天头科技

你所在的位置:首页>通信网络

通信网络

Communication network

时间同步原理及时间同步网组网原则 

1. 时间的概念 

根据不同的用途,人们定义了不同的时间参照体系,主要有:UT(Universal Time)、TAI(International Atomic Time)、UTC(Coordinated Universal Time)等。世界时(UT)与恒星时有严格的转换关系,人们通过观测恒星得到世界时。后来发现,由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢,得到的世界时,是不均匀的。国际原子时(TAI)是一种连续性时标,由1958年1月1日0时0分0秒起,以日、时、分、秒计算。由于采用了原子跃迁周期来做为秒定义的组成,TAI是一种准确度相当高的时标。全球协调时(UTC)是一个折中时间,也称为绝对时间,它的秒间隔长度与TAI是一致的。同时,在UTC时标中的日期与UT的日期误差必须要保持在0.9s内。为了实现此要求,国际时间管理局会不定期地跳秒,并且世界上每个标准时间系统都会遵从。因此,通常称之为绝对时间。在我国,通常使用的时间是北京时间,它是与UTC进行比对和校准后向外发布,因此与UTC保持一致。

 

2. 时间源的概念 

基本时间标准(PTS,Primary Time Standard)是时间同步系统的时间源,是高稳定度、高精确度、冗余配置的时间保持体系。目前,PTS主要包括GPS卫星、美国海军天文台(USNO)、美国国家标准和技术委员会(NIST)的时间源或其他一些国家的时间标准组织提供的时间源。在这当中,以GPS卫星覆盖面最广,使用最方便,精度也比较高,时间精度相对于UTC可达到1~10微秒。  BD一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统,又称:“双星定位”系统或“BD一号”系统。主要是利用两颗地球同步卫星来测量地球表面和空中的各种用户的位置,并同时兼有双向报文通信和定时授时的功能。该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体,是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。

 

3. 时间传递的几种方法

目前常用的时间信号格式主要有两类:通过固定路由传播的时间码和通过IP网络传播的PTP/NTP。时间码又包括IRIG、DCLS和ACTS等几种。   IRIG(Inter Range Instrumentation Group):由IRIG组织于1956年开发,其最新版本为IRIG Standard 200-95 。又分为A、B、D、E、G和H几种,常用的为IRIG-B,其传输介质可用双绞线(1.2km)和同轴电缆,准确度为10~100 μs。   DCLS(DC Level Shift):是IRIG-B的一种特殊形式,通过64kbit/s的DDN专线进行传输,无传输距离限制,准确度为100~1000us。  PTP(Precision Time Protocol):伴随着网络技术的不断增加和发展,尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题,以减少采用其它技术,例如IRIG-B等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议(NTP),来提高各网络设备之间的定时同步能力。1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs,但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题,同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过,作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议。由于PTP采用硬件与软件结合设计,并对各种影响同步精度的部分进行有效矫正,以提供亚微秒级的同步精度。  NTP(Network Time Protocol):用来在网络中提供高精度、可靠时间的标准Internet协议,基于UDP报文。从诞生到今天已有十多年的历史,在网络上被广泛应用并不断修改。目前NTP的第4版,网络时间同步技术将向更高精度、更强的兼容性和多平台的适应性方向发展,其精度在局域网私有网络内可达100us,在Internet上绝大多数的地方其精度可以达到1- 50ms . 由于NTP是通讯网中时间传递的主要方式,以下详细介绍一下NTP的工作原理。


4. NTP的工作原理 

网元客户端首先向时间服务器发送一个NTP数据包,这个数据包被打上发送时的客户端本机时间标签A,服务器接收到这个数据包后也向客户端发送一个NTP数据包,这个数据包中含有三个时间标签:服务器接收到客户端NTP数据包时的时间标签B、服务器发出NTP数据包时的时间标签C、客户端NTP数据包中原有的时间标签A,客户端接收到这个数据包后也打上一个本机时间标签D,根据这4个时间标签就可以算出服务器-客户间的传输时延和时钟偏差(见图4-1),当采用NTP客户/服务器方式时,由于时间精度在局域网内为10us~10ms,因此网络时间传送普遍采用NTP客户/服务器方式。

 

以上只是最简单的NTP同步过程,在NTP的标准RFC-1305中,还有一套严密的方法防止时间网上的“时间自环”和防止同步于时间不准确的时间服务器,为了防止被攻击,NTP协议也提供认证和加密的功能。