(shí)間信號和其他授時(shí)方式時(shí)間信號，比如其他導航衛星，短波，長(cháng)波方式，互為備用。上下級Stratum采用DCN相連或專(zhuān)線(xiàn)相連，保持穩定相連。各級時(shí)間服務(wù)器把時(shí)間信號發(fā)到各個(gè)通信設備，如圖3 所示。

圖3　省內電信時(shí)間同步網(wǎng)參考商用產(chǎn)品測試指標，Stratum1授時(shí)精度達到1～10ms，估計Stratum2訪(fǎng)問(wèn)Stratum1達到 10-100ms，Stratum3達到100ms-1s，整個(gè)時(shí)間網(wǎng)絡(luò )分2-3級，達到100ms級，滿(mǎn)足電信網(wǎng)秒級精度要求。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(zhuān)線(xiàn)傳輸時(shí)間信號，精度達到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到10ms內。Stratum1時(shí)間服務(wù)器要在計算機上直接插入PCI總線(xiàn)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準時(shí)間源上——例如GPS或短波接收機，它們可以獨立維持時(shí)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系統作為時(shí)間服務(wù)器。根據客戶(hù)端數量，校準頻率和加密處理來(lái)選擇服務(wù)器性能配置。

7、通信設備內部時(shí)間源

通信設備也要采取措施提高時(shí)間源精度和穩定度。選擇合適振蕩器級別。表2

　振蕩Stratum級別Stratum1：國家級時(shí)鐘源，GPS時(shí)間Stratum2：長(cháng)途交換和長(cháng)途傳輸系統Stratum3：本地交換和本地傳輸系統Stratum4：用戶(hù)交換機