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在通信网引入新的支撑网??时间同步网


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随着通信新技术新业务的飞速发展,通信网带宽不断增加,传输速率不断提高,网间更加融合;随着电信市场竞争局面的形成,各通信企业都需要引进新技术提高服务质量,在竞争中求发展;目前,各项新的数据业务,如电子商务、多媒体通信、IP电话等,是电信业务发展的一个新增长点;而传统业务也存在多家企业互连互通和网间结算问题;而通信业务所涉及的安全、认证及计费等,都与一个共同的标志“时间”有着密切联系。精确的“时间”标志对于现代通信网显得越来越重要。因此,在通信网中引入新的支撑网??时间同步网是完全必要的。

时间同步网与传统的数字同步网不同,数字同步网关键部件是频率稳定度极高的时钟,在通信领域中所用的基准钟(PRC)一般采用铯原子钟,二级节点时钟和三级节点时钟采用铷原子钟或晶体钟,这就是通常所称的BITS。通过数据链路将时钟按一定网络结构连接起来,就组成了数字同步网。以高稳定度频率源,经过变换分配输出2 Mbit/s、2 MHz或其他信号,为通信网网元提供同步信号源。

数字同步网信号源并没有时、分、秒这种时间概念。而时间同步网恰恰是建立起这种具有时间标志的新型同步网络?时间同步网。

1 时间同步概念

1.1 时间的表达方式

以天体运动的周期现象为标准源的时标称为“天文时”,天文时是基于地球自转或公转周期得来的,对应于白天黑夜、春夏秋冬的周期,是我们最熟悉且与日常生活息息相关的时间。根据国际规定,将英国格林威治(Greenwich)本初子午线定义为零类世界时UTO 。由于地球自转轴有微小移动,对地球自转轴微小移动效应造成的时间偏差进行修正,得到第一类世界时标UT1 。

随着科学技术的发展,发现某些元素的原子能级跃迁频率有极高的稳定性,开始采用基于铯原子(Cs 132.9)的能级跃迁原子秒作为时标,国际时间局(BIPM)根据世界多国原子钟提供的数据进行处理,得出“国际时间标准”称为国际原子时(TAI)。而TAI的稳定性比天文历时要高。

由于天文时和原子时二者的依据不同,是互相独立的时间标准,因此二者自然有差异。为此将天文时与TAI协调起来,形成当今世界统一的时标系统UTC,称为协调世界时。协调世界时采用国际原子时的原子秒为标准,通过闰秒的办法使其时刻与UT1接近。各国天文台发布的实时时间都是UTC系统时间,称为该守时台的UTC时间。但要根据自己所在的时区加上时差。

GPS卫星在提供GPS实时时间的同时还给出GPS时间与UTC时间的静态差,因此UTC时间也可以从GPS获得。

人们所说的“时间”有两种含义,一是“时刻”,指连续流逝的时间的某一瞬间;一是“时间间隔”,是指两个瞬间之间的间隔长。它们都可以用时、分、秒的形式表达。

1.2 时间同步和时间同步网

目前,电信网中各网元使用的时间都由系统内部时钟来提供,这种时钟数量大,准确度各不相同,这样就需要人工定期或不定期参照标准时间对内部时钟进行修正。在对系统进行修正时引入的人为误差以及系统内部时钟的质量差异引起的时间偏差,导致各网元的时间不一致。以普通台式机为例,它一天的时间偏差在0.5~1 f[s]范围内。绝对时间在电信网中应用的目的就是通过某种方式,使通信网中有时间标记需求的各网元时钟使用同一时间参考体系??UTC,同时考虑到所处的时区,使各网元的内部时间保持一致,即所谓的时间同步。

由于电信网自身无法提供UTC,为了使电信网中各网元都能获得UTC,需要专门建立一个网络,通过这个网络可以获得UTC并将UTC实时地送给电信网中各个网元,这个网络我们就称为时间同步网。

2 时间同步在通信网中的作用

2.1 有严格时间要求的诸方面

在通信网中,有严格时间要求的地方很多,现列出几点:

● 不同运营商的网间结算;

● 市话、长话计费系统一致性核对;

● 现代化的电信管理网对信令的跟踪,大话务数据统计等;

● 带有子网的数据业务与主网在时间上要同步到规定范围内;

● 在计算机网中对标准时间有高的需求;

● 凡是有“日戳”概念的信息都对时间标准提出了要求。

2.2 对时间需求的说明

1.在计费方面的应用

在计费方面,对于固定电话网,每个通话的计费信息由主叫局给出,包括该呼叫的主被叫号码和起止时刻。呼叫起止时刻的时间标签是主叫局交换机本身时钟的时间。当该呼叫是本地网呼叫时,计费的主叫局是主叫市话端局;当该呼叫是长途呼叫时,计费的主叫局是主叫长话局。如果市话局交换机时钟的时刻与长话局交换机时钟的时刻存在较大差异,则计费话单上就有可能出现一部话机“同时间内打两个电话”(同时打市话和长话)的矛盾记录。计费出错,影响企业信誉。

对于移动通信网来说,时间不同步造成的影响比固定网要严重。这是因为移动网是双向计费的。移动用户在一次通话过程中有可能漫游切换MSC。

2.在网间结算方面的应用

多家运营商共同经营通信市场,必然存在互联互通、网间结算的问题。而且,用户要求提高服务质量明明白白打电话,电话费要有计费清单。计费单位变小也是一种趋势。这些都要求计费准确性高,尤其是在不同运营商网间结算中准确性要求就更高。因此,通信设备的时间准确性就越来越重要了。

3.在通信网络管理中的应用

简单网络管理协议(SNMP)被广泛应用于计算机网络管理中。(SNMP)存在于集线器、桥接器、路由器等网络设备上。当这些设备出现故障和过限告警时,便会向网络管理中心(NMS)发送中断请求,(NMS)从网络上接收到成千上万的过限中断和告警,必须按照它们的时间标签处理好它们之间的相互关系。如果这些设备的时钟出现偏差,则它们发出的中断也会包含错误的时间。这将直接影响网络故障的判定。精确的时间对网上故障定位和查找故障原因是很有用的。

4.在计算机网中的应用

“计算机网”包括因特网(公用因特网和专用TCP/IP网)、多媒体网和网上各类计算机主机和PC等。

Internet数据报选项主要用于网络测试或调试,其中时间戳选项提供了一种监视或控制路由器选择路由的途径。通过分析这些时间戳,就可以分析出某段路由的流量是否太大,从而考虑选择其它路由以减少其流量。

5.在数据通信网的安全上的应用

随着数据业务的快速增长,数据通信的安全受到了越来越多的关注,各种认证、加密技术在数据网上都得到了广泛的应用。带着时间标签的信息包到达收端时由收端以“时间窗口”来衡量该信息包的传输时延,以此判断信息是否直接来自发送者,中间有无被截获过等,以验证其安全性。加密、认证在如电子商务、预付费、IP电话、视频会议等诸多领域有广泛应用。

3 时间同步网的结构

3.1 获得UTC的方法

在通信、航海、航空、导航、测绘及军事等各领域,甚至在日常生活中UTC被广泛采用作为时标。那么,通信网如何获得UTC时间呢?目前,最常用的方法是从GPS获得UTC时间。当然我们也可以采用其他方法获得UTC时间,例如从我国陕西天文台获取UTC时间。

GPS的每颗卫星上都有星体铯钟,各星体铯钟的实时时间运行状态由地球监测站获得,地球主控站由此在电文中注入相应信息,GPS定时接收机根据这些信息最终输出锁定于世界协调时(UTC)的标准时间信号。

3.2 网络结构

时间同步网的网络结构可根据通信网的需求采用不同的网络结构。对于大型通信网络来说,可以考虑采用树型结构见图1。PTS是带GPS接收机可获得UTC的基准时间源。与基准时间源直连的时间服务器称为一级时间服务器,一级时间服务器同时又将时间基准传送给与之相连的网元或二级时间服务器。二级时间服务器只接受一级时间服务器提供的时间基准,它完成时间的分配和协议转换功能,为其所在网络提供时间服务,同时向下游的时间服务器传送时间。依此类推,实现整个时间同步的主从等级结构。通常我们也称一级时间服务器为主时间服务器,二级或二级以下的时间服务器为从时间服务器。



3.3 网络时间传递协议

计算机网络中传递时间的协议主要有三种:时间协议(Time Protocol)、日时协议(Daytime Protocol)和网络时间协议(NTP, Network Time Protocol)。另外还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议(SNTP,Simple Network Time Protocol)。SNTP与NTP相同,只是客户端软件做的处理较少。NTP是基于TCP/IP的一种时间传递协议,它可以有两种工作方式:NTP广播方式和NTP客户/服务器方式,后者的时间精度高一些。在NTP客户/服务器方式中,时间服务器与需时间同步的网元以客户/服务器模式相互交换NTP数据包,从而得到时间服务器时钟和网元时钟间的偏差。过程如下:网元客户端首先向时间服务器发送一个NTP数据包,这个数据包被打上发送时的客户端本机时间标签A,服务器接收到这个数据包后也向客户端发送一个NTP数据包,这个数据包中含有3个时间标签:服务器接收到客户端NTP数据包时的时间标签B、服务器发出NTP数据包时的时间标签C、客户端NTP数据包中原有的时间标签A,客户端接收到这个数据包后也打上一个本机时间标签D(见图2)。



根据这4个时间标签就可以算出服务器-客户间的传输时延和时钟偏差即:

传输时延Delay = ( B D-A-C ) / 2

时钟偏差Offset = ( B C-A-D ) / 2

通过这两个公式得出的网元时钟与时间服务器的时钟偏差,再将两端时延进行补偿,客户端就得到了时间服务器中的标准时间。

当采用NTP客户/服务器方式时,时间精度为1~10 ms,因此网络时间传送普遍采用NTP客户/服务器方式。为了防止被黑客攻击,NTP也提供了认证和加密的功能。

4 结束语

这里应说明,在通信网中建立时间同步网仅处在起步阶段,文中所列的网络结构等内容只是用举例方法来说明问题,绝不是建立时间同步网的模式。

进入通信网的通信设备,特别是对时间有严格要求的网元,要具有接收时间同步协议的功能。
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