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  • 摘要:讨论面向5G的同步支撑网在网络架构、同步精度、安全性、可靠性、监测性等方面的需求,介绍种基于光纤的高精度时间同步网的实现方案,并给出经过现网1300km、19个节点传递的时间同步测试结果。利用该方案既...

    摘要:讨论面向5G的同步支撑网在网络架构、同步精度、安全性、可靠性、监测性等方面的需求,介绍一种基于光纤的高精度时间同步网的实现方案,并给出经过现网1300km、19个节点传递的时间同步测试结果。利用该方案既可以实现面向5G的时频一体化的支撑网,又可以对5G网络中重要节点的时频性能进行实时监测。

    关键词:5G 网络 同步支撑网 时频监测

    一、引言

    随着通信技术的发展,移动通信从1G的模拟通信系统到2G的数字通信系统,再到3G、4G以及即将来临的5G,在不断地演进。正是人们对于更好、更快的追求才使得通信技 术不断地进步。目前热门的大数据、云计算、人工智能、VR/AR、4K/8K视频、无人驾驶等新兴产业对5G的需求非常迫切,因为只有5G才能满足这些应用对高速率、大容量和低时延通信的需求。因此,5G时代将迎来新一轮的科技浪潮。5G已成为通信行业未来发展的重点,加速5G的技术 研发、标准制定、商用推广已成为国际和国内社会的战略共识。由于5G应用前景广泛,5G战略制高点争夺战已风起云涌。我国企业已投入巨资,在5G技术和网络应用领域展开研发和布局,希望占据整个产业链的主导地位。

    二、5G对时间同步的需求

    近年来,ITU-T、3GPP、IEEE等业界主流的标准组 织都在研究同步问题。3GPP定义5G同步需求,ITU-T定 义同步解决方案,IEEE定义基础时间同步协议。2017年12 月,3GPP批准了Release 15 5G NR非独立(NSA)标准,该标准的独立(SA)部分将于2018年6月完成。虽然3GPP 对5G同步的具体精度要求目前尚未确定发布,但是同步要求精度越来越高的趋势已是必然。5G基站采用TDD制式, 除了传统的移动基站业务外,还可能承载其他各种行业的应用。一些特殊的业务对时间同步的精度要求可能更高,达到几百纳秒,甚至几十纳秒。例如,未来5G时代的物联 网络利用基站提供定位服务,时间同步精度要求在±10ns 左右,LTE-Advanced的关键技术CoMP-JP多点协同传输处理中要求相邻基站间的相对时间精度在百纳秒。5G网络中由于采用了MIMO+OFDM技术,其时序控制要求非常精确,如在3GPP TS 36 104中第6.5.3.1节定义的TAE(Time Alignment Error)最高要求不超过65ns。未来高精度的时间 同步将成为5G网络的基础功能和5G服务的使能开关。时钟 同步将变成一种增值服务,为5G网络运营商提供广阔的市场机会。

    三、面向5G的同步网演进

    在同步网的建设过程中,需要考虑网络发展的后向兼容性,保证面向5G需求的时间同步网能够实现平滑演进。5G同步网作为重要的通信基础设施,不仅需要进一步完 善同步网的架构,提高同步网的时间精度、安全性、可靠性和健壮性,而且需要提升同步网的可服务性和易用性。 面向高精度的时间同步解决方案的初步意向主要集中在提升PRTC、承载网、基站的时间同步精度,同时减少组网 的跳数。在基准源方面,在传统多制式卫星(G P S/北斗/ GLONASS)参考源的基础上,增加国家高精度地基授时系 统的专用光纤网络参考源,实现对天上卫星失效的可靠备份。通过建立基于光纤的地面时间同步网络,为基站提供空中和地面一主一备的两路时间同步信号是业界认同的最 佳方案。此外,利用高精度地基授时系统的专用光纤网络提供的参考源,还可以对5G同步网的重要节点进行实时的性能监测。在组网架构方面,采用共视法和高精度地基授时系统专用光纤网络参考源,可以实现真正的全网同步, 从而为5G网络提供一张安全可靠、自主可控的高精度时间同步支撑网。

    四、实现方案

    针对5G网络对时间同步网更高精度的需求,与时间同 步相关的产业链中的厂商都在为了设备实现更高精度进行技术攻关,5G运营商也在对网络如何应用时间同步技术满足 5G需求进行研究。四川泰富公司与国内某电信运营商联合开展了面向5G的同步网新技术研究。主要研究内容为:在通 信光纤上进行长距离、多节点、高精度时频传输的研究。由于在高精度定位方面,3GPP标准中已出现3m的定位需求, 若采用基站测时测距的方式,时间同步误差要小于±10ns。 因此,测试的目的是采用高精度光纤时间传递设备,在某电信运营商的光纤现网上进行长距离(≥1000km)、多节点 (≥10个)、高精度(≤±10ns)的时频传输验证和测试。 现网测试的示意如图1所示。钟源是铯钟源,授时结构采取 主从模式。主站M跟踪钟源,主从之间、从站之间使用光纤连接,可以任意级联。要求各站(M,S1,S2,…,S20)的输出相对于铯钟源≤±10ns。采用非全光中继的方法,使每个授时节点可以任意上下时频信号(且保证各节点的时间 同步精度均≤±10ns),具备灵活的时频业务调度能力。

    4.1环回比对测试原理

    由于这次现网测试属于高精度时间测量,目前还没有仪表能够在异地实时准确地测量待测信号,需要把待测信号传递回源点,与参考源进行实时的比对测量。因此,所有的被测信号都由时间传递设备通过光纤传输到时间传递设备 N+2,然后对时间传递设备 N+2的输出与参考源进行比对测 量,测试示意如图2所示。
    
    在图2中,主设备(时间传递设备1)通过GPS/BD卫星 获得时间信息,也可以接收运营商标准的1PPS+TOD时间基 准信号并获得时间信息,频率通过铯钟获取。主站(Master) 时间信息通过SFP光模块传输到下一级从站(Slave)设备,并作为从站设备的时间参考源。时间传递设备2的时间信号通过两个方向传递,其中一个方向为备份路由,用于环路保护。 图2中的光纤是双纤,各代表一个传输方向。时间传递设备均可输出多路TOD+1PPS(差分)信号和频率信号,所有设备均可通过数据网由中心网管进行统一管理和控制。
    

    采用环回法进行实时测试,因为其他中间站没有参考源进行比对,中间站只能通过网管查询输出信号和输入信号的相位偏差。如果任一中间站的性能指标超出,那么最后环回站的性能指标也一定会超出,因此可以推断出:如果最后环回站测试正常, 那么其他中间站一定均正常,并且测得最后环回站的测试结果范围后,其他中间站的性能指标也一定在这个范围之内。

    4.2 现网测试方案及测试结果

    5G统一授时是面向全网的,因此在现网测试时同步网的组网需要达到一定的规模,至少应组建大于 1000k m的带环网的光 纤链路,同时传输的节 点数不少于10个。为了 达到10n s的时间同步精度,主站的时间源头需要配置铯钟源。结合某电信运营商光纤网络的 实际情况,综合考虑测试的内容和光纤线路资源,高精度光纤时间传递设备主要布置在成 都、内江以及成都到内江沿线。现网测试的具体实施方案如图3所示。

    以上光纤链路经过干线和本地环,传输距离超过1300k m,并且覆盖多种类型的光纤光 缆(其中有G.655光纤和G.652光纤)。不仅光纤类型不同,光缆的铺设环境也不同,包括管道光缆、架空光缆、直埋光缆及混合铺设等方式。时间源信号从主站(成都)输入,经过长距离传递后返回成都(环回测试)。

    现网测试的内容分为以下几个阶段。

    第一阶段主要进行基本功能测试、自动开局、1PPS+TOD 长期性能测试(大于7天)。

    第二阶段主要进行传输协议、环路保护功能测试、 1PPS+TOD应用功能测试、保持守时功能测试、2.048MHz 频率性能测试、基站侧1PPS+TOD性能测试、1PPS+TOD性能测试(跟踪GPS/BD)和PTP性能测试(跟踪GPS/BD)。

    第三阶段主要进行监测功能测试,通过监测盘测试输入 的2.048MHz性能并分析绘制图形(TIE、TDEV),与夏光 XG7010做比对测试,验证设备输入监控盘测试信号的正确性。

    现网测试光纤网络的传递距离为1305.65k m,经过19 个节点,实测精度在±5ns左右,优于±10ns。测试时间为9 天,最大值4.859ns,最小值-4.452ns,峰值为9.310ns。测试 结果如图4所示。

    现网的测试结果表明各个站点的时间同步精度在±5ns左右,满足未来5G时代的物联网利用基站提供定位服务时, 时间同步精度优于±10ns的要求。

    五、基于光纤的高精度同步网在5G中的应用展望

    基于光纤的高精度同步网在5G通信中主要有两个方面的应用,一是构建面向5G的时频一体化支撑网;二是对5G网络中的重要节点进行时频监测。由于基于光纤的高精度同步网通 过独立的地面光纤网络进行时间频率传递,时间频率信号与业务信号分离,形成独立的时频支撑网,实现对基站的统一授时。同时频率信号也提供给传输设备用作同步定时信号,从而形成面向5G网络的全网时频一体化支撑网。基于光纤的高精度时间同步网用于全网的时频同步场景,具体如图5所示。

    由于现有的同步网缺乏有效的监测手段,难以实时监测网络中重要节点的时间频率性能指标。利用基于光纤的高精度时间同步网形成独立的时频支撑网,能够有效地解决现网 BITS同步网以及PTN传输链路中重要的频率或时间节点的时频信号性能指标的监测问题,可以对同步网的时钟性能进行在线实时监测。监测方案如图6所示。

    如图6所示,对时钟性能监测最有效的方法即用绝对参考源(铯钟+GNSS)对时间频率监测点进行测量和比对。采 用铯钟+GNSS的绝对参考源后,利用基于光纤的高精度时间传递设备(图6中标识为“TF设备”)进行组网,组网后的 基准源输出能力可以达到:频率稳定度≤±5E10-14、时间 准确度≤±10ns。利用如此高精度的时间频率基准作为参考源,对现网设备的时钟同步性能进行比对测试,可以实时监控现网设备的同步性能。由于基准参考源的精度高于现网设备时间频率精度一个数量级以上,因此保证了监测数据的准确性和可靠性。

    六、结束语

    作为通信网络最重要的支撑网之一,同步网在5G网 的建设中具有非常重要的作用。面向5G的同步网必须进行全面和综合的考虑,使同步网在架构、精度、安全性、可靠 性、监测性等方面都进行全面提升,这样才能满足5G的应用需求。文中提出的基于光纤的高精度时频一体同步网的解决方案,不仅在精度上可以满足5G网络对时间同步精度更高的需求,而且可以用于5G网络重要节点的时间频率监测。现网测试表明,经过光纤传输1305.65km,连接19个网络节点, 实测同步精度优于±10ns,为面向5G的高精度时间同步网提供了一种可实现的方案。

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  • 计算机网络时间同步技术原理介绍

    千次阅读 2019-01-24 17:48:23
    由计算机网络系统组成的分布式系统,若想协调一致进行:IT行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader选举”,通信行业的“同步组网”之类业务处理,毫秒甚至微秒时间同步是重要基础之。 2.术语描述 2.0 世界...

    1.前言

    由计算机网络系统组成的分布式系统,若想协调一致进行:IT行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader选举”,通信行业的“同步组网”之类业务处理,毫秒级甚至微秒级的时间同步是重要基础之一。

    2.术语描述

    2.0 世界时

    世界时UT,可以简单理解为按照地球自转一周来计量24小时的时间标准,由于地球自转速率的变化,世界时的秒长会有微小的变化,每天的快慢可以达到千分之几秒。

    2.1 TAI时间

    世界时不准,因此国际组织定义了TAI时间,即国际原子时( International Atomic Time),其起点是1958年的开始(世界时UT),以铯原子钟走秒连续计时的时间。

    2.2 UTC时间

    计算机网络普遍使用的UTC时间(协调世界时),由国际计量局BIPM综合全世界多个守时实验室的钟组计算得到,为了使UTC时间与地球自转1天的时间(世界时UT)协调一致,每隔1到2年, BIPM会通告在UTC时间6月30日或12月31日最后一分钟“加一秒”或“减一秒”等闰秒调整。也就是说,UTC时间会出现60秒或少了59秒的情况。

    最近一次闰秒是UTC时间2015年6月底:

    2015 年6月30日,23时 59分 59秒
    2015 年6月30日,23时 59分 60秒 
    2015 年7月 1日, 0时 0分 0秒

    由于存在闰秒,UTC时间与TAI时间是有差别的,UTC = TAI - n,这个n现在(2016年1月)是36秒,也就是说UTC时间比TAI时间慢了36秒。

    2.3 北京时间

    北京时间也就是东八区时间,在UTC时间基础上加8小时,中国的北京标准时间由位于陕西的国家授时中心发播。

    2.4 GPS时间

    由GPS系统通过卫星信号发播的原子时间,GPS时间用自1980年1月6日零点(UTC时间)起的星期数和该星期内内的秒数来表示。

    工程上,GPS接收机会根据闰秒数将GPS时间换算为我们通常使用的UTC时间。GPS时间的源头是美国海军天文台的守时原子钟组。

    2.5 北斗(BDS)时间

    由北斗卫星导航系统通过卫星信号发播的原子时间,同样,北斗接收机会根据闰秒数将北斗时间换算为我们通常使用的UTC时间。

    北斗时间的时钟源是位于北京的解放军时频中心的守时原子钟组,陕西的国家授时中心好尴尬:(。

    2.6 频率

    时间的导数就是频率,机械发条、石英晶体振荡器、原子钟等各种时钟源通过产生频率信号,按照频率均匀打拍计数,模拟时间的等间隔流逝,就有了可见的“时间”。

    2.7 频率准确度

    手表有准和不准的,反映的就是频率准不准,时钟频率和标准频率的偏差可以用频率准确度来衡量。1E-9量级表示1秒会差1ns,我们使用的个人电脑,它的守时时钟是个32. 768kHz的石英晶振,准确度大概只有2E-5量级(20ppm),也就是说1秒会差0.02ms,1天会跑偏大概2秒。

    2.8 时间同步

    广义的“时间同步”包括的时间和频率的同步。上级时钟将时间频率信号通过各种有线(以太网、SDH数字网、同轴电缆、电话等)、无线(卫星、长波、电台、微波、WIFI、Zigbee等)链路传递给下级时钟,下级时钟接受时间频率信息后,与上级时钟保持相位、频率的一致。

    3.时间同步原理

    3.1 单向授时

    上级时钟主动发播时间信息,下级用户端被动接受时间信息,并调整本地时钟使时差控制在一定范围内。

    要想提高授时精度,用户端必须计算出时间信息在传播链路中的延时,GPS/北斗等卫星授时,可以通过用户端定位与卫星之间距离确定电磁传输延时,消除大部分误差,而电缆、网络等如果是单向授时方式就无法准确计算单向链路时延了。

    3.2 双向授时

    用户端将接受的时间信息原路返回给上级时钟服务端,服务端将往返时间除以二即得到单向链路时延,再把单向时延告诉客户端,在此基础上,客户端得到服务端更准确的时间信息。比如:北斗单向卫星授时精度100ns,双向卫星授时精度可做到20ns。

    3.3 网络时间同步

    网络时间同步,特指在计算机网络内的服务器与客户端之间利用网络报文交换实现的时间同步。

    鉴于计算机网络传输路径的不确定性和中间路由交换设备转发报文时间的不确定性,通过单播或多播实现的单向网络授时是不可靠的。因此,前辈们发明的网络时间同步技术NTP/PTP等,基本原理都是通过对网络报文打时间戳(标记),往返交换报文计算传输时延和同步误差。

    3.4 频率同步

    频率同步指的是主从时钟的频率误差保持在一定范围内,频率同步有2种类型:

    第1种是直接传递模拟频率信号,比如用电缆或光缆传递10MHz、5Mhz、2.048MHz等标准频率,或者传递bit位宽脉冲;

    第2种是通过测量得到的主从时钟时差,通过锁定主从相差实现频率锁定(PLL),或者间接计算频率偏差,完成频率修正。

    4.计算机网络时间同步

    计算机网络时间同步只是时间同步的一种应用场景,其时间传递的链路可能是SDH网、以太网、WIFI无线网络等。

    4.1 NTP

    NTP(Network Time Protocol)从1985年诞生来,目前仍在在大部分的计算机网络中起着同步系统时间的作用。

    • 基本原理

    服务器和客户端之间通过二次报文交换,确定主从时间误差,客户端校准本地计算机时间,完成时间同步,有条件的话进一步校准本地时钟频率。

    • 时间同步过程

    服务器在UDP的132端口提供授时服务,客户端发送附带T1时间戳(Timestamp)的查询报文给服务器,服务器在该报文上添加到达时刻T2和响应报文发送时刻T3,客户端记录响应报到达时刻T4。

    改个维基的图:

    NTP时间同步

    • 时差计算

    维基这个图中用蓝色标注了主从直接来回链路的时延Sigma
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
    因此,假设来回网络链路是对称的,即传输时延相等,那么可以计算客户端与服务器之间的时间误差Delta为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

    客户端调整自身的时间Delta,即可完成一次时间同步。

    • 计时方式

    NTP采用UTC时间计时,NTP时间戳包括自1900-01-01 00:00:00开始的UTC总秒数,当前秒的亚秒数。

    当正闰秒时,60秒和下一分钟的0秒的NTP总秒数一致的,因此NTP报文专门定义了闰秒指示域来提示。

    • 误差分析

    局域网内计算机利用NTP协议进行时间同步,时间同步精度在5ms左右,主要误差包括:

    1)计算机打时间戳的位置在应用层,受协议栈缓存、任务调度等影响,不能在网络报文到来时马上打戳;
    2)各种中间网络传输设备带来的传输时延不确定性以及链路的不对称性,将进一步降低NTP时间同步精度。

    4.2 PTP

    为克服NTP的各种缺点,PTP(Precision Time Protocol,精确时间同步协议)应运而生,最新协议是IEEE1588v2,可实现亚微秒量级的时间同步精度。

    • 基本原理

    主从节点在网络链路层打时间戳,利用支持IEEE1588协议的PHY片,精准记录时间同步网络报文接受或发送的时刻。交换机、路由器等网络中间节点准确记录时间同步报文在其中停留的时间,实现对链路时延的准确计算。

    • 时间同步过程

    PTP默认使用组播协议,二层或四层UDP组播都可以,一般我们使用基于UDP组播,使用319和320两个端口。

    PTP定义了三种角色:OC、BC和TC。我们一般接触的是OC:主时钟和从时钟,交换机、路由器一般是BC或TC。

    由于硬件性能有限,网络报文发送时记录的时刻信息,可以在随后的Follow_Up跟随报文中发出,这就是PTP的双步模式(Two-step)。

    下图是两OC主从时钟之间的同步过程:

    ptp时间同步

    • a.主时钟向从时钟发送Sync报文,并在本地记录发送时间t1;从时钟收到该报文后,记录接收时间t2。

    • b.时钟发送Sync报文之后,紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

    • c.从时钟向主时钟发送Delay_Req报文,用于发起反向传输延时的计算,并在本地记录发送时间t3;主时钟收到该报文后,记录接收时间t4。

    • d.主时钟收到Delay_Req报文之后,回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。

    • 时差计算

    与NTP一样的原理,从时钟根据拥有的t1~t4这四个时间戳,由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为:
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

    假设网络是对称的,从时钟相对于主时钟的时钟偏差为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

    • 计时方式

    与NTP不同,PTP采用TAI世界原子时间计时,而且PTP计时的起点与unix时间一致,即UTC时间1970年1月1日0点。

    PTP主钟会告知从钟,当前UTC相对于TAI的累计偏移量,从钟据此计算当前准确的UTC时间。

    • 误差分析

    PTP能准确记录报文发送和接受的时间,也能计算中间链路的延时,剩下影响最大的就是网络链路的不对称性了。

    在实际工程中,网络中间链路设备不支持PTP协议,大大降低了PTP的同步精度。目前,PTP主要应用在通信同步网、电力同步网等行业网络系统里。

    • 同步拓扑

    PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起,可通过BMC(Best Master Clock,最佳主时钟)协议动态选举出最优时钟,最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中。

    BMC算法与STP(Spaning Tree Protocl)生成树协议类似,最终形成无环路的树形网络拓扑,且都是动态选举,能适应最佳主时钟切换的变化。

    • 扩展应用——PTP over SDH

    充分利用各行业已有的SDH通信网络,利用PTP-E1信号转换设备,架设PTP同步网络,除了需要考虑链路倒换问题之外,SDH网络的时延稳定性可大幅提升网络时间同步精度。

    4.3 SyncE同步以太网

    以太网最早只能传输数据信号,有另外独立的频率同步网络,随着以太网的快速发展,SyncE(Synchronized Ethernet)同步以太网技术诞生后,企业们有了新的选择。

    • 基本原理

    时钟节点利用以太网(1000M、1G、10G等)物理层的空闲间隙,传递位宽时钟信号,实现时钟频率信号(25M、125M等)的自上而下传递。

    • 协议控制

    类似于SDH网络等时间间隔传递的SSM同步状态信息,同步以太网(Sync-E)利用链路层ESMC协议封装传递SSM信息,SSM信息包含时钟质量信息,接收端据此选择合适的上级网络时钟。

    • 应用

    一般商业PHY片提供SyncE功能选项,开启该功能模式,即可利用PHY恢复出来的频率信号,校准本地时钟频率或分频后用于本地计时。

    修改记录

    2016-5-25: 增加世界时,NTP和PTP计时方式

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  • NTP 服务介绍和配置时间同步

    千次阅读 2013-09-02 16:51:51
    本文介绍了时间服务器常用的二种协议:SNTP和TIME,并就局域网环境...网络时间服务Net Time Service与网络文件下载服务FTP、网络浏览服务WWW等一样,是种网络服务,提供网络时间服务的电脑叫网络时间服务器。当然有些

    本文介绍了时间服务器常用的二种协议:SNTP和TIME,并就局域网环境下Linux时间服务的设置进行了说明,最终实现整个局域网环境下所有电脑时钟的同步与校准。

    1、什么是网络时间服务

    网络时间服务Net Time Service与网络文件下载服务FTP、网络浏览服务WWW等一样,是一种网络服务,提供网络时间服务的电脑叫网络时间服务器。当然有些时间服务器是纯硬件结构的,通过GPS卫星信息来获取时间,其外观与一台交换机相似,不在文本介绍之列。本文主要介绍一台电脑如何通过网络获取上级时间服务器提供的标准时间,再服务于本单位的局域网,使一个单位的所有电脑都能与标准时间保持同步,时间误差一般小于0.5秒。

    TCP/IP协议中,用于同步时间的协议为NTP协议,它是由美国德拉瓦大学的David L. Mills教授于1985年提出,除了可以估算封包在网络上的往返延迟外,还可独立地估算计算机时钟偏差,从而实现在网络上的高精准度计算机校时,它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协议。时间服务器(timeserver)是利用NTP的一种服务器,通过它可以使网络中的电脑保持时间同步。

    NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议,它通常可获得毫秒级的精度。

    SNTP(Simple Network Time Protocol)是NTP的一个子集,目的是为了那些不需要NTP实现复杂性网络时间同步的主机。通常用于局域网上的若干台主机通过互联网与其他的 NTP主机同步时钟,接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。SNTP一般使用UDP的123端号,Linux系统和Windows系统都支持它,是现在架设网络时间服务器的主流协议。

    Time Protocol (RFC-868)协议是一种较简单的协议。此协议提供了一个独立于站点的,机器可读的日期和时间信息。时间服务返回的是从1900年1月1日午夜到现在的秒数。该协议通过TCP或UDP的37端口提供服务。Linux下的TIME服务提供该服务,Windows系统中较少使用。 

    现在网上的许多时间校准软件,有些支持SNTP协议、有些支持TIME协议,有些二者都支持,我们在选择时要特别注意。另外在Windows系统的对等网中,还有使用 “net time 机器名 /set /yes”命令使用netbios协议进行时间校准,由于这种方法不支持混合网络和跨网段网络,本文也不特别介绍。


    2、时间服务器有何用

    也许有人认为电脑的时钟有点误差影响不大,其实这是非常错误的。电脑系统中的文件保存、文件传输、电子邮箱中的时间戳都是以电脑时钟为准的。如果今后我们想进行文件查找、日志查询,如果系统时钟不准,或同一网络中的电脑时间不同步,将给后续工作带有许多麻烦。现在许多备份软件、编译软件、FTP工具都是以文件保存时间为依据进行比较的,如果时间不统一,将使这些软件难以正常工作。


    3、需要做服务器时间同步的各种情况:


    3.1、服务器可连接外网时时间同步:

    一般企业中,能连接外网的服务器不多,但是如果能连接到外网,我们那可以比较简单的实现时间同步:

    crontab -e    

    加入一行:    

    */1 * * * * ntpdate 210.72.145.44     

    210.72.145.44 为中国国家授时中心服务器地址,这样该机每隔1分重就可以与国家授时中心进行同步了。    

    注意: 在使用ntpdate 命令时, ntpd 服务必须是关闭的, 否则会报the NTP socket is in use, exiting 错误。

    关闭 ntpd 服务命令如下:

    [root@node2 init.d]# /etc/init.d/ntpd stop

    Shutting down ntpd:                                        [  OK  ]


    建议启动 NTP服务后,先用date命令手工校正一下时间,以后系统会自动与互联网上的主时间服务器保持同步。ntp服务还有一个好处,如果当前系统的时间与标准时间有所误差,它不是马上把时间校正,而是逐步缩小与标准时间的误差,以免系统内部出现时间突变。


    3.2、服务器不可以连接外网时时间同步

    以下分Linux为例介绍,而且只介绍sntp服务的架设,timeserver服务和netbios对时服务由于应用很少,不做介绍。

    3.2.1、安装ntp对应rpm

    检查是否已经安装有ntp软件包。输入“rpm -qa|grep ntp”,如果已经安装应该显示“ntp-4.1.2-0.rc1”。

    [root@rac1 ~]# rpm -qa|grep ntp
    ntp-4.2.2p1-9.el5_4.1

    安如果没有装ntp软件,从linux安装盘的Server文件夹中找rpm包,输入“rpm -ivh ntp-xxx.rpm”执行安装。

    或者通过yum直接安装,更方便。


    3.2.2、配置ntp.conf文件 搭建内网时间服务器
    配置ntp服务。备份原/etc/ntp.conf文件,vi /etc/ntp.conf:


    ①、第一种配置:允许任何IP的客户机都可以进行时间同步
    #restrict default kod nomodify notrap nopeer noquery

    restrict default modify notrap

    ②、第二种配置:只允许192.168.2.0网段的客户机进行时间同步
    在restrict default nomodify notrap noquery(表示默认拒绝所有IP的时间同步)之后增加一行:
    restrict 192.168.2.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap

    在最后添加如下内容
    server  127.127.1.0     # local clock
    server  192.168.0.100    #这是本机的ip地址,所有本机房内的服务器都可以ping通这个机器,来做时间同步。


    3.2.3、启动ntp服务:

    输入“service ntpd restart”。

    为了保证以后Linux机启动后ntp服务能自动启动,还要输入“chkconfig ntpd on”

    ntpd启动后,客户机要等几分钟再与其进行时间同步,否则会提示“no server suitable forsynchronization found”错误。


    3.2.4、客户机与时间服务器同步:

    其实在上面介绍Linux系统中的ntp服务时,已经提到ntp时间服务时同时也是一个时间服务的客户端,只要把/etc/ntp.conf文件中的 “server pool.ntp.org”改为“server 内部时间服务器IP地址”即可。如不想使用ntp服务,也可使用ntp软件包中带来的ntpdate命令,只要手工执行“ntpdate 时间服务器IP地址”即可。如想每天自动对时,可以把这条命令放在cron中,注意在同一台电脑上ntp服务与ntpdate命令不能同时使用。

    # ntpdate -u 192.168.0.100 

    直接执行此命令做同步,可以通过crontab 设置定时计划,每分钟同步一次:

    */1 * * * * ntpdate -u  192.168.0.100


    附:

    启动/关闭/重启NTP的命令:    

    # /etc/init.d/ntpd start    

    # /etc/init.d/ntpd stop    

    # /etc/init.d/ntpd restart    

    #service ntpd restart

    将同步好的时间写到CMOS里    

    vi /etc/sysconfig/ntpd    

    SYNC_HWCLOCK=yes    

      

    每次修改了配置文件后都需要重新启动服务来使配置生效。

    可以使用下面的命令来检查NTP服务是否启动,你应该可以得到一个进程ID号:    

    pgrep ntpd    

    使用下面的命令检查时间服务器同步的状态:    

    ntpq -p    

    用ntpstat 也可以查看一些同步状态,用netstat -ntlup查看端口使用情况!  

    安装完毕客户端需过5-10分钟才能从服务器端更新时间!   


    相关配置参数说明:
    #  restrict权限控制语法为:
    #  restrict IP mask netmask_IP parameter
    #  其中 IP 可以是软件地址,也可以是 default ,default 就类似 0.0.0.0 咯!
    #  至于 paramter 则有:
    #   ignore :关闭所有的 NTP 联机服务
    #   nomodify:表示 Client 端不能更改 Server 端的时间参数,不过,
    #        Client 端仍然可以透过 Server 端来进行网络校时。
    #   notrust :该 Client 除非通过认证,否则该 Client 来源将被视为不信任网域
    #   noquery :不提供 Client 端的时间查询
    #  如果 paramter 完全没有设定,那就表示该 IP (或网域) 『没有任何限制!』

    #  设定上层主机主要以 server这个参数来设定,语法为:
    #  server [IP|FQDN] [prefer]
    #  Server 后面接的就是我们上层 Time Server 啰!而如果 Server 参数
    #  后面加上 perfer 的话,那表示我们的 NTP 主机主要以该部主机来作为
    #  时间校正的对应。另外,为了解决更新时间封包的传送延迟动作,


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  • NTP和互联网时间同步

    千次阅读 2010-03-11 20:33:00
    1.引言 网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是用于互联网中时间同步的标准互联网协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。目前采用的时间标准是世界协调时UTC(Universal Time Coordinated)。...

    1.引言

      网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是用于互联网中时间同步的标准互联网协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。目前采用的时间标准是世界协调时UTC(Universal Time Coordinated)。NTP的主要开发者是美国特拉华大学的David L. Mills教授。

      NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。NTP提供的机制严格、实用、有效,适应于在各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。NTP以GPS时间代码传送的时间消息为参考标准,采用了Client/Server结构,具有相当高的灵活性,可以适应各种互联网环境。NTP不仅校正现行时间,而且持续跟踪时间的变化,能够自动进行调节,即使网络发生故障,也能维持时间的稳定。NTP产生的网络开销甚少,并具有保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步,并使NTP成为互联网上公认的时间同步工具。

      目前,在通常的环境下,NTP提供的时间精确度在WAN上为数十毫秒,在LAN上则为亚毫秒级或者更高。在专用的时间服务器上,则精确度更高。

    2.互联网环境中的时间同步要求

      在互联网上,一般的计算机和互联设备在时间稳定度方面的设计上没有明确的指标要求。这些设备的时钟振荡器工作在不受校对的自由振荡的状况。由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因,时钟的振荡频率和标准频率之间存在一些误差。按误差的来源、现象和结果可以按固有的或者外来的、短期的或者长期的、以及随机的或者固定的等进行分类。这些误差初看来似乎微不足道,而在长期积累后会产生相当大的影响。假设一台设备采用了精确度相当高的时钟,设其精确度为0.001%,那么它在一秒中产生的偏差只是10微秒,一天产生的时间偏差接近1秒,而运行一年后则误差将大于5分钟。必须指出,一般互联网设备的时钟精确度远低于这个指标。设备的时间校准往往取决于使用者的习惯,手段常为参照自选的标准进行手工设定。

      在互联网上进行时间同步具有重要意义。互联网起源于军事用途明显的ARPA网。在军事应用领域,时间从来就是一个非常重要的考虑因素。对于互联网的时间同步和NTP的研究,就是在美国国防部的资助下启动和进行的。随着互联网的发展和延伸到社会的各个方面,在其他的领域对时间同步也提出了多种要求,例如各种实时的网上交易、制造过程控制、通信网络的时间配置、网络安全性设计、分布性的网络计算和处理、交通航班航路管理以及数据库文件管理和呼叫记录等多种涉及时间戳的应用,都需要精确、可靠和公认的时间。

      在计算机网络的发展过程中产生了一些比较简单的与时间有关的应用和服务。它们通过时间标记的通信使网络设备的时间向统一的参考源看齐靠拢,在所覆盖的网络范围上得到一致同步,确保获得精确可靠的时间,这包括了TCP/IP中ICMP的时间标记、Digital公司的DTS服务等。这些应用为NTP提供了理论借鉴和应用经验。 3.NTP发展的追溯和现状

      NTP的发展可以分为三个时期。

    3.1.NTP v1之前的工作

      时间协议的首次实现记载在Internet Engineering Note [IEN-173] 之中,其精确度为数百毫秒。稍后出现了首个时间协议的规范,即 [RFC 778] ,它被命名为DCNET互联网时间服务,而它提供这种服务还是借助于Internet Control Message Protocol (ICMP),即互联网控制消息协议中的时间戳和时间戳应答消息。   作为NTP名称的首次出现是在 [RFC 958]之中,该版本也被称为NTP V0。其开宗明义是为ARPA网提供时间同步。它已完全脱离ICMP,而作为独立的协议在完成更高要求的时间同步。它对于如本地时钟的误差估算和精密度等基本运算、参考时钟的特性、网络上的分组数据包及其消息格式进行了描述。但是不对任何频率误差进行补偿,也没有规定滤波和同步的算法。

    3.2.NTP v1到NTP v3

      NTP v1出现于1988年6月, 在[RFC 1059]中 描述了首个完整的NTP的规范和相关算法。这个版本就已经采用了client/server模式以及对称操作。但是它不支持鉴权和NTP的控制消息。1989年9月推出了取代[RFC 958]和[RFC 1059]的NTP v2 [RFC 1119] 。

      几乎同时,DEC公司也推出了一个时间同步协议,数字时间同步服务,Digital Time Synchronization Service(DTSS)。

      在1992年3月,NTPv3 [RFC 1305]问世,该版本总结和综合了NTP先前版本和DTSS,正式引入了校正原则,并改进了时钟选择和时钟滤波的算法,而且还引入了时间消息发送的广播模式。这个版本取代了NTP的先前版本。

    3.3.NTP v3后的进展

      NTP V3发布后,一直在不断地进行改进,这些版本标注为xntp3-y,这里x表示试验,y表示第几次修改。 NTP实现的一个重要功能是对计算机操作系统的时钟调整。在NTP v3研究和推出的同时,有关在操作系统核心中改进时间保持功能的研究也在并行地进行。 1994年推出了[RFC 1589],名为 a kernel model for precision timekeeping,即精密时间保持的核心模式,这个实现可以把计算机操作系统的时间精确度保持在微秒数量级。几乎同时,又提出了NTP V4改进建议。对本地时钟调整算法,通信模式,新的时钟驱动器,适配规则等方面的改进描述了具体方向。

      1999年在 [RFC 2783] 中,描述了每秒脉冲的操作系统用户应用接口(Pulse-per-second API for Unix-like operating system, version 1)。在该实现中,计算机操作系统的时钟可以用精密的外部时间参考源的秒脉冲来加以校准和稳定。

      NTP v4的工作也在进行之中。它也将适用于IPV6;它将改进时钟模型,在各种同步源和网络通路的情况下更精确地预测和调节频率和时间;提出相应的新算法将降低网络抖动和振荡器漂移的冲突,并且将加速启始时的时间同步收敛速度;重新设计工作在锁频环、锁相环或者两者混合模式下的时钟校正算法;还将提供关于自动配置(例如,manycast mode)、可靠性、降低互联网话务量和加强网络安全性的鉴权(使用public-key密码)等方面的新特性。V4的正式版本还没有面世,但改进过程中的许多方法已经加入xNTP3.y之中。

      NTP发展的另一分支是SNTP-Simple Network Time Protocol ,即简单网络时间协议。 SNTP适用于时间精确度低于NTP的客户机,并强烈建议仅限于使用在时间同步网的终端位置。在1992年8月,[RFC 1361] 的SNTP问世,它的精确度为秒级。 [RFC 1361]的1995年3月,提出了[RFC 1769],它取代了[RFC 1361]其功能和被其取代的[RFC 1361] 相似,时间精确度为数百毫秒级。SNTP的最新规范是1996年的 [RFC 2030],并被冠以简单网络时间协议V4。SNTP的实现比较简单,特别对于Client侧的实现。一些商用的操作系统直接支持Client端的SNTP协议。

    4.时间同步子网络

      互联网中运用NTP进行时间同步和分配所涉及的设备和通路的集合称为时间同步子网络。时间同步子网络以分层主从结构模式运行,其结构示意图见于图1。在这种结构中,少许几个高层设备可以为大量的低层设备提供同步信息。

     

    图 1 时间同步网络结构图




      时间同步网络理论上根据其精确度和重要性一般分为从0-15的共16个级别或更多级,实际上不会大于6级。级别编码越低,精确度和重要性越高。时间的分配自级别编码小的层次向较大的层次进行,即由第0级向第15级分配渗透。第0级设备处于该子网络的特殊位置,是时间同步网络的基准时间参考源。它位于子网络的顶端,目前普遍采用全球卫星定位系统,即由GPS播发的UTC时间代码,本身并不具有NTP。子网络中的设备可以扮演多重角色。例如一个第二层的设备,对于第一层来说是客户机;对于第三层可能是服务器;对于同层的设备则可以是对等机。这里对等机的含义是相互用NTP进行同步的计算设备。

      NTP工作在时间同步子网络1级以下的其他各级设备中。图1中,在第1级和第2级上用机盒图式表示的设备是网络时间服务器,或者称为NTP时间服务器;用计算机主机和工作站图式表示的是一般互联网中的对应物,在时间同步子网络中它们均被视为时间服务器的时间客户机(下面简称服务器和客户机)。服务器可以是专用设备,也可以是备有专用时钟电路的通用计算机。出于对精确度和可靠性的考虑,下层设备同时引用若干个上层设备作为参考源;而且也可以引用同层设备作为参考源。NTP能够时间参考源中选择最好的几个时间源来推断现行时间。在同层设备配置为互为参考时,NTP会在两个对等机间进行自动选择,以精确度高者作为两者共同的参考源,而绝非两者互相引用。

      时间同步子网络和电信网络中的数字同步网一样,不允许出现时间环路。数字同步网中依据的是SSM信息;而NTP则利用协议的优势,自动识别高精确度的时钟源,确保时钟单方向地同步到高精确度的时钟,这样就绝对避免了时间环路的出现。

    5.NTP的通信模式

      NTP以客户机和服务器方式进行通信。每次通信共计两个包。客户机发送一个请求数据包,服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有时间戳。NTP根据这两个数据包代的时间戳确定时间误差,并通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的影响。

      在数据包的传送方式上,有客户机和服务器一对一的点对点方式,还有多个客户机对一个服务器的广播/多播方式。两者工作方法基本相同。处于两种方式下的客户机在初始时和服务器进行如同点对点的简短信息交换,据此对往返延时进行量化判断。此后广播/多播客户机只接收广播/多播消息的状态,并根据第一次信息交换的判断值修正时间。不同之处在于时间服务器在广播方式下周期性地向广播地址发送时间刷新信号;而在多播方式下周期性地向多播地址发送时间刷新信号。在广播/多播方式下一个服务器可以为大量的客户机提供时间,但精度较低。

      NTP要求的资源开销和通信带宽很小。NTP采用UDP协议,端口号设定为123。UDP占用很小的网络带宽,在众多客户机和少许服务器通信时有利于避免拥塞。NTP数据包的净长度在V3下为64个字节,V4下为72个字节;在IP层分别为76和84个字节。如果通信方式是广播模式,服务器以固定的间隔向客户机广播发送一个数据包;如果是服务器/客户机方式,则通信间隔将在指定的范围内变化(一般是64秒到1024秒),同步情况越好,间隔就越长。

    6.NTP的基本结构

      NTP V3和V4的结构基本相同,分别示于图6.a和图6.b。

     

     

    图6.b NTP V4结构框图




      参见图6.a和图6.b,NTP实际是一个反馈控制环路,在环路的工作简述如下:

      当NTP获得时间同步信息后,时间滤波器从时间样本中选取最佳的样本,和本地时间进行比较。选择和聚类算法的功能是对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析,在有效参考源选取若干名列前茅者。合成算法对名列前茅者的信号进行综合,获取比任何单一信号更为优秀的时间参考。环路滤波器和可变频率振荡器是一个自适应的混合锁相/锁频环路,它在时钟校正算法的控制下,调节本地时钟,提供本地时间。

      NTP V4的基本结构框图参见图6.b。NTP V4和V3相似颇多,不同之处主要为两点:V4中对等机的通信间隔由网络相位抖动和本地时钟振荡器的频率稳定度确定,而V3对本地时钟的稳定度不作考虑;V4对VFO的调节间隔为固定的值,如1秒,而V3则未作硬性规定。

      从NTP的基本结构框图中可以看出NTP和其他的互联网协议之间的一个重大的区别,这就是NTP不仅仅依靠软件完成,而且还要依靠通用计算机系统范畴之外的本地时钟电路实现,也就是框图中的VFO及其接口部分。NTP及其相关协议系列对这部分的要求作了描述,但具体的实现却全部是NTP之外的技巧。

    7.NTP的数据包格式

      NTP网络结构中,无论是服务器或是客户机之间通信的数据包均带有时间戳。时间戳用32位表示,前面16位是整数部分,后面16位是小数部分,计数精度可以达到200ps。NTP从时间戳中获得最基本的时间信息。

      NTP数据包消息直接遵循UDP的消息头格式,其分组数据包由若干个数据字组成,每个字长为32比特,详见图7.b。其中,未加底色的方框中内容为NTP v3和v4共同部分;浅灰底色部分为NTP v4专有部分;深灰底色部分为鉴权加密专用部分。在数据包传送时,可以采用DES-CBC或MD5进行数据加密。限于篇幅,这里不对NTP消息包中各个域的含义进行介绍。

     

    图7.b NTP数据包格式




    8.NTP的算法

      从图6.a和图6.b中可以看到,NTP涉及4个算法:时间滤波算法、时间选择算法、聚类算法和时钟调节算法。严格地说,这些算法并不是协议的固有部分,但是NTP的实现却有赖于这些算法。

    8.1.时间滤波算法

      该算法的功能是确认数据包的有效性和从某个给定的时间参考源的时间样本中选取最佳的样本。它可以分成健全性校验和滤波两个部分。

      健全性校验的内容有:数据包的唯一性,数据包内容的符合性,服务器工作是否正常,往返延迟和离差数值是否合理,如果协议配置了安全性要求,则还将进行鉴权。

      其后进行滤波。它备有一个时间参数寄存器数组,其深度N根据系统配置设置。时间参数的形式为 , 。当前的时间参数根据NTP消息交换时的发送启始时间、对端接收时间、对端回送时间和收到回送时间等四个时间戳信息计算得出,以(θ,δ,ε)形式表示。这里θ是样本时钟偏移,δ和ε是相关的往返延迟和离差。

      算法根据当前时间参数(θ,δ,ε),参照门限要求和时间参数寄存器数组中的历史信息,计算求得样本的滤波离差 、同步距离 并且更新时间参数寄存器数组。 和 表示了当前时间的偏移和最大误差,在后续的时钟选择算法中将作为参数用于时间同步参考源的选择。该算法在典型情况下可以把偏移的均方误差降低18 dB。

    8.2 时间选择算法

      NTP客户机可以有若干时间同步参考源。时间选择算法则用于在若干时间参考源中选取最佳的若干参考源。 NTP首先使用滤波算法的结果滤波离差 和同步距离 确定对于各个时间源的有效的时间域值,也称之为交越值。然后对所有的时间逐一进行校验,如落入交越值规定的范围内时,认为有效,否则将被予以剔除。

    8.3 聚类算法

      NTP内部有一张时间参考源的表格,记录可供访问的所有时间参考源。这些参考源中最为优秀的方能作为候选者进入参考源的优选目录。从可靠性和效率的折中考虑,通常在参考源中选取10个最佳的时钟进入优选目录。聚类算法根据前面滤波和选择两个算法的结果,对优选目录中的时间参考源重新选择。衡量标准说到底是精确度,具体表现则为NTP的级、离差、延时、偏移和偏移的一次导数等的加权组合。现行候选者如能通过聚类算法则留用,否则将被剔除出优选目录,并在其他参考源中选取一个最佳者加入优选目录。通过聚类算法,可以减少网络时间漂移产生的不良影响。

    8.4 时钟调节

      时钟调节是NTP实现至关重要的一个环节。时间精确度强烈依赖于时钟振荡器的稳定度和时钟调节的精密度。在NTP中,网络响应能力的变化产生的误差为抖动;振荡器频率稳定度产生的误差为漂移。目前使用自适应混合时钟调整算法。该调整算法校准计算机时钟的时间,补偿固有频率误差,根据测得的抖动和漂移动态地调节相关参数。算法使用了锁相环路PLL和锁频环路FLL两者的合成。PLL消除抖动非常有效,而只能间接地降低漂移,而FLL正好相反。因此,在抖动主导的环境,使用PLL效果明显;在漂移占主导地位的环境中,FLL效果明显。调整算法如图8.4的反馈控制系统进行实现。

      这里,θr表示周期性轮询产生的参考相位,θc是可变频率振荡器VFO产生的控制相位。鉴相器输出信号Vd表示θr和θc的瞬时相位差。时钟滤波器相当一个带抽头的延迟线,由算法决定抽头位置。时钟选择、群集和合成算法组合滤波器的数据以生成信号Vs。环路滤波器产生信号Vc,控制VFO的频率ωc和相位θc。该算法在不同的网络抖动和振荡器漂移情况下,自动控制管理消息更新间隔。更新间隔的上限从先前的不到0.5小时秒扩展到1.5天,大大减轻了网络开销,增加了可靠性。而且切换时间源时,它不会出现跳频现象。

     

    图8.4 时钟调节算法




    9.结语

      NTP和互联网的同步在国外已经得到广泛应用。据统计99年已有将近1万4千个专用时间服务器在工作,相应的对等服务器超过18万台。使用准确的和有依据的时间不仅仅是许多工作的需要,而且正在成为企业和个人地位和身份的象征。在国内NTP的应用日益广泛,例如在时间戳认证方面,随着网络应用的普及和深化,NTP的运用领域会获得更大的拓展。

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    千次阅读 2016-04-17 00:19:16
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    千次阅读 2018-06-22 14:06:05
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空空如也

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