監(jiān)測臺時間同步網(wǎng)的技術(shù)探討

國家廣電總局哈爾濱監(jiān)測臺 王 巍 郭若偉 姚立業(yè)

1.引言

隨著廣播電視監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和廣播電視監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模的逐步擴大，廣播電視監(jiān)測手段已由過去的全部人工操作過渡到計算機輔助監(jiān)測。這就對監(jiān)測臺及時準確的上報監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了更高的要求；要想一分不誤，一秒不差的反映監(jiān)測中的異態(tài)情況，就必須要保證監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中計算機時間的精準度。但由于設(shè)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(shù)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(xiàn)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(tǒng)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(jīng)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(xié)調(diào)時：世界協(xié)調(diào)時是以地球自轉(zhuǎn)為標準，但是地球并不是以固定速度自轉(zhuǎn)的，因而地球自轉(zhuǎn)18個月有1秒的誤差。為了應(yīng)對這種偏差。世界地球運行研究所考慮到地球自轉(zhuǎn)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(fā)布標準時間。這就是世界協(xié)調(diào)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(shù)字表示。

目前，世界協(xié)調(diào)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(lǐng)域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的時鐘頻率和相位同步。時間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點時鐘以及利用網(wǎng)絡(luò)連接的各個應(yīng)用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)調(diào)世界時（UTC）同步。

3.時間同步相關(guān)技術(shù)

3.1 時間基準源的獲取方法

時間基準源是時間同步網(wǎng)的核心，它需要一個高穩(wěn)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(wèi)星授時，電話授時和互聯(lián)網(wǎng)授時等。

（1）從Internet上獲取時間

采用某種協(xié)議連接到Internet上一個或多個能夠提供準確時間的服務(wù)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(wù)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(wǎng)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(xié)議和標準時間服務(wù)器連接，獲取標準時間，然后對本地電腦時間進行調(diào)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(xù)不斷地以四個頻率（2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz）交替發(fā)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(fā)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(fù)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(xiàn)時鐘的同步。

（3）利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取時間

利用GPS或格洛納斯衛(wèi)星進行授時是近些年來發(fā)展起來的代價低、精度高的授時方法。美國GPS定位系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，平均布置在6個軌道面之上。每一個衛(wèi)星上都安裝有高精度的原子鐘，并不停向地面發(fā)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(wèi)星的信號后，從信號中提取出準確的時間信息。利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(yīng)用最為成熟、最具代表性的便是美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)。

3.2 各種時間同步方法的特點的比較

（1）利用網(wǎng)絡(luò)進行時間比對是解決測試網(wǎng)時間同步問題最直接、最簡單的方法，精度達到ms級。執(zhí)行NTP協(xié)議即可連接上Internet與世界上標準的時間服務(wù)器進行時間同步校準，也可以與局域網(wǎng)上的時間服務(wù)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(jiān)測臺屬于保密機構(gòu)，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(yīng)該充分考慮安全手段：如防火墻、加密方式傳輸?shù)取?/p>

（2）利用無線電波進行時間比對是傳統(tǒng)的時間同步方法，它僅適合于我國范圍內(nèi)的時間校準。由于不用網(wǎng)絡(luò)傳輸時間信號，可以免受網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中傳遞較困難。

（3）GPS授時是GPS應(yīng)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(wěn)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(jiān)測臺機房時間同步網(wǎng)的時間基準源可以采用從GPS獲取標準時間，同時應(yīng)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(wěn)定原子鐘作為時間服務(wù)器內(nèi)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(xié)議

圖1 網(wǎng)絡(luò)授時的簡單模型

時間同步傳輸協(xié)議用來使計算機時間同步化，利用測定服務(wù)器時鐘和客戶機時鐘之間的時間偏移量(Time Offset)，并根據(jù)協(xié)議的算法對服務(wù)器、客戶機傳播延時進行相應(yīng)的處理。它可以使計算機對其服務(wù)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(xiàn)有用于校正網(wǎng)絡(luò)時間的協(xié)議有很多，它們是解決時間同步問題的基礎(chǔ)。目前，網(wǎng)絡(luò)時間同步的通用協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)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(shè)計用來解決互聯(lián)網(wǎng)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(wù)器和多條網(wǎng)絡(luò)路徑來獲得時間的高準確性和高可靠性，在龐大復(fù)雜的互連網(wǎng)中調(diào)整時間分配。網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議可以考慮到出數(shù)據(jù)包在Internet上的往返延遲，解決網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)器端不考慮客戶端何種狀態(tài)，固定模式發(fā)出廣播信息，客戶端則根據(jù)接受到信息調(diào)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(wǎng)中應(yīng)用較少。廣播方式中，NTP時間服務(wù)器周期性向網(wǎng)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(wù)器模式中時間服務(wù)器與需時間同步的網(wǎng)元以客戶/服務(wù)器模式交互，得到時間服務(wù)器時鐘和網(wǎng)元時鐘間的偏差，時間精度可達1-10ms，從而獲得廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最為廣泛的是NTPv3版本。

4.監(jiān)測臺機房時間同步組網(wǎng)方案及工作流程

4.1 時間同步組網(wǎng)方案

綜合以上分析，在時鐘同步網(wǎng)中的節(jié)點上，監(jiān)測臺可新建一套帶GPS的主時間服務(wù)器。同時采用本地高穩(wěn)晶振源作為主時間服務(wù)器GPS缺失時的本地振源。時間服務(wù)器獲得時間后，采用NTP協(xié)議，主要利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳遞到需要時間同步的各節(jié)點。

主時間服務(wù)器的時鐘來源于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這是目前性價比最好的UTC時間基準源。可以采用在服務(wù)器中插入GPS卡、利用NTP服務(wù)器軟件來組成一級服務(wù)器；也可以直接購買自帶GPS接收機的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器。在主服務(wù)器下級設(shè)幾臺輔助時間服務(wù)器。利用客戶/服務(wù)器模式與主時間服務(wù)器保持時間同步；輔助時間服務(wù)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(wù)器使用與主時間服務(wù)器相同的NTP服務(wù)器軟件。客戶機利用客戶/服務(wù)器模式與輔助時間服務(wù)器保持時間同步。

圖1為局域網(wǎng)絡(luò)授時的簡單模型，其中工控機為客戶端，網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器作為服務(wù)器端，利用網(wǎng)絡(luò)交換機和網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器進行交換攜帶時間信息的數(shù)據(jù)包，進行時鐘的矯正。服務(wù)器端內(nèi)置GPS接收模塊，以達到網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器和UTC時間的準確同步。

監(jiān)測臺機房網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不是很大。也可以采用一臺獨立的主時間服務(wù)器。直接向網(wǎng)絡(luò)中的各個應(yīng)用系統(tǒng)授時。

4.2 工作流程

監(jiān)測臺時間同步網(wǎng)大致工作流程如下：

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

(2)發(fā)送時間查詢命令：時間同步網(wǎng)首先取得時間同步策略參數(shù)。例如門限值。重試頻率。利用計算機網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測機房系統(tǒng)建立連接。根據(jù)不同的交換局點和機型發(fā)送不同的時間查詢命令。

(3)發(fā)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(wǎng)檢測所獲取的交換機時間與系統(tǒng)標準時間的差值。如差值在標準時差范圍內(nèi)。系統(tǒng)不作任何動作。否則，將對交換機時間進行修改。

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

(5)發(fā)送時間修改成功的命令：時間同步網(wǎng)將處理的結(jié)果進行通知。并將相關(guān)信息結(jié)果存入系統(tǒng)日志當中。

該處理流程的詳細圖解如圖2所示。

5.結(jié)束語

隨著監(jiān)測臺網(wǎng)絡(luò)中各項技術(shù)應(yīng)用的日益增加，時間同步網(wǎng)的精度對監(jiān)測對象分析及處理有較大影響，本文利用對現(xiàn)有時間基準源獲取方法和各種時間同步協(xié)議的比較，結(jié)合監(jiān)測臺網(wǎng)絡(luò)實際。闡述了適宜監(jiān)測臺使用的時間同步網(wǎng)。以期望實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算機時間的準確統(tǒng)一，希望為監(jiān)測臺時間同步網(wǎng)的建設(shè)起到推進作用。

[1]程根蘭.數(shù)字同步網(wǎng)[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(gòu)的高精度網(wǎng)絡(luò)時延測量方法[J].軟件學報.2006,2(17).