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通信網絡

Communication network

時間同步原理及時間同步網組網原則 

1. 時間的概念 

根據不同的用途,人們定義了不同的時間參照體系,主要有:UT(Universal Time)、TAI(International Atomic Time)、UTC(Coordinated Universal Time)等。世界時(UT)與恒星時有嚴格的轉換關系,人們通過觀測恒星得到世界時。后來發現,由于地球自轉季節性變化、不規則變化和長期減慢,得到的世界時,是不均勻的。國際原子時(TAI)是一種連續性時標,由1958年1月1日0時0分0秒起,以日、時、分、秒計算。由于采用了原子躍遷周期來做為秒定義的組成,TAI是一種準確度相當高的時標。全球協調時(UTC)是一個折中時間,也稱為絕對時間,它的秒間隔長度與TAI是一致的。同時,在UTC時標中的日期與UT的日期誤差必須要保持在0.9s內。為了實現此要求,國際時間管理局會不定期地跳秒,并且世界上每個標準時間系統都會遵從。因此,通常稱之為絕對時間。在我國,通常使用的時間是北京時間,它是與UTC進行比對和校準后向外發布,因此與UTC保持一致。

 

2. 時間源的概念 

基本時間標準(PTS,Primary Time Standard)是時間同步系統的時間源,是高穩定度、高精確度、冗余配置的時間保持體系。目前,PTS主要包括GPS衛星、美國海軍天文臺(USNO)、美國國家標準和技術委員會(NIST)的時間源或其他一些國家的時間標準組織提供的時間源。在這當中,以GPS衛星覆蓋面最廣,使用最方便,精度也比較高,時間精度相對于UTC可達到1~10微秒。  BD一號”系統是我國自行研制和建立的一種區域衛星導航定位通信系統,又稱:“雙星定位”系統或“BD一號”系統。主要是利用兩顆地球同步衛星來測量地球表面和空中的各種用戶的位置,并同時兼有雙向報文通信和定時授時的功能。該系統集測量技術、定位技術、數字通信和擴頻技術為一體,是一種全天候的覆蓋我國及周邊國家和地區的區域性衛星導航、定位、通信系統。

 

3. 時間傳遞的幾種方法

目前常用的時間信號格式主要有兩類:通過固定路由傳播的時間碼和通過IP網絡傳播的PTP/NTP。時間碼又包括IRIG、DCLS和ACTS等幾種。   IRIG(Inter Range Instrumentation Group):由IRIG組織于1956年開發,其最新版本為IRIG Standard 200-95 。又分為A、B、D、E、G和H幾種,常用的為IRIG-B,其傳輸介質可用雙絞線(1.2km)和同軸電纜,準確度為10~100 μs。   DCLS(DC Level Shift):是IRIG-B的一種特殊形式,通過64kbit/s的DDN專線進行傳輸,無傳輸距離限制,準確度為100~1000us。  PTP(Precision Time Protocol):伴隨著網絡技術的不斷增加和發展,尤其是以太網在測量和控制系統中應用越來越廣泛,計算機和網絡業界也在致力于解決以太網的定時同步能力不足的問題,以減少采用其它技術,例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。于是開發出一種軟件方式的網絡時間協議(NTP),來提高各網絡設備之間的定時同步能力。1992年NTP版本的同步準確度可以達到200μs,但是仍然不能滿足測量儀器和工業控制所需的準確度。為了解決這個問題,同時還要滿足其它方面需求。網絡精密時鐘同步委員會于2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所(NIST)的支持,該委員會起草的規范在2002年底獲得IEEE標準委員會通過,作為IEEE1588標準。該標準定義的就是PTP協議。由于PTP采用硬件與軟件結合設計,并對各種影響同步精度的部分進行有效矯正,以提供亞微秒級的同步精度。  NTP(Network Time Protocol):用來在網絡中提供高精度、可靠時間的標準Internet協議,基于UDP報文。從誕生到今天已有十多年的歷史,在網絡上被廣泛應用并不斷修改。目前NTP的第4版,網絡時間同步技術將向更高精度、更強的兼容性和多平臺的適應性方向發展,其精度在局域網私有網絡內可達100us,在Internet上絕大多數的地方其精度可以達到1- 50ms . 由于NTP是通訊網中時間傳遞的主要方式,以下詳細介紹一下NTP的工作原理。


4. NTP的工作原理 

網元客戶端首先向時間服務器發送一個NTP數據包,這個數據包被打上發送時的客戶端本機時間標簽A,服務器接收到這個數據包后也向客戶端發送一個NTP數據包,這個數據包中含有三個時間標簽:服務器接收到客戶端NTP數據包時的時間標簽B、服務器發出NTP數據包時的時間標簽C、客戶端NTP數據包中原有的時間標簽A,客戶端接收到這個數據包后也打上一個本機時間標簽D,根據這4個時間標簽就可以算出服務器-客戶間的傳輸時延和時鐘偏差(見圖4-1),當采用NTP客戶/服務器方式時,由于時間精度在局域網內為10us~10ms,因此網絡時間傳送普遍采用NTP客戶/服務器方式。

 

以上只是最簡單的NTP同步過程,在NTP的標準RFC-1305中,還有一套嚴密的方法防止時間網上的“時間自環”和防止同步于時間不準確的時間服務器,為了防止被攻擊,NTP協議也提供認證和加密的功能。 

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