通信网中的时间同步研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 通信网中的时间同步研究　【黄彩银麦辰】　Ｉ　固　上ＮＴ阐Ｐ述协了议通在信省网级时通间信同网步时问间题同意步义的，方分案析　了时间同步技术的关键点，研究了ＩＰ网　黄彩银　圜　困　圆　圆　中国网通有限公司广州分公司，工程师。　麦辰　广东省的电子邮政局，高级工程师。　１　问题的描述和分析　目前通信网中的各种设备之间的时间误差非常大。　高稳定度的振荡器。物理原理是原子跃迁频率只取决于其　内部特征而与外界电磁场无关，可以利用量子跃迁实现频　率控制。　通信网的计费，运营管理，事件记录和故障判别需要统一　因为原子钟振荡频率存在着系统的和随机误差，人　的时间标准。　们通常采用一组原子钟，用统计方法构成一个“平均原子　现代通信网设备日益采用计算机平台，　日益ＩＰ化。　采用软交换技术，　时间同步采用ＴＣＰ／ＩＰＩ３￣间协议ＮＴＰ协　得到。　钟”，取得原子时。现在国际原子时Ｅｈ５０￣个原子钟计算　议成为趋势。　按照广义相对论四维时空框架，世界各国的原子钟　按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机　通信网内获得时间同步，要按照不同精度要求和稳　定要求选择时间源，选择合适的时间传输技术和校准方　构进行处理，求出全世界统一的国际原子时（ＩＡＴ）。ＵＴＣ　法。　（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｔｉｍｅ协调世界时）是一个复合　的时间标度，由原子钟驱动的时间标度和地球旋转速率为　基准的时间标度组成。ＵＴＣ时间可由国内计量标准机构和　全球导航卫星得到。　２时间源的选择　现代标准时间源是原子钟。原子钟是原子频率的简　称，是根据原子物理学和量子力学原理制造的高准确度和　７６　维普资讯 http://www.cqvip.com 铯原子钟有很高的准确度，稳定度和均匀度，准确度达　到±３×１０　，长期稳定度±２×１０　，因此成为现代最　高标准时间源．铷原子钟稳定性不够，但是成本低，ＧＰＳ　可校正铷原子钟，二者配合使用。　我国电信系统采用的时间源有两种，一个是国内的　原子时间源，在武汉和北京的铯原子钟，一个是ＧＰＳ。　全球定位系统ＧＰＳ是美国卫星导航系统，ＧＰＳ发送美国　海军天文台的ＵＴＣ（ＵＳＴＵ），为全世界用户提供时间服　务，美国海军天文台的ＵＴＣ由２Ｏ多个铯原子钟形成，这种　时间源完全能够达到电信网内各种设备时间同步的精度要　求。ＧＰＳ时钟与地面钟不同，要考虑狭义相对论中的卫星　和接收机相对于地心惯性坐标系移动的校正，和广义相对　论中卫星和接收机引力周期变化的校正，以使用户更准确　的得到时间。　３授时技术的选择　授时服务为国家计量机构提供，为用户提供３种信　息：日期和时刻，精密的时间间隔，标准频率。在我国可　以主要得到下面授时信号。　（１）地面无线电波授时：　国内有ＢＰＭ短波授时和ＢＰＬ　长波授时。都有精度高，覆盖大的优点，如图１所示。　图１地面无线电波授时　（２）卫星授时　ＧＰＳ导航系统：提供的时间信号对世界协调时跟　踪，精度优于１００　ｎｓ。ＧＰＳ全球覆盖，接收设备体积小，　可以接收６颗卫星信号，可用来提供２．０４８　Ｍｂｉｔ／ｓ基准时间　信号．　俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ￣星导航系统：目前系统未完成　通信网中的时间同步研究　完善，接收设备商业化不够。　中国的北斗导航系统：精度达到５０　ｎｓ，目前覆盖中　国，同步卫星信号接收设备体积较大，系统还未建成。　（３）网络授时：通过互联网授时。使用ＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，网络时间协议，ＲＦＣ１３０５）。　（４）电话授时：通过公共电话网，用户用调制解调器　接首时间信号。　（５）电视授时：通过电视网授时。　（６）电信有线传输网授时　表１是授时精度比较　表１授时精度比较　囡　困　国　园　从表１比较看出，无论是精度，还是覆盖范围来看，　以卫星授时最佳，采用美国ＧＰＳ系统较佳。ＧＰＳ得到比　较好的维护，可靠，终端商业化。在通信网中ＧＰＳ要与各　级原子钟主备用。　４　ＮＴＰ协议的网络时间同步　随着通信网日益Ｉ　Ｐ化，通过Ｉ　Ｐ网络，使用ＮＴＰ　（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，网络时间协议，ＲＦＣ１　３０５）修　正通信系统内部时间。　ＮＴＰ采用客户机／Ｎ，务器模型，ＮＴＰ￣Ｅ务器端１３等待发　送到此端１３的ＵＤＰ报文，响应其他设备作为客户机向ＮＴＰ　服务器发送请求，发送３２位整数表示的当前时间报文、计　算精确度和稳定度的信息，客户端接受信息后调整本地时　间。　ＲＦＣ１　３０５属于ＴＣＰ／ＩＰ协议族，这种协议传送时间的　要点是取得传送的时间延迟并进行延迟补偿，协议的传　输延时与时间偏差计算方式是一种实时的动态机制，采　用　ｌｅｒｉｎｇ和ＳｅＩｅｃｌｉｏｎ算法，包括Ｃｌｏｃｋ—Ｆｉｌｔｅｒ算法，ｉｎｔｅｒｖａｌ一　７７　２００７．４广东通信技术　维普资讯 http://www.cqvip.com 圆　囊藏　≥毒　：　＿上　＿　；　　－到上述报文后即可计算出时间的偏差量与传递报文的时　阁珏识　佃从一个时阁服备器荔得柿时信息．不能榕ＴＦ诵校时，就可利用算法找出相对较可靠的时间来源，然后采用它的时间来校时。时间服务器用算法将先前８个校时报　文计算出时间参考值，以时间参考值判断后续校时包的精　确性，如果后续有相对较高的离散程度，　表示这个对时　报文的可信度比较低。　时间服务器可以利用以下３类工作方式：　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ：时间服务器可以从远端时间服务器获取　时钟，也可提供时间信息给远端的时间服务器。此一方式　适用于配置多个时间服务器，可以提供更高的时间精确度　ｃｌｉｅｎｔ／ｓｅｒｖｅｒ：局域网的环堵Ｊ时间服务器接收上级时　间服务器的时间信息，并提供时间信息给下层的用户。　ｂｒｏａｄｃａｓｔ：局域网的环境，时间服务器以广播的方式　周期性地将时间信息传送给其他时间服务器，其时间仅会　有少许的延迟，配置简单，精确度并不高．　最高时间服务器要以高精度时钟参考，一般是ＧＰＳ信　号。国际互联网的ＮＴＰ时标以ＵＴＣ时标为基础，以１９７２　年１月１日０时起，这个时间ＮＴＰ计￣２２７２０６０８００ｓ（以　１９００年１月１日０时为起点），例如ＵＴＣ时间的１９９０年１２　月３１日２３：５９：５９，ＮＴＰ时标￣２８７１５９０３９９ｓ。如果构　建用户自己的ＮＴＰ授时网，可以自己选择起点，中国科学　院国家授时中心以１９９９年１２月３１日起。　ＲＦＣ１３０５规定系统配置一套最高１５￣ｆＪＥ务器的系统，　每层时间服务器的精度［，￣Ｓｔｒａｔｕｍ定义，Ｓｔｒａｔｕｍ１时钟精度　大约比授时信号差１０倍，按照系统和设备时间精度需求，　选择级别和传输技术。　ＴＣＰ／ＩＰ协议族另有Ｄａｙｔｉｍｅ协议（ＲＦＣ８６７）、Ｔｉｍｅ　菇蔷　茬　■＿　．＿　础＿　誓＿一，＿１ｉ　霜啊　Ｉ圈圜　雾　焉般。嚣　嚣　霁凄娄　层　络的计羹帆的服务嚣科。　帕的　鞭务嚣…　一点到。　‘　图２　ＮＴＰ结构图　安全机制：使用了验证（Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）机制，检查来　对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查报文的　返回路径，以对抗攻击，但是加密算法要求计算机性能比　较高，并影响时间精确度。　５通信网内采用ＮＴＰ网络授时的组网方案　电信网中可以采用精度较高的有线传输方式　（ＳＤＨ，ＤＣＮ、ＤＤＮ等）来传播时间信息。运营商Ｉ￣ＤＣＮ　是省内互联电信运营管理系统￣ＴＣＰ／ＩＰ专用网络，比较　方便在其上建立时间同步网。　采用ＮＴＰ网络授时，参照中国科学院国家授时中心　建的网络授时系统数据，广域网定时精度３００　ｍｓ，局域　网＜１５　ｍｓ级。一个省电信网有８－１ｏ４＂－本地网有Ｓｔｒａｔｕｍ　１服务器，其他地市用Ｓｔｒａｔｕｍ　２级时间服务器。本地网级　的Ｓｔｒａｔｕｍ　１时间服务器之间互相联网，以ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ方式互　相校时，避免ＧＰＳ时间源出故障造成中断，还可以达到更　高精度。Ｓｔｒａｔｕｍ　１时间服务器对下级采用ｃｌｉｅｎ＃ｓｅｗｅｒ方　式。　Ｓｔｒａｔｕｍ　１时间服务器取得ＧＰＳ时间信号和其他授时　方式时间信号，比如其他导航卫星，短波，长波方式，互　为备用。上下级Ｓｔｒａｔｕｍ采用ＤＣＮ相连或专线相连，保持　稳定相连。各级时间服务器把时间信号发到各个通信设　维普资讯 http://www.cqvip.com 备，如图３所示。　图３省内电信时间同步网　参考商用产品测试指标，Ｓｔｒａｔｕｍ　１授时精度达到　１～１０　ｍｓ，估计Ｓｔｒａｔｕｍ　２访问Ｓｔｒａｔｕｍ　１达到１０－１００　ｍｓ，　Ｓｔｒａｔｕｍ　３达到１００　ｍｓ～１　Ｓ，整个时间网络分２～３级，达到　１００　ｍｓ级，满足电信网秒级精度要求。　如果要求更高时间精度，例如信令分析，在电信网　中用ＤＤＮ专线传输时间信号，精度达到１～１０　ｍｓ。　６时间服务器选择　Ｓｔｒａｔｕｍ　１时间精度决定于时间源和硬件接１：３，如果　采用原子钟和高速接１：３可以达到１０　ｍｓ内。Ｓｔｒａｔｕｍ　１时　间服务器要在计算机上直接插入ＰＣＩ总线定时板卡用于接　收和维持时间信息，就可以直接连接并同步到标准时间源　上——例￣ＮＧＰＳ或短波接收机，它们可以独立维持时间而　不受主机操作的影响；板卡上的的晶体振荡器有足够的精　确度。精度要求较高的，例如信令分析，采用ＧＰＳ与较便　宜的铷原子钟配合。ＷｌＮＤＯＷＳ　２０００或ＵＮＩＸ系统作为时　间服务器。根据客户端数量，校准频率和加密处理来选择　服务器性能配置。　７通信设备内部时间源　通信设备也要采取措施提高时间源精度和稳定度。　通信网中的时间同步研究＿　选择合适振荡器级别。　表２振荡Ｓｔｒａｔｕｍ级别　Ｓｔｒａｔｕｍ　１：国家级时钟源，ＧＰＳ时间　Ｓｔｒａｔｕｍ　２：长途交换和长途传输系统　Ｓｔｒａｔｕｍ　３：本地交换和本地传输系统　Ｓｔｒａｔｕｍ　４：用户交换机　下面是个华为交换机例子：　出于成本考虑，交换机一般采用精度不高的晶振，　内部时间源的质量不高，时间精度不够，要达到时间精度　要求要进行升级。　在０８交换机内部加装高精度时间源定时板卡——时　囡　间电路板，上有更高质量晶体振荡器，以提高时间精度。　困　圜　软件升级，华为Ｃ＆Ｃ０８交换机高版本提高交换机时　园　间精度。　参考文献　漆贯荣。编著，时间科学基础．高等教育出版社，２００６　ＩＡＢ　ＲＦＣ１　３０５：　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ｖｅｒｓｉｏｎ３）　中国科学院国家授时中心：ｈｔｔｐ：ｌｌｗｗｗ。ｎｔｓｃ．ａｃ．ｃｎ／ｉｎｄｅｘ。ａｓｐ　Ｄｏｕｇｌａｓ　Ｅ　Ｃｏｍｅｒ著．用ＴＣ　ＪＰ进行网际互联　电子工业出版　社．１９９８　５　小关裕明著，服务器、科学出版社、２００４　６　毛京丽，张丽，李文海。编、现代通信网，北京邮电大学出版社。　１９９９　７　朱荣华．王莉。现代技术中的物理学。高等教育出版社。２００３　８　ＥＪ　Ｊｉｏｔｔ　Ｄ．ｋａｐｌａｎ著，邱致和，王万义译，ＧＰＳ原理与应用，电子　工业出版２００２。８　（收稿日期２００７－０３—２３）　７９　２００７．４’广东通信技术