時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)

謝毅

　　摘 要：首先對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行了背景介紹，然后討論了不同的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最后指出了建立全球或區(qū)域時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)間同步，網(wǎng)絡(luò)同步，時(shí)鐘同步

　　一、概 述

　　在通信領(lǐng)域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位同步，其誤差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問(wèn)題已經(jīng)基本解決，而時(shí)間的同步還沒(méi)有得到很好的解決。時(shí)間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)應(yīng)用界面的時(shí)鐘的時(shí)刻和時(shí)間間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）同步，最起碼在全國(guó)范圍內(nèi)要和北京時(shí)間同步。時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)是保證時(shí)間同步的基礎(chǔ)，構(gòu)成時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)可以采取有線方式，也可以采取無(wú)線方式。

　　時(shí)間的基本單位是秒，它是國(guó)際單位制（SI單位制）的七個(gè)基本單位之一。1967年以前，秒定義均建立在地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)基礎(chǔ)之上。1967年的國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGDM）給出了新的秒定義：“秒是銫133（133Cs）原子在0K溫度基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射的9 192 631 770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的協(xié)調(diào)世界時(shí)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)閏秒調(diào)整的原子秒。

　　目前在國(guó)際基準(zhǔn)和國(guó)家基準(zhǔn)層面所使用的主要是銫原子鐘。銫原子鐘已從70年代的磁選態(tài)銫原子鐘發(fā)展到后來(lái)的光抽運(yùn)銫原子鐘以及近期的冷原子噴泉銫原子鐘，原子秒的不確定度已經(jīng)提高到2×10－15。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘于2003年底通過(guò)了專家鑒定，其頻率復(fù)現(xiàn)性為5×10－15，已接近國(guó)際先進(jìn)水平。目前商用的小銫鐘的頻率復(fù)現(xiàn)性已達(dá)到或優(yōu)于5×10－13的水平。

　　其實(shí)，在應(yīng)用層面上并不需要國(guó)家基準(zhǔn)這樣高的時(shí)間和頻率準(zhǔn)確度，不同的應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)確度的要求是不同的。表1列舉了一些典型的應(yīng)用對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度的要求（這里所談的時(shí)間準(zhǔn)確度是應(yīng)用界面時(shí)間相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)的誤差）。

　　1988年，ITU-R的前身國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR）明確提出產(chǎn)業(yè)界需要在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確度優(yōu)于1 μs的時(shí)間傳輸技術(shù)。但是，真正在工作層面上實(shí)現(xiàn)這樣的時(shí)間準(zhǔn)確度并不是一件容易的事情，至少在目前還沒(méi)有很好地解決。

　　二、時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　目前有若干種時(shí)間同步技術(shù)，每一種技術(shù)都各有特色，不同技術(shù)的時(shí)間同步準(zhǔn)確度也有較大差異，如表2所示。

　　1.GPS時(shí)間同步技術(shù)

　　GPS時(shí)間同步技術(shù)是當(dāng)前比較成熟并在國(guó)際上廣泛使用的時(shí)間同步技術(shù)。但是，該技術(shù)存在三個(gè)問(wèn)題：第一，GPS系統(tǒng)受美國(guó)軍方控制，其Ｐ碼僅對(duì)美國(guó)軍方和授權(quán)用戶開放。民用C/A碼的時(shí)間同步精度比Ｐ碼低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且其安全性沒(méi)有保障；第二，GPS信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸，易受外界干擾；第三，GPS接收機(jī)的時(shí)刻信號(hào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口（如RS－232接口）輸出的，很多網(wǎng)上在用設(shè)備（如交換機(jī)）并沒(méi)有這種專用接口。與GPS技術(shù)類似的還有前蘇聯(lián)的GLANASS系統(tǒng)和我國(guó)的“北斗”系統(tǒng)。 GLANASS系統(tǒng)由于經(jīng)濟(jì)原因，健康星的數(shù)量有限，穩(wěn)定性和可靠性無(wú)法保障�！氨倍贰毕到y(tǒng)尚未民用，而且無(wú)法做到實(shí)時(shí)覆蓋。目前，歐洲實(shí)施的“伽里略”計(jì)劃將成為GPS的替代或備用系統(tǒng)。

　　2. 短波授時(shí)和長(zhǎng)波授時(shí)時(shí)間同步技術(shù)

　　利用無(wú)線電發(fā)播信號(hào)授時(shí)已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發(fā)送設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉。與互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)技術(shù)相比，該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)地校準(zhǔn)本地時(shí)鐘。一般這種接收設(shè)備都具有IEEE－488、RS－232等標(biāo)準(zhǔn)接口，以便于連接。目前國(guó)內(nèi)只有中科院陜西天文臺(tái)使用短波信號(hào)授時(shí)。國(guó)際上，長(zhǎng)波授時(shí)主要使用羅蘭－Ｃ系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)發(fā)射臺(tái)設(shè)在沿海地區(qū)，主要用于軍用和導(dǎo)航，尚不適合民用。

　　3.電話撥號(hào)時(shí)間同步技術(shù)

　　電話撥號(hào)授時(shí)（ACTS）使用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要電話線、模擬調(diào)制解調(diào)器、普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)和簡(jiǎn)單的用戶端軟件即可。同時(shí)，ACTS還提供反饋技術(shù)，它可以部分地抵消電話線的傳輸時(shí)延。目前這種技術(shù)主要用于校準(zhǔn)個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)間，若想用來(lái)校準(zhǔn)其他本地設(shè)備時(shí)鐘還需要進(jìn)一步開發(fā)設(shè)備的接口硬件以及相應(yīng)的軟件。電話撥號(hào)授時(shí)不具備實(shí)時(shí)性，通常是免費(fèi)的，用戶端軟件也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和中科院陜西天文臺(tái)都提供這種授時(shí)服務(wù)。

　　4.互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)

　　使用互聯(lián)網(wǎng)同步個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)間是十分方便的，目前國(guó)內(nèi)外都免費(fèi)提供這種服務(wù)。微軟公司已將網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）嵌入到Windows XP操作系統(tǒng)中，只要計(jì)算機(jī)能聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)，就能進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)時(shí)鐘校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的NTP采用的是RFC 1350標(biāo)準(zhǔn)�熀�(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）采用的是RFC 1769標(biāo)準(zhǔn)。NTP協(xié)議包含一個(gè)64 bit的協(xié)調(diào)世界時(shí)時(shí)間戳，時(shí)間分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ｍｓ的時(shí)間校準(zhǔn)精度。NTP也可以估算往返路由的時(shí)延差，以減小時(shí)延差所引起的誤差。但實(shí)驗(yàn)表明這種技術(shù)在洲際間的時(shí)間校準(zhǔn)精度只能達(dá)到幾百毫秒，甚至只能達(dá)到秒的量級(jí)。其準(zhǔn)確度和NTP服務(wù)器與用戶間的距離有關(guān)，一般在國(guó)內(nèi)或區(qū)域內(nèi)可以獲得1～50 ms的時(shí)間校準(zhǔn)精度。目前國(guó)際上有幾百臺(tái)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器提供這種時(shí)間同步服務(wù)，其中以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的性能最好。

　　另外，還有兩個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的、低精度的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間協(xié)議：Time協(xié)議（RFC 868）和Daytime協(xié)議（RFC 867），可以提供1s校準(zhǔn)精度的廣域網(wǎng)時(shí)間同步。

　　5.SDH網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)

　　早在10年前，國(guó)際上剛開始大規(guī)模建設(shè)SDH 或SONET網(wǎng)絡(luò)時(shí)，人們就提出利用SDH 或SONET網(wǎng)絡(luò)傳送高精度時(shí)間編碼信號(hào)。ITU-R S7組隨后正式立項(xiàng)研究，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)也進(jìn)行了大量相關(guān)的研究。這種技術(shù)的主要原理是把與銫鐘同步的時(shí)間編碼信號(hào)嵌入到SDH 或SONET STM-N的復(fù)用段開銷（MSOH）的空閑字節(jié)，信息長(zhǎng)度為5bit，其幀結(jié)構(gòu)符合ITU-T G.708建議。因此，只要不阻斷MSOH信息，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。該信息可以通過(guò)再生段，但是不能通過(guò)復(fù)用段。用SDH的STM-N信號(hào)傳送時(shí)間頻率信息的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抖動(dòng)的過(guò)濾能力強(qiáng)，不受支路指針調(diào)整的影響，因此，可以在STM-N端口之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的透明傳輸。

　　利用SDH網(wǎng)絡(luò)傳送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的方法有單向法、雙向法和共視法。圖1是共視法的原理圖。共視法是將各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行比較，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間的時(shí)刻值誤差通過(guò)隨后的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行比較和修正。

　　STM-N傳輸時(shí)鐘信號(hào)具備穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，其中，2 000 km的時(shí)間傳送準(zhǔn)確度小于100 ns，50 km的時(shí)間傳送準(zhǔn)確度是10～50ps。但是，它的弱點(diǎn)是不能得到廣泛應(yīng)用。

　　如何在2.048 Mbit/s端口實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息傳輸需要進(jìn)一步的研究，關(guān)鍵要克服復(fù)用和解復(fù)用過(guò)程中指針調(diào)整對(duì)時(shí)間信息的影響。指針調(diào)整是以單個(gè)字節(jié)為單位，一次調(diào)整會(huì)對(duì)支路信號(hào)產(chǎn)生8UI的相位躍變，這樣的支路信號(hào)在通過(guò)解同步電路后便會(huì)產(chǎn)生相位過(guò)渡過(guò)程，因而產(chǎn)生了支路單元輸出抖動(dòng)。隨著SDH技術(shù)的逐步完善，可以采用自適應(yīng)比特泄漏技術(shù)，使由指針調(diào)整產(chǎn)生的輸出相位抖動(dòng)得到較大程度的抑制。

　　目前，信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院承擔(dān)并完成的國(guó)家科技部項(xiàng)目“利用SDH網(wǎng)絡(luò)傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)”已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了E1接口（2.048 Mbit/s）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)傳輸。其原理是把與協(xié)調(diào)世界時(shí)同步的時(shí)間編碼嵌入2.048 Mbit/s支路信號(hào)勤務(wù)開銷字節(jié)或某個(gè)固定的業(yè)務(wù)時(shí)隙，同時(shí)利用鎖相環(huán)和軟件濾波器濾除抖動(dòng)，其時(shí)間同步的準(zhǔn)確度優(yōu)于5 μs。這樣的準(zhǔn)確度已經(jīng)可以為交換機(jī)、移動(dòng)基站控制器等諸多設(shè)備或應(yīng)用提供時(shí)間同步服務(wù)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)有望提高同步精度。圖2是利用E1電路雙向法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳送實(shí)驗(yàn)的原理圖。

　　假設(shè)A、B之間的2.048 Mbit/s數(shù)據(jù)流中有空閑時(shí)隙TSx，來(lái)自B的數(shù)據(jù)流通過(guò)從節(jié)點(diǎn)時(shí)，在空閑時(shí)隙x中寫入時(shí)間同步請(qǐng)求信息，然后經(jīng)由SDH網(wǎng)絡(luò)傳送至?xí)r間同步主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)提取時(shí)隙ｘ中的時(shí)間同步請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)處理后經(jīng)反方向的時(shí)隙ｘ回送到從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)間同步所需的必要信息，完成一次請(qǐng)求／應(yīng)答過(guò)程。

　　三、建立全球或區(qū)域時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題

　　主要的問(wèn)題是用戶端設(shè)備（如交換機(jī)、基站控制器等）沒(méi)有合適的接口電路，致使用戶和GPS接收機(jī)、無(wú)線電授時(shí)接收機(jī)、NTP協(xié)議等無(wú)法相連。目前，已有一些制造商和運(yùn)營(yíng)商在研究交換機(jī)的接口電路，但由于交換機(jī)的制式繁多，進(jìn)一步的改造尚須時(shí)日，而且對(duì)在用設(shè)備進(jìn)行改造的成本也非常高。

　　時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化也是急需解決的問(wèn)題，它和現(xiàn)有的同步網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一樣包括網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)以及接口的技術(shù)指標(biāo)等。

　　基于計(jì)算機(jī)和工作站的時(shí)間同步在技術(shù)上已經(jīng)沒(méi)有太大問(wèn)題，如計(jì)費(fèi)的后臺(tái)處理系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)等，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的NTP方式進(jìn)行時(shí)間同步，值得注意的是網(wǎng)絡(luò)的安全性問(wèn)題，適當(dāng)?shù)能浖�升�?jí)必不可少。

　　謝 毅 信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院副院長(zhǎng) 博士

摘自　中國(guó)電信網(wǎng)