監測臺時間同步網的技術探討

國家廣電總局哈爾濱監測臺 王 巍 郭若偉 姚立業

1.引言

隨著廣播電視監測技術的發展和廣播電視監測網規模的逐步擴大，廣播電視監測手段已由過去的全部人工操作過渡到計算機輔助監測。這就對監測臺及時準確的上報監測數據提出了更高的要求；要想一分不誤，一秒不差的反映監測中的異態情況，就必須要保證監測網絡中計算機時間的精準度。但由于設計缺陷、溫度變化、電磁干擾、振蕩器老化，甚至還包括計算機負載等多種原因，多數計算機的時鐘是不精確的，同時時間誤差是累積的。利用人工定期或不定期地對計算機時間進行修正會引入很大的人為誤差，操作也非常不方便。切實可行的方法是：利用時間同步的方法利用計算機的時間校準機制自動實現時間同步。

2.時間標準及時間同步

2.1 時間標準

時間的基本單位是秒，它是國際單位制（SI單位制）的七個基本單位之一。它主要有如下幾種時間標準：

（1）世界時：世界時是世界上最早的時間標準。1884年國際上將一秒定義為全年每日長度的1/（8.64*104）以此標準的時間系統稱為世界時即UT1，1972年以后國際上開始使用國際原子時標，即經過格林威治天文臺本初子午線的時間便稱為世界時即UT2，或稱格林威治時間（GMT）[1]。

（2）原子時：1967年后，將銫133的能量躍遷9192631770周的時間定義為輻射原子秒，稱國際原子時（TAI）。

（3）世界協調時：世界協調時是以地球自轉為標準，但是地球并不是以固定速度自轉的，因而地球自轉18個月有1秒的誤差。為了應對這種偏差。世界地球運行研究所考慮到地球自轉的自身情況，對GMT進行或增或減的修正。并和世界度量衡局時間所共同向各國提供發布標準時間。這就是世界協調時（UTC：Coordinatde Universal Time）。UTC的表示方式為：年(y)、月(m）、日(d)、時(h)、分(min)、秒(s)，都用自然數字表示。

目前，世界協調時（UTC）是世界上大部分國家采用的標準時間。

2.2 時間同步的概念

在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，即網絡各個節點的時鐘頻率和相位同步。時間同步是指網絡各個節點時鐘以及利用網絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協調世界時（UTC）同步。

3.時間同步相關技術

3.1 時間基準源的獲取方法

時間基準源是時間同步網的核心，它需要一個高穩定度、高精確度、冗余配置的時間保障體系。UTC時間可以利用很多途徑獲取，包括長波、短波授時，衛星授時，電話授時和互聯網授時等。

（1）從Internet上獲取時間

采用某種協議連接到Internet上一個或多個能夠提供準確時間的服務器上來進行時間同步。利用連接在Internet上的計算機同Internet上的時間服務器通信，以獲得準確的時間。Internet上還有許多提供標準時間的網站和用于校準本地計算機時間的共享軟件，它們一般都采用NTP協議和標準時間服務器連接，獲取標準時間，然后對本地電腦時間進行調整，以此保證時間的一致[2]。

（2）利用無線電波獲取時間

在我國，我們可以接收國家授時中心的各地授時電臺每天24h連續不斷地以四個頻率（2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz）交替發射標準時間信號和標頻，短波授時精度達到毫秒級；長波授時臺每天按時發射標頻信號，頻率100kHz，精度達到為秒級；收到的無線電波信號由授時型接收機恢復為時間信號并與本地時鐘進行比對，扣除它在傳播路徑上的延時及各種誤差因素的影響，實現時鐘的同步。

（3）利用衛星定位系統獲取時間

利用GPS或格洛納斯衛星進行授時是近些年來發展起來的代價低、精度高的授時方法。美國GPS定位系統由24顆衛星組成，平均布置在6個軌道面之上。每一個衛星上都安裝有高精度的原子鐘，并不停向地面發射兩個頻率的信號。兩個信號中含有準確的標準時間，地面GPS接收機來自GPS衛星的信號后，從信號中提取出準確的時間信息。利用衛星定位系統獲取時間實際上是利用通信信號來進行時間的比對。目前，應用最為成熟、最具代表性的便是美國的GPS系統和俄羅斯的格洛納斯系統。

3.2 各種時間同步方法的特點的比較

（1）利用網絡進行時間比對是解決測試網時間同步問題最直接、最簡單的方法，精度達到ms級。執行NTP協議即可連接上Internet與世界上標準的時間服務器進行時間同步校準，也可以與局域網上的時間服務器進行校準。它不需要測試儀器具有時間接收模塊，減少了硬件上的開銷。但由于監測臺屬于保密機構，考慮到安全性和可靠性方面的問題，建議盡量避免使用這種方式。如果采用這種方式。應該充分考慮安全手段：如防火墻、加密方式傳輸等。

（2）利用無線電波進行時間比對是傳統的時間同步方法，它僅適合于我國范圍內的時間校準。由于不用網絡傳輸時間信號，可以免受網絡擁塞、延時等影響，精度較高，長波s級、短波ms級，它需要有無線接收模塊。此種方式獲取的時間源在網絡中傳遞較困難。

（3）GPS授時是GPS應用的一個重要方面，它使得方便、準確、廉價的授時成為可能，GPS的特點是全天候、覆蓋廣，穩定性高，提供的時間精度比較精準，傳輸方便。

綜合以上分析，建議監測臺機房時間同步網的時間基準源可以采用從GPS獲取標準時間，同時應考慮后備措施以保障在GPS不可用時，仍然可以提供足夠精確的時間。可考慮以高穩定原子鐘作為時間服務器內部基準時鐘，我國北京、湖北已建有銫原子鐘組。并同時提供多路參考輸入等作為后備措施。

3.3 時間同步傳輸協議

圖1 網絡授時的簡單模型

時間同步傳輸協議用來使計算機時間同步化，利用測定服務器時鐘和客戶機時鐘之間的時間偏移量(Time Offset)，并根據協議的算法對服務器、客戶機傳播延時進行相應的處理。它可以使計算機對其服務器或時鐘源(如石英鐘，GPS等)做同步化，還可以提供高精度的時間校正。現有用于校正網絡時間的協議有很多，它們是解決時間同步問題的基礎。目前，網絡時間同步的通用協議是網絡時間同步協議(Net—work time Protocol，NTP)，NTP是由美國University of Delaware的David L.Mills教授于上個世紀八十年代年提出，目的這個設計用來解決互聯網上的計算機時間校準問題。它提供的同步時間機制，可以利用冗余服務器和多條網絡路徑來獲得時間的高準確性和高可靠性，在龐大復雜的互連網中調整時間分配。網絡時間同步協議可以考慮到出數據包在Internet上的往返延遲，解決網絡計算機時間同步問題。此外，利用本地路由選擇運算法則及時間后臺軟件，服務器可以重新分配標準時間。NTP有3種工作模式：

（1）主/被動對稱模式：點對點的連接模式，每個點可以同步其它點或者被其它點同步。

（2）客戶端/服務器端模式：與點對點模式相像。不同點在于，客戶端能夠被服務器端同步，但逆向則不可以。

（3）廣播模式：一對多的廣播模式，服務器端不考慮客戶端何種狀態，固定模式發出廣播信息，客戶端則根據接受到信息調整客戶端的時間。由于是單向傳輸模式，所以只能S級的精確度。

NTP3種工作模式比較：主/被動對稱模式因采用點對點模式，在局域網中應用較少。廣播方式中，NTP時間服務器周期性向網元廣播時間信息，由于傳輸時延會帶來一定誤差，因此其時間精度只有10—100ms。客戶/服務器模式中時間服務器與需時間同步的網元以客戶/服務器模式交互，得到時間服務器時鐘和網元時鐘間的偏差，時間精度可達1-10ms，從而獲得廣泛應用。目前應用最為廣泛的是NTPv3版本。

4.監測臺機房時間同步組網方案及工作流程

4.1 時間同步組網方案

綜合以上分析，在時鐘同步網中的節點上，監測臺可新建一套帶GPS的主時間服務器。同時采用本地高穩晶振源作為主時間服務器GPS缺失時的本地振源。時間服務器獲得時間后，采用NTP協議，主要利用TCP/IP網絡傳遞到需要時間同步的各節點。

主時間服務器的時鐘來源于衛星導航系統。這是目前性價比最好的UTC時間基準源。可以采用在服務器中插入GPS卡、利用NTP服務器軟件來組成一級服務器；也可以直接購買自帶GPS接收機的網絡時間服務器。在主服務器下級設幾臺輔助時間服務器。利用客戶/服務器模式與主時間服務器保持時間同步；輔助時間服務器之間也可以利用主/被動對稱模式相互保持時間同步。輔助時間服務器使用與主時間服務器相同的NTP服務器軟件。客戶機利用客戶/服務器模式與輔助時間服務器保持時間同步。

圖1為局域網絡授時的簡單模型，其中工控機為客戶端，網絡時間服務器作為服務器端，利用網絡交換機和網絡時間服務器進行交換攜帶時間信息的數據包，進行時鐘的矯正。服務器端內置GPS接收模塊，以達到網絡時間服務器和UTC時間的準確同步。

監測臺機房網絡的規模不是很大。也可以采用一臺獨立的主時間服務器。直接向網絡中的各個應用系統授時。

4.2 工作流程

監測臺時間同步網大致工作流程如下：

(1)取得標準時間：時間同步網從時間同步網的時間服務器中取得基準時間(UTC)作為標準時間。

(2)發送時間查詢命令：時間同步網首先取得時間同步策略參數。例如門限值。重試頻率。利用計算機網絡與監測機房系統建立連接。根據不同的交換局點和機型發送不同的時間查詢命令。

(3)發出更改時間的命令：利用交換機的命令返回報告。時間同步網檢測所獲取的交換機時間與系統標準時間的差值。如差值在標準時差范圍內。系統不作任何動作。否則，將對交換機時間進行修改。

(4)發送更改時間的命令：時間同步網利用交換機操作端口向交換機發送時間同步命令以矯正交換機的系統時間。

(5)發送時間修改成功的命令：時間同步網將處理的結果進行通知。并將相關信息結果存入系統日志當中。

該處理流程的詳細圖解如圖2所示。

5.結束語

隨著監測臺網絡中各項技術應用的日益增加，時間同步網的精度對監測對象分析及處理有較大影響，本文利用對現有時間基準源獲取方法和各種時間同步協議的比較，結合監測臺網絡實際。闡述了適宜監測臺使用的時間同步網。以期望實現監測網絡內計算機時間的準確統一，希望為監測臺時間同步網的建設起到推進作用。

[1]程根蘭.數字同步網[M].北京:人民郵電出版社.

[2]黎文偉,張大方,謝高崗,楊金民.基于通用PC架構的高精度網絡時延測量方法[J].軟件學報.2006,2(17).