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　　1時間同步
　　
　　1.1概述
　　
　　在通信領(lǐng)域，時間同步是指各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)的時鐘使用同一時間參考基準(zhǔn)———協(xié)調(diào)世界時（UTC），通過某種方式使其時鐘的時刻和時間間隔與UTC
　　
　　同步。由于電信網(wǎng)自身無法提供UTC，需要建立時間同步網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)元設(shè)備或應(yīng)用系統(tǒng)通過這個網(wǎng)絡(luò)獲得UTC并與UTC進(jìn)行時間同步。
　　
　　對電信網(wǎng)上的各種時間設(shè)備進(jìn)行UTC時間同步，必須解決以下3個方面的問題：
　　
　　a）盡量選取高精度的時間源；
　　
　　b）將高精度的時間傳送到時間設(shè)備，盡量減小傳輸誤差；
　　
　　c）用時間來同步設(shè)備時間，充分利用設(shè)備各自的時間校準(zhǔn)機(jī)制自動實現(xiàn)時間同步，盡量排除人工因素。
　　
　　1.2時間同步技術(shù)
　　
　　目前在時間基準(zhǔn)和國家時間基準(zhǔn)層面使用的主要基準(zhǔn)時鐘是銫原子鐘，其原子秒的不確定度已經(jīng)提高到2×10-15，商用的小銫鐘的頻率復(fù)現(xiàn)性也已達(dá)到或優(yōu)于5×10-
　　
　　13的水平。但是，在應(yīng)用層面上并不需要這樣高的時間度。目前有多種時間同步技術(shù)，其時間同步度也有較大差異，如表1
　　
　　所示。用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)對時間精度的需求，采用不同的時間傳送技術(shù)來得到所需精度的時間。
　　
　　2NTP協(xié)議
　　
　　2.1概述
　　
　　NTP（NetworkTimeProtocol）是設(shè)計用來在IP網(wǎng)上使不同設(shè)備能維持相同時間的一種同步時間協(xié)議。目前廣泛應(yīng)用的是NTPv3標(biāo)準(zhǔn)（RFC-
　　
　　1305）。SNTP（SimpleNetworkTimeProtocol）是NTP的一個子集，僅用于同步子網(wǎng)的末端。
　　
　　2.2NTP時間服務(wù)器的工作模式
　　
　　NTP時間服務(wù)器有3種工作方式：
　　
　　a）客戶機(jī)/服務(wù)器模式：采用一對一連接，客戶機(jī)可以被服務(wù)器同步，服務(wù)器不能被客戶機(jī)同步。
　　
　　b）對稱模式：與客戶機(jī)/服務(wù)器模式基本相同，但雙方均可同步對方或被對方同步，先發(fā)出申請建立連接的一方工作在主動模式下，另一方則工作在被動模式下。
　　
　　c）廣播/多播模式：是一對多的連接，服務(wù)器周期性地主動發(fā)出時間信息，客戶機(jī)據(jù)此信息調(diào)整自己的時間，由于忽略網(wǎng)絡(luò)時延，精度較低，適用于高速局域網(wǎng)上。應(yīng)用時可根據(jù)需要選擇不同的工作模
　　
　　式，其中zui常用的工作方式是客戶機(jī)/服務(wù)器模式。
　　
　　2.3NTP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
　　
　　NTP協(xié)議以UTC作為時間標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需求可采用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。對于大型通信網(wǎng)絡(luò)，一般采用分層的類樹型結(jié)構(gòu)，時間按NTP服務(wù)器的等級傳播。距離UTC
　　
　　源近的時間服務(wù)器有較高的時間準(zhǔn)確度，將時間服務(wù)器的準(zhǔn)確度用一個稱為Stratum的數(shù)值來表示，根據(jù)每個時間服務(wù)器距離UTC
　　
　　時間源的遠(yuǎn)近將其歸入到不同層（Stratum）中。
　　
　　*層為一級時鐘源層，Stratum值為1。位于*層的時間服務(wù)器為主服務(wù)器，通過的外部時鐘源獲取時間信息，并使自身的時間與UTC
　　
　　同步，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
　　
　　第二層及以下層除層數(shù)不同、時間精度不一樣外沒有本質(zhì)上的區(qū)別。
　　
　　出于對度和可靠性的考慮，下層時間服務(wù)器同時引用若干個上層及同層時間服務(wù)器作為參考源。網(wǎng)絡(luò)中的時間服務(wù)器可以扮演多重角色。如第二層的時間服務(wù)器，對于*層來說是客戶機(jī)，對于第
　　
　　三層則是服務(wù)器，對于同層的時間服務(wù)器則可以是對等服務(wù)器。圖1
　　
　　示出的是一個三層時間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。
　　
　　中箭頭方向表示時間的傳播方向及提供時間同步服務(wù)的方向。箭頭的發(fā)出方為校時服務(wù)的提供方，箭頭的指向方為校時服務(wù)的請求方。Stratum等級相同時間服務(wù)器間的時鐘同步是雙向的，雙方可相互校
　　
　　時。層間的時鐘同步路徑稱為主用同步路徑，同層內(nèi)的時鐘同步路徑稱為備份同步路徑。在主用同步路徑不可用時，時間服務(wù)器利用備份同步路徑從本層的時間服務(wù)器校正時間，這時其準(zhǔn)確度Stratum值
　　
　　將增加1。通信網(wǎng)中的網(wǎng)元設(shè)備從其設(shè)定的時間服務(wù)器獲取時間。
　　
　　2.4NTP工作原理
　　
　　NTP協(xié)議可測定時間服務(wù)器時鐘和客戶機(jī)時鐘之間的時間偏移量。為了做到高度，客戶機(jī)必須測量服務(wù)器—客戶機(jī)傳播延時，以計算和服務(wù)器之間的時間偏移量。由于無法計算單行方向的延時，時間
　　
　　同步協(xié)議測量整個來回延時，并假定各個方向的傳播時間是恒定相同的。一般來說，這是一個很有用的近似值，但是在今天的Internet
　　
　　中，由于不同的服務(wù)提供商、網(wǎng)絡(luò)路徑，與其相關(guān)聯(lián)的延時可以*不同。NTP協(xié)議的工作原理如圖2所示。
　　
　　系統(tǒng)時鐘同步的工作過程如下：
　　
　　a）客戶機(jī)發(fā)送一個NTP消息給服務(wù)器，該消息帶有它離開客戶機(jī)時的時間戳T1；
　　
　　b）當(dāng)上述NTP消息到達(dá)服務(wù)器時，服務(wù)器加上自己的時間戳T2；
　　
　　c）服務(wù)器再發(fā)送這個NTP消息給客戶機(jī)，此時再附加上它離開服務(wù)器時的時間戳T3；
　　
　　d）當(dāng)此NTP消息到達(dá)客戶機(jī)時，客戶機(jī)記錄此時的時間戳T4。
　　
　　根據(jù)上述過程時間關(guān)系可得：
　　
　　T2=（T1+θ）+δ
　　
　　T4=（T3-θ）+δ
　　
　　可求解得到服務(wù)器和客戶端之間的時間偏差θ、兩者之間單程的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間δ：
　　
　　可以看到，θ、δ只與T2和T1的差值、T4和T3的差值相關(guān)，而與T3和T2
　　
　　的差值無關(guān)，即zui終的結(jié)果與服務(wù)器處理請求所需要的時間無關(guān)。據(jù)此，客戶機(jī)即可通過這4個時間戳計算出的時間偏差θ和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間δ去調(diào)整本地時鐘。
　　
　　2.5NTP的時間處理過程
　　
　　在NTP實現(xiàn)時，將使用復(fù)雜的算法和機(jī)制來確保時鐘同步的高性。在一個時間同步設(shè)備上。NTP的處理流程如圖3所示。
　　
　　NTP
　　
　　利用多個對等的時間服務(wù)器來獲得高度和可靠性。當(dāng)從多個對等服務(wù)器獲取時間同步信息后，每個獨立工作的過濾器從這些信息中選取*的樣本與本地時間進(jìn)行比較，通過選擇和聚類算法對往返
　　
　　延遲、偏移等參數(shù)進(jìn)行分析，選取若干個較為準(zhǔn)確的服務(wù)器。合成算法對這些服務(wù)器的信息進(jìn)行綜合，獲取更為準(zhǔn)確的時間參考。環(huán)路濾波器和可變頻率振蕩器在時鐘校正算法的控制下，調(diào)節(jié)本地時鐘
　　
　　的時間和頻率。
　　
　　2.5.1針對某一個時間服務(wù)器的數(shù)據(jù)過濾處理
　　
　　NTP采用一種收斂算法用于提高從一個時間服務(wù)器獲得的網(wǎng)絡(luò)延遲δ與時鐘偏差θ的準(zhǔn)確度，減少噪聲因素的影響。客戶機(jī)存有從這個時間服務(wù)器得到的的n
　　
　　個（δ，θ）值，從中選擇δ值zui小的（δ，θ）值，然后取定對應(yīng)的θ值作為本次處理的時鐘偏差值。同時，處理過程還根據(jù)上述n
　　
　　個（δ，θ）值序列計算出一個評價因子，以標(biāo)識該服務(wù)器時鐘的質(zhì)量。在Internet及各種局域網(wǎng)上的實驗一致表明，上述對zui近n
　　
　　個（δ，θ）值序列取δzui小值的過濾處理算法比采用中值算法及裁減中值算法能獲得更高的時間精度。
　　
　　2.5.2針對多個時間服務(wù)器的對等選擇與組合處理
　　
　　在NTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，講到NTP
　　
　　的時間服務(wù)器通過多條網(wǎng)絡(luò)路徑與多個上層或同層服務(wù)器相連，通過上述*個處理過程，將獲得針對多個時間服務(wù)器的多個處理結(jié)果。如果能夠選擇其中合適的服務(wù)器并對該服務(wù)器的信息進(jìn)行處理，
　　
　　將可以獲得更高的時間準(zhǔn)確度和更高的可靠性。NTP
　　
　　使用一種對等選擇與組合處理算法來解決這個問題，其基本思路[1]是：服務(wù)器的Stratum值越小、距離UTC
　　
　　時間源越近、同步偏差越小、此時間服務(wù)器也越可靠，因而與Stratum
　　
　　值小、同步距離小的服務(wù)器進(jìn)行同步的準(zhǔn)確度就越高。客戶機(jī)首先根據(jù)*個處理過程中得到的評價因子、服務(wù)器的Stratum值及服務(wù)器的同步距離等參數(shù)對這些時間服務(wù)器進(jìn)行排隊，然后根據(jù)一定的準(zhǔn)
　　
　　則將擾動zui大的時間服務(wù)器去除，zui后采用合成算法計算其他時間服務(wù)器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值。
　　
　　2.5.3本地時鐘校正
　　
　　為避免時鐘的抖動及振蕩，維持時鐘的單調(diào)性，NTP并沒有將前兩步處理得到的時鐘偏差直接用來調(diào)整本地時鐘，而是將NTP
　　
　　節(jié)點本地時鐘校正的處理看作一個鎖頻/相環(huán)，通過一個環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)換為一個對可變頻率振蕩器VFO
　　
　　的控制量來控制振蕩器的振蕩頻率，間接調(diào)整系統(tǒng)時鐘。此過程的詳細(xì)算法在參考文獻(xiàn)3中有詳細(xì)的描述。NTP建立的本地時鐘校正模型如圖4所示。
　　
　　3NTP時間服務(wù)器在時間同步網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
　　
　　NTP時間服務(wù)器在時間同步網(wǎng)中得到了越來越多的應(yīng)用。采用NTP
　　
　　協(xié)議來實現(xiàn)時間同步具有投資少的優(yōu)勢，其精度能滿足交換設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、計費、電子商務(wù)、網(wǎng)管等的需求。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)或自建NTP
　　
　　時間同步網(wǎng)來進(jìn)行時間同步。
　　
　　NTP時間服務(wù)器在電信時間網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用包括兩個方面的內(nèi)容：
　　
　　a）采用NTP構(gòu)建時間同步網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　b）各種網(wǎng)元、應(yīng)用系統(tǒng)使用NTP從NTP時間網(wǎng)絡(luò)獲取時鐘并進(jìn)行時鐘校正。
　　
　　3.1采用NTP時間服務(wù)器構(gòu)建時間同步網(wǎng)
　　
　　電信網(wǎng)絡(luò)中采用NTP
　　
　　協(xié)議構(gòu)建時間同步網(wǎng)時，一般采用前文中描述的類樹型結(jié)構(gòu)。一級時間服務(wù)器一般位于骨干網(wǎng)的全國中心，二級及以下時間服務(wù)器可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況向下部署至省級、地（市）中心等，網(wǎng)元設(shè)備等可以
　　
　　從距其zui近的時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步。
　　
　　圖5為一個二級時間同步組網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及下級的時間服務(wù)器利用NTP協(xié)議從上級的時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步及校正。
　　
　　一級時間服務(wù)器直接連接可靠的UTC時間源，如GPS衛(wèi)星接收系統(tǒng)、原子鐘等，獲得UTC時間的經(jīng)濟(jì)并zui常用的方法是從GPS獲得。GPS接收機(jī)從
　　
　　衛(wèi)星信號中獲取并輸出高精度的UTC標(biāo)準(zhǔn)時間信號，一級時間服務(wù)器據(jù)此進(jìn)行時間同步。考慮到可靠性，每個網(wǎng)絡(luò)可配置2
　　
　　個一級服務(wù)器分別作為主、備用服務(wù)器，并分布在不同的2個局點。
　　
　　二級時間服務(wù)器可以是的時間服務(wù)器，也可以是支持NTP協(xié)議的通信設(shè)備，如交換機(jī)的BAM、路由器等。它接收一級時間服務(wù)器的時間信息，通過NTP
　　
　　協(xié)議校準(zhǔn)時間，并可以作為時間服務(wù)器向下級時間服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供時間服務(wù)。在時間服務(wù)器上也可以安裝授時軟件來作為授時服務(wù)器，向各種不支持NTP協(xié)議的設(shè)備授時。
　　
　　上下級時間服務(wù)器之間、時間服務(wù)器與同步設(shè)備間應(yīng)采用可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，如傳輸、PSTN、DDN、DCN、IP
　　
　　網(wǎng)等各種通信網(wǎng)絡(luò)。通常上下級時間服務(wù)器之間設(shè)置為轉(zhuǎn)接次數(shù)較少的固定路由，傳輸距離也不宜太長。
　　
　　采用NTP協(xié)議構(gòu)建時間同步網(wǎng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，故便于維護(hù)及平滑擴(kuò)容。
　　
　　3.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間同步的機(jī)制
　　
　　電信網(wǎng)絡(luò)中支持NTP協(xié)議的各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備可以從所接入的時間同步網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間的同步和校正。由于這些設(shè)備一般位于時間同步網(wǎng)的邊緣，故可以采用簡化的SNTP
　　
　　來進(jìn)行時間同步。
　　
　　在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備每次啟動時，系統(tǒng)會先啟動一個NTP
　　
　　時間同步進(jìn)程，此進(jìn)程被用來立即同步本地設(shè)備和時間服務(wù)器的時間。這是同步本地時間和服務(wù)器時間的zui快方式。此進(jìn)程通常NTP
　　
　　服務(wù)器作為一個參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的時鐘被設(shè)置為和服務(wù)器的時間匹配。當(dāng)這個進(jìn)程使用多個NTP服務(wù)器作為參數(shù)時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備會使用Stratum值zui小的NTP
　　
　　服務(wù)器。如果級別相等，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備會使用加權(quán)平均數(shù)。
　　
　　在設(shè)備正常運行中，設(shè)備后臺系統(tǒng)中有一個持續(xù)運行的時間同步守護(hù)進(jìn)程，此進(jìn)程會定時校驗客戶機(jī)的時鐘和NTP
　　
　　服務(wù)器的時間。守護(hù)進(jìn)程通常是在系統(tǒng)啟動的時候啟動。因為客戶機(jī)的時鐘可能產(chǎn)生漂移，守護(hù)進(jìn)程會周期性地向時間服務(wù)器發(fā)送同步請求，在必要時修正客戶機(jī)的時間，并記錄每次處理的時間差，根
　　
　　據(jù)這個時間差來計劃下一次檢查的時間間隔。如果這個時間差比較大，下一次的時間檢查間隔會比較小；如果時間差很小，下一次的檢查間隔會比較大，這樣可以在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備時間準(zhǔn)確性的同時
　　
　　，減輕時間服務(wù)器的負(fù)載及網(wǎng)絡(luò)流量。
　　
　　3.3使用NTP時間服務(wù)器應(yīng)注意的問題
　　
　　基于目前NTP協(xié)議的功能及應(yīng)用情況，在使用NTP協(xié)議建設(shè)時間同步網(wǎng)絡(luò)時，為了保證時間同步網(wǎng)絡(luò)的正常運行，應(yīng)注意下列問題：
　　
　　a）在設(shè)計大型的時間同步網(wǎng)時，應(yīng)避免采用單星型或樹型結(jié)構(gòu)，防止某一時間服務(wù)器出現(xiàn)故障時影響下級時間服務(wù)器的使用。建議采用前文中介紹的類樹型結(jié)構(gòu)，同時引用若干個上層時間服務(wù)器及同層
　　
　　時間服務(wù)器作為參考源。這樣不但提高了系統(tǒng)的可靠性，也能夠提高系統(tǒng)的時間精度。
　　
　　b）由于NTPv3中尚未支持NTP
　　
　　節(jié)點間的鑒權(quán)等安全措施，在建設(shè)時間同步網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)采取相應(yīng)的措施避免時間服務(wù)器受到攻擊。如對于非面向公眾的生產(chǎn)型時間同步網(wǎng)絡(luò)，時間服務(wù)管理員應(yīng)嚴(yán)格配置NTP
　　
　　服務(wù)器的訪問允許范圍，拒絕服務(wù)范圍以外的其他請求。
　　
　　c）網(wǎng)絡(luò)用戶在進(jìn)行參數(shù)配置時，應(yīng)避免惟一的NTP服務(wù)器，而是應(yīng)提供一個服務(wù)器列表，防止當(dāng)惟一的服務(wù)器發(fā)生故障時影響服務(wù)。
　　
　　d）終端設(shè)備的時間同步周期不宜設(shè)置得過小，以避免引起大的時間服務(wù)器負(fù)載壓力和網(wǎng)絡(luò)流量。
　　
　　e）網(wǎng)絡(luò)用戶在進(jìn)行參數(shù)配置時，應(yīng)避免直接NTP時間服務(wù)器的IP地址，而是設(shè)置NTP時間服務(wù)器的域名，這樣可利用DNS
　　
　　服務(wù)器通過域名解析將訪問負(fù)載分散到其他時間服務(wù)器。
　　
　　4NTP協(xié)議的發(fā)展
　　
　　隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用對時間同步提出了更高的要求。NTP的應(yīng)用也越來越廣泛，在Internet上工作的時間服務(wù)器已超過10萬臺。目前，NTP
　　
　　v4
　　
　　正在研究中，它改進(jìn)了時鐘模型，可望在各種同步源和網(wǎng)絡(luò)的情況下更地預(yù)測和調(diào)節(jié)頻率和時間；它提出了相應(yīng)的新算法以降低網(wǎng)絡(luò)抖動和振蕩器漂移的沖突；它將重新設(shè)計工作在頻率鎖相環(huán)、相
　　
　　位鎖相環(huán)或者兩者混和模式下的時鐘校正算法；還將提供關(guān)于自動配置、可靠性、降低Internet
　　
　　流量和加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性的鑒權(quán)等方面的新特性。NTP的新版本將為各種時間應(yīng)用提供更高精度的時間同步服務(wù)。