NTP网络时间同步解决方案

 　一、概述 

　　在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合相关标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时(UTC)同步，最起码在一个局域或城域网络内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。在这里我们主要介绍互联网时间同步技术及产品，也就是通过支持NTP协议的网络时间服务器(博威信安K系列)实现网络时间同步。
时间的基本单位是秒，它是国际单位制(SI单位制)的七个基本单位之一。1967年的国际计量大会(CGDM)给出了新的秒定义：“秒是铯133(133Cs)原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间”，即“原子秒”(TAI)。现在常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。
目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟其频率复现性为5¡10－15，已接近国际先进水平。其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度。不同的应用对准确度的要求是不同的，表1列举了一些典型的应用对时间准确度的要求(应用界面时间相对于UTC时间的误差)。

表1：一些典型的应用对时间精度的应用

应用	时间精度要求
用于银行、证券、股票和期货交易的计算机和	服务器      1秒
电力线故障诊断	1微秒
交换机及计费系统	1秒
CDMA2000和TD-SCDMA	10毫秒
网管系统	500毫秒
7号信令监测系统	1毫秒

 

二、时间同步网络技术

目前有多种时间同步技术，每一种技术都各有特点，不同技术的时间同步精度也存在较大的差异，如表2所示：

表2：各种常用的时间同步技术

时间同步技术	准确度	覆盖范围
短波授时	1～10毫秒	全球
长波授时	1毫秒	区域
GPS	5～500纳秒	全球
北斗	10～100纳秒	中国
电话拨号授时	100毫秒	全球
互联网授时(NTP)	1～50毫秒	全球
SDH传输网授时	100纳秒	长途

 

       长短波授时时间同步技术

利用无线电信号授时已经具有80多年的历史，国际上长波授时主要使用罗兰-C系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于军事和导航，尚不民用。

       电话拨号时间同步技术

电话拨号授时(ACTS)使用的设备相对简单，只需电话线、模拟调制解调器、PC及客户端软件即可。目前这种计算机主要用于校准家庭个人计算机时间，同时不具备实时性。

       GPS时间同步技术

　　GPS时间同步技术是当前较成熟并在国际上广泛采用的时间同步技术。目前国际上除了美国的GPS还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。GLANASS系统由于经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统正在发展中。所以，目前GPS、北斗属于比较成熟可靠的系统。

        互联网时间同步技术

　　  使用互联网同步计算机的时间是十分方便的，目前这种方式在局域网内得到广泛的应用。微软公司已将网络时间协议(NTP)嵌入到Windows XP系统中，只要计算机能联网，就能进行局域网或广域网内的计算机时间校准。标准的NTP协议采用的是RFC 1350标准，简化的网络时间协议(SNTP)采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64bit的协调世界时(UTC)时间戳，时间分辨率时200ps，并可以提供1~50ms的时间精度(依赖网络负载)。但实验表明这种技术在洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。所以，在庞大的网络中应设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。

 

　　另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议(RFC868)和Daytime协议(RFC867)，可以提供1s校准精度的广域网时间同步。

 

将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息(年月日时分秒)基于UTC（协调世界时）时间偏差限定在足够小的范围内，这种同步过程叫做时间同步。随着信息的发展，各类信息系统也越来越多，目前各系统之间的时钟并不是完全精确统一。系统需要时钟的高度精确，且今后的各类系统之间数据交互会越来越多，相应的时钟要求也越来越精确。

Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正，且可由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源，时间按NTP服务器的等级传播。

博威信安公司HJ210系列NTP网络时间服务器可配置于IP网中，采用NTP协议（Network Time Protocol，网络时间协议）通过IP网络向网络中各计算机进行NTP授时，进行时间信号的传递。

系统组成：

 

NTP时间服务器系统组成实物图

 

NTP时间服务器网络组成示意图

Web及监控界面示意图

 

标准NTP客户端软件

 

服务器监视软件

三、选用博威信安的NTP网络时间服务器解决时间同步问题。

　　一直以来，博威信安公司致力于网络时间服务器的研发，可根据客户的要求单独定做，并取得了广大客户的认可。目前产品分几十个型号可满足不同行业的网络时间同步需求。同时，博威信安的K系列网络时间服务器已经在电力、铁路、卫星、军队、电信、安防、政府机关等行业有着广泛的应用。

　　博威信安的K系列NTP时间服务器是客户可自己设置时间源保存到服务器的恒温晶振里达到时间同步或GPS时间同步技术和互联网时间同步技术的结合。一号卫星发射基地就是采用19英寸1U机架式设计，内置GPS接收机，以GPS卫星时间为标准时间源，支持NTP协议(V2.0/V3.0/V4.0)和SNTP协议，同时可以支持能够为局域网内成百上千的计算机、路由器等提供时间校准最终来达到整个网络时间同步。下图为某银行利用网络时间服务器双机备份达到网络同步的应用方案：

 

　　在前面互联网时间同步技术中提到因为网络负载以及延时的原因导致洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。那么在庞大的网络中需要一级二级网络时间服务器来很好的解决校准精度和冗错的问题。图2为大型网络解决方案：

 　　 

在上面的方案中，从主干网络到各分支网络需要保持应用界面的时间同步。如果仅仅在主干网络中设立一台网络时间服务器那么分支网络中的客户端由于网络延时等原因不能保证所需精度，那么通过在地市级网络中也设立网络时间服务器就能解决这一问题，因为这种情况下各地的GPS接收机在接收到3颗以上卫星信号时大家的时间源都是当前的标准时间，所以时间源的一致性得到保证。同时，即便某地的GPS接收机发生故障这是本地的网络时间服务器可作为NTP的客户端向上主干网网络的一级时间服务器请求标准时间继续提供精准的时间源为本地网络的客户端提供校准服务。在极端情况下，当主干网网络中设立的一级时间服务器GPS也发生故障时，分支网的时间服务器具备高精准的自守时功能(守时精度1×10 －12即30年误差1s)仍然能提供精准的时间源。方案中的一级时间服务器采用博威信安K801型。

 系统配置：
全网配置一套时间同步系统，由两台GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）、交换机、网络和客户端组成。两台GPS时间服务器放置在机房交换机机柜中，以NTP 协议方式向全网的客户端授时。两台GPS时间服务器以冗余热备模式工作，提高了系统的可靠性。每台服务器配置多个物理隔离的NTP网口，分别同步多个子网。
冗余说明：
1. GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）的时间信号接收单元能接收GPS卫星发送的协调世界时（UTC）信号作为外部时间基准信号。正常情况下，GPS时间服务器的时间信号接收单元独立接收GPS卫星发送的时间基准信号。当某一GPS时间服务器的时间信号接收单元发生故障时，该GPS时间服务器能自动切换到另一台GPS时间服务器的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，实现时间基准信号互为备用。当GPS时间服务器的时间信号接收单元恢复正常后，该GPS时间服务器自动切换回正常工作状态，切换时间小于0.5秒，切换时GPS时间服务器输出的时间同步信号不会出错。
2.GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）可输出一路特殊的供GPS时间服务器间互联的IRIG-B（DC）码信号，该信号作为互联GPS时间服务器的“后备”外部时间基准，当GPS时间服务器的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当GPS时间服务器互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。
3. GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）具有内部守时功能。当接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时，切换到内部守时，使GPS时间服务器输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作，切换时间小于0.5S，切换时时钟输出的时间同步信号不会出错。
系统结构：
该系统结构由两台GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）、交换机、网络和客户端组成，每台服务器配置多个物理隔离的NTP网口，分别同步多个子网，其结构图如下（以一个局域网为例）。
　
两台GPS时间服务器互为热备，GPS时间服务器1作为“常用”时间服务器，GPS时间服务器2作为“备用”时间服务器。当“常用”时间服务器（GPS时间服务器1）的GPS信号接收单元发生故障时，自动切换至“备用”时间服务器（GPS时间服务器2）的GPS信号接收单元接收到的时间基准信号，从而保证系统的可靠性。当“常用”时间服务器（GPS时间服务器1）的GPS信号接收单元恢复正常后，该GPS时间服务器自动切换回正常工作状态。
当GPS时间服务器都接收不到两路外部时间基准信号时，切换到内部守时，保持一定的走时准确度；当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换回接收外部时间基准信号的工作状态。
　　两台GPS时间服务器（NTP网络时间服务器）的RJ45口分别接到局域网交换机上，各分配一个IP地址，如GPS时间服务器1的IP地址为IP1, GPS时间服务器2的IP地址为IP2,则两个IP地址就作为网内的标准时间服务器。客户端PC机可使用操作系统自带NTP服务，也可使用我公司提供的客户端软件。本软件可输入两台GPS时间服务器的IP地址， IP1地址作为主地址，IP2地址作为备用地址，当客户端因某些原因无法从主地址获取时间信息时，则自动从备用地址获取时间信息。

四、NTP网络时间服务器的详细参数：
1．时间源：GPS、北斗、CDMA、IRIG-B、恒温晶振OCXO、原子钟可选；

2．电源：220V/110V交、直流自适应,双电源冗余；

3．GPS接收频率：1575.42MHz,接收灵敏度：捕获<-160dBW，跟踪<-163dBW。捕获时间：装置冷启动时，<5min；装置热启动时，<1min。

4．北斗接收器：通道：6；接收灵敏度：-157.6dBW；冷启动首捕时间：≤2秒；失锁重捕时间：≤1 秒；1PPS精度：优于100nS。

5．平均无故障间隔时间(MTBF)≥150000小时；平均维修时间(MTTR)：一般不大于30分，使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。

6．授时精度：脉冲、B码：0.1μS，串口：10μS ，NTP/SNTP：1-10ms；

7．NTP/SNTP授时记录 保存最新300条；

8．网口支持协议：NTP/SNTP ，ARP，UDP/ Time，Telnet，ICMP，SNMP，MD5；

9．天线长度标配30m,可选50、60、80、100、120、200米。

10．外形尺寸：1U/2U、19”标准机箱,安装方便。

五、NTP网络时间服务器的特点：

1．模块化结构，NTP/SNTP端口数量可灵活配置，最多配置20路相互独立的10/100M网口。

2．双CPU同时工作，32位CPU双核处理器，性能极大提高。

3．精度高，同步快。

4．支持单星授时模式，适用于收星效果不佳的情况，有屋顶和贴窗天线可供选择。

5．自保持能力强，装置收不到卫星信号后，自保持能力优于0.42μS/min。

6．可同时为几十万台客户端、服务器、工作站提供时间服务。

7．支持WINDOWS9X/NT/2000/XP/2003、LINUX、UNIX、SUN SOLARIS、IBM AIX、HP-UX等操作系统及支持NTP协议的路由器、交换机、智能控制器等网络设备。

8．多种配置方法，易于管理和升级。

9．支持电源中断、GPS失歩干接点信号告警。

10．专用嵌入式系统，无硬盘和风扇设计，防震设计，系统稳定可靠。

11．高品质的工业级元件，高水准的电气设计，高密度集成的电路结构，使装置拥有优异的电气隔离和电磁屏蔽表现，整机无可调节器件，极大提高了装置抗干扰性能与可靠性保障。

12．GPS接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计， 信号接收可靠性高，不受地域条件和环境的限制。

13．装置具有自复位能力，在因干扰造成装置程序出错时，能自动恢复正常工作。

14．装置提供一路可编程的TTL脉冲信号供时钟的准确度指标测试。

15．装置可通过数码管在线显示当前收星个数，在线显示装置的同步状况。

16．装置采用全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，维护方便，同时为将来现场网络改造扩建时增加对时端口提供了方便。

17．有多种工作状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。