【干货】NTP时间同步服务器技术详解
【干货】NTP时间同步服务器技术详解
A.1 时间同步原理
时间同步的原理就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。在将时刻校对到 秒后，时间同步的调控原理与频率同步对时钟的调控原理相似，它既调控时钟的频率又调控 时钟的相位，同时将时钟的相位以数值表示，即时间的时刻。与频率同步不同的是，时间同 步接受非连续的时间信息，非连续调控设备时钟，即设备时钟锁相环的调节控制是周期性的， 其周期对应于获取时间的周期，且与调节方式、时钟的准确度和稳定度有关。
A.2 时间定义
在规划和设计时间同步网时，在时间概念方面经常提到以下术语：平均太阳日、世界时、 国际原子时、协调世界时、闰秒等，下面对这些术语分别进行解释和定义。
a) 平均太阳日
人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间的，但因为地球绕太阳公转运动的轨道 是椭圆，所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的（即真太阳时是不均匀的）。为了得到以 真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引进了平均太阳日的概 念。平太阳时的基本单位是平太阳日，1 平均太阳日等于 24 平均太阳小时，1 平均太阳小时 等于 86400 平均太阳秒。
b) 世界时（UT0/UT1/UT2）
以平子夜作为 0 时开始的格林威治（英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是 世界上地理经度的起始点）平太阳时，就称为世界时。世界时与恒星时有严格的转换关系， 人们是通过在世界各地利用天文望远镜观测恒星后平均得到世界时的，其精度只能达到 10-9。由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，也是不均匀的，我们将其 记为 UT0；人们对 UT0 加上极移改正，得到的结果记为 UT1；再加上地球自转速率季节性 变化的经验改正就得到 UT2。
c) 国际原子时（TAI）
原子时间计量标准在 1967 年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定为：位于海平 面上的铯 Cs133 原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡 9192631770 个周期所持续 的时间为一个原子时秒，我们称之为国际原子时（TAI），其稳定度可以达到 10-14 以上。另 外规定原子时起点在 1958 年 1 月 1 日 0 时（UT），即在这一瞬间，原子时和世界时重合。
d) 协调世界时（UTC）
相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间 隔非常重要。但世界时时刻反映了地球在空间的位置，并对应于春夏秋冬、白天黑夜的周期，
是我们熟悉且在日常生活中必不可少的时间。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC） 系统。UTC 在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时 刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。
e) 闰秒
UTC 在秒长上使用原子时秒，但是在时刻上，需要通过人工干预，使其尽量靠近世界 时。这就需要对 UTC 进行“闰秒操作”，即每当 UTC 与世界时 UT1 时刻之差超过接近或超 过 0.9 秒时，在当年的 6 月底或 12 月底的 UTC 时刻上增加一秒或减少一秒。
A.3 时间同步网描述
时间同步网由时间同步设备节点和时间同步链路共同组成。时间同步大致可以分为以下 三个过程：
a) 高精度 UTC 时间信息的获得 目前主要通过卫星接收系统实现。
b) 时间传送
将时间信息从高级时间同步设备传送到低级时间同步设备以及从时间同步设备传送到 需要时间同步的通信设备。根据设备需要的时间精度不同，可以采用不同的传输手段。
c) 时间分配 也就是设备通过适当的手段获取时间同步的方法。
附 录 B 时间接口介绍 （资料性附录）
目前国际上比较通用的时间接口包括 1PPS+ToD、DCLS、IRIG-B、NTP、PTP、串行口 ASCII 字符串等几种方法，下面将就这几种方法作简单介绍。
B.1 1PPS＋ToD
秒脉冲信号，不包含时刻信息，但其上升沿标记了准确的每秒的开始，通常用于本地测 试，也可用于局内时间分配，精度达到 100ns 量级。ToD 接口通常采用 RS232/RS422 串行 通讯口，将时间信息进行编码。但由于 ToD 接口没有统一的标准，不同厂家设备间无法实 现互通，故该方法应用范围较小。
B.2 DCLS
DCLS 是 IRIG-B 码的另一种传输码形，用直流电位来携带码元信息，等效于 IRIG-B 调 制码的包络。IRIG-DCLS 技术通过租用专线传输。IRIG-B 普通方式与 IRIG-DCLS 方式的比 较如图 2 所示。
图 2 IRIG B 与 DCLS 对照图
B.3 IRIG-B
IRIG 编码源于为磁带记录时间信息，带有明显的模拟技术色彩。由于从 50 年代起就作 为时间传递标准而获得广泛应用。
IRIG-B 采用 1KHz 的正弦波作为载频进行幅度调制，对最近的 1 秒进行编码。IRIG-B 的帧内包括的内容有：天、时、分、秒及控制信息等。其占用最大通道带宽为 3KHz。所以 可以用普通的双绞线在楼内传输，也可在模拟电话网上进行远距离传输。到了九十年代，为 了适应世纪交替对年份表示的需要，IEEE 1344-1995 规定了 IRIG-B 时间码的新格式，要求 编码中还包括年份，其它方面没变。
B.4 NTP
在计算机网络中用于时间同步的协议主要的有三种：时间协议(Time Protocol)、日时协议(Daytime Protocol)和网络时间协议 NTP(Network Time Protocol)。另外还有一个简单网络时 间协议 SNTP(Simple Network Time Protocol)。SNTP 是 NTP 协议的简化版本，所实现的功能 较简单。
在上述几种网络时间协议中，NTP 协议（RFC 1305）最为复杂，所能实现的时间准确 度最高。也是目前应用最为广泛的时间协议。
B.5 PTP（IEEE 1588）
NTP 协议（即网络时间协议）是由软件来实现的，而 PTP 协议既使用软件又结合硬件， 两者互相配合从而达到更精确的时间同步。
与 NTP 协议类似，从钟表向主钟表发送携带时间戳的报文，主钟表接收并且回应，同 时将接收到的本地时间和发送时刻的本地时间记录到回应报文中；从钟表根据四个时间戳， 计算出本地与对端的来双向总延迟；假设来回延迟是相等的，从钟表就能计算出本地时刻与 远端时刻的差，从而调整本地时刻，直到与对端时刻同步。
B.6 串行口ASCII字符串
通过 RS232/RS422 串行通讯口，将时间信息以 ASCII 码字符串方式进行编码，波特率 一般为 9600bps，精度不高，通常还需同时利用 1PPS 信号。
当前应用最广泛的时间同步技术主要是 DCLS 和 NTP。其中利用 DCLS 技术获得的时间精度较高，但该方法无法实时监测传输时延的变化，只适用于传输链路相对不变的场合； 利用 NTP 获得的时间精度较低，但该方法可以实时监测传输时延的变化，还可以充分利用 现有的网络资源，组网简单，易于维护。
附 录 C 时间同步设备的应用考虑 （资料性附录）
在时间同步设备的应用中，应根据时间服务的不同需求和时间同步网的建设成本，采用 适宜的时间同步网技术。在目前阶段，宜采用多种手段组建时间同步网，例如采用DCLS、NTP 等技术来提供普通精度的时间服务，采用PTP技术来提供高精度的时间服务。在相当长的时 期内，将可能是多种手段并存的应用局面。随着技术的发展，将来可能会出现由单一技术（例 如PTP技术）组建的统一的时间频率同步网来满足各种时间同步和频率同步的需求。
C.1 提供普通精度时间服务
通信运营市场的竞争日趋激烈，服务质量是赢得竞争的最主要因素之一。为了解决计费 纠纷，提高网络运行效率，各大电信运营商已陆续开始时间同步网的建设、业务设备时间同 步接入的改造等多种手段和方式。通过几年的努力，已初步解决了部分计费系统以及网管系 统等比较急迫的普通精度的时间同步问题。按照目前时间同步设备的技术，是比较容易提供 的普通精度的时间同步服务的，但在具体的推广和应用中，发现存在一些问题：
（1） 由于时间同步的概念提出的相对较晚，只有少数设备厂家的少数新设备具有时间输 入接口，绝大多数通信设备均没有时间输入接口，因此通常改造设备硬件以增加时 间输入接口的方法，或者采用改造设备软件以增加网管系统调控网元时间功能的方 法。有的运营商对局部地区内的某些设备实施了硬件改造方案，但面对网上不同厂 家的众多网元设备，这种硬件改造方案的工作量、代价和风险都是非常巨大的，无 法大面积、大范围地推广和使用。有的运营商通过对网管系统进行必要的软件升级， 实现对网元设备时间的自动调校，并在网管系统的操作系统中开发专门的时间同步 程序，通过DCN网连至某个时间同步设备，从而获得时间同步。这种软件改造方案的 工作量、代价和风险都相对较小，但必须依托网管系统以及DCN网的网络拓扑，以及 时间同步设备的部署和归属管理等，存在一些非技术性问题。
（2） 对于基于IP网络以及大量的基于计算机的设备及应用系统，确实有大量的普通精度 的时间同步需求，通常在工程建设过程中已考虑了专用的NTP服务器，但该NTP服务 器通常不纳入运营商已建的时间同步网。
因此，时间同步设备在普通精度时间服务的应用和推广中，还有很大的需求空间，需要 时间同步网从自身组网、覆盖及管理上，要全面考虑各种业务网络的时间同步需求，制定各 种业务网络接入时间同步的方案，将业务网络的时间同步纳入到时间同步网中。
C.2 提供高精度时间服务
目前在通信领域中，对于高精度时间同步需求主要来自CDMA基站和TD-SCDMA基站，现有 的解决方法就是配置GPS，即在每个基站设备上都配置GPS。使用GPS最大问题的就是安全问 题，美国政府从未对GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证，而且美国政府还具 有对特定地区GPS信号进行严重降质处理的能力，这是大量使用GPS后面临的最严峻的安全隐 患。另一方面，由于GPS接收机本身的抗干扰技术、安装的地理环境、电磁干扰及人为操作 等因素的影响，GPS接收机也存在着降质的可能性，而且目前没有太多手段可对GPS降质进行 监视，这也是影响网络质量的潜在问题。此外，在CDMA/TD-SCDMA基站中也大量采用了GPS 接收机，在工程及运行维护中存在安装条件相对较严、故障率偏高等一些问题。因此，必须 考虑除GPS以外的后备技术手段。针对GPS的安全性问题及应用中的问题，目前考虑有两种技
术手段来保障CDMA网络和TD-SCDMA网络的安全可靠性：采用北斗射频模拟或北斗外置接收 机，或者通过地面高精度传输技术。
时间同步设备（包括独立型和依附于其他通信设备的功能模块）虽然可以提供高精度时 间输出接口，但仍旧需要面临地面链路高精度时间传送的技术难题。包括高精度时间和频率 信号的时延、损伤、监测等复杂的技术问题等。到目前为止，还没有一个国家能实现依靠地 面链路来传送高精度时间同步,在市场上还未见到任何成熟商用的相关产品。因此，对时间 同步设备提供高精度时间服务仍需进行研究