1.前言
由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的分布式系統(tǒng),若想?yún)f(xié)調(diào)一致進(jìn)行:IT行業(yè)的“整點(diǎn)開拍”、“秒殺”、“Leader選舉”,通信行業(yè)的“同步組網(wǎng)”之類業(yè)務(wù)處理,毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的時(shí)間同步是重要基礎(chǔ)之一。
2.術(shù)語描述
2.0世界時(shí)
世界時(shí)UT,可以簡單理解為按照地球自轉(zhuǎn)一周來計(jì)量24小時(shí)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),由于地球自轉(zhuǎn)速率的變化,世界時(shí)的秒長會(huì)有微小的變化,每天的快慢可以達(dá)到千分之幾秒。
2.1 TAI時(shí)間
世界時(shí)不準(zhǔn),因此國際組織定義了TAI時(shí)間,即國際原子時(shí)(International Atomic Time),其起點(diǎn)是1958年的開始(世界時(shí)UT),以銫原子鐘走秒連續(xù)計(jì)時(shí)的時(shí)間。
2.2 UTC時(shí)間
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)普遍使用的UTC時(shí)間(協(xié)調(diào)世界時(shí)),由國際計(jì)量局BIPM綜合全世界多個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的鐘組計(jì)算得到,為了使UTC時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)1天的時(shí)間(世界時(shí)UT)協(xié)調(diào)一致,每隔1到2年,BIPM會(huì)通告在UTC時(shí)間6月30日或12月31日最后一分鐘“加一秒”或“減一秒”等閏秒調(diào)整。也就是說,UTC時(shí)間會(huì)出現(xiàn)60秒或少了59秒的情況。
最近一次閏秒是UTC時(shí)間2015年6月底:
2015年6月30日,23時(shí)59分59秒
2015年6月30日,23時(shí)59分60秒
2015年7月1日,0時(shí)0分0秒
由于存在閏秒,UTC時(shí)間與TAI時(shí)間是有差別的,UTC = TAI - n,這個(gè)n現(xiàn)在(2016年1月)是36秒,也就是說UTC時(shí)間比TAI時(shí)間慢了36秒。
2.3北京時(shí)間
北京時(shí)間也就是東八區(qū)時(shí)間,在UTC時(shí)間基礎(chǔ)上加8小時(shí),中國的北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由位于陜西的國家授時(shí)中心發(fā)播。
2.4 GPS時(shí)間
由GPS系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號(hào)發(fā)播的原子時(shí)間,GPS時(shí)間用自1980年1月6日零點(diǎn)(UTC時(shí)間)起的星期數(shù)和該星期內(nèi)內(nèi)的秒數(shù)來表示。
工程上,GPS接收機(jī)會(huì)根據(jù)閏秒數(shù)將GPS時(shí)間換算為我們通常使用的UTC時(shí)間。GPS時(shí)間的源頭是美國海軍天文臺(tái)的守時(shí)原子鐘組。
2.5北斗(BDS)時(shí)間
由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號(hào)發(fā)播的原子時(shí)間,同樣,北斗接收機(jī)會(huì)根據(jù)閏秒數(shù)將北斗時(shí)間換算為我們通常使用的UTC時(shí)間。
北斗時(shí)間的時(shí)鐘源是位于北京的解放軍時(shí)頻中心的守時(shí)原子鐘組,陜西的國家授時(shí)中心好尷尬:(。
2.6頻率
時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是頻率,機(jī)械發(fā)條、石英晶體振蕩器、原子鐘等各種時(shí)鐘源通過產(chǎn)生頻率信號(hào),按照頻率均勻打拍計(jì)數(shù),模擬時(shí)間的等間隔流逝,就有了可見的“時(shí)間”。
2.7頻率準(zhǔn)確度
手表有準(zhǔn)和不準(zhǔn)的,反映的就是頻率準(zhǔn)不準(zhǔn),時(shí)鐘頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差可以用頻率準(zhǔn)確度來衡量。1E-9量級(jí)表示1秒會(huì)差1ns,我們使用的個(gè)人電腦,它的守時(shí)時(shí)鐘是個(gè)32. 768kHz的石英晶振,準(zhǔn)確度大概只有2E-5量級(jí)(20ppm),也就是說1秒會(huì)差0.02ms,1天會(huì)跑偏大概2秒。
2.8時(shí)間同步
廣義的“時(shí)間同步”包括的時(shí)間和頻率的同步。上級(jí)時(shí)鐘將時(shí)間頻率信號(hào)通過各種有線(以太網(wǎng)、SDH數(shù)字網(wǎng)、同軸電纜、電話等)、無線(衛(wèi)星、長波、電臺(tái)、微波、WIFI、Zigbee等)鏈路傳遞給下級(jí)時(shí)鐘,下級(jí)時(shí)鐘接受時(shí)間頻率信息后,與上級(jí)時(shí)鐘保持相位、頻率的一致。
3.時(shí)間同步原理
3.1單向授時(shí)
上級(jí)時(shí)鐘主動(dòng)發(fā)播時(shí)間信息,下級(jí)用戶端被動(dòng)接受時(shí)間信息,并調(diào)整本地時(shí)鐘使時(shí)差控制在一定范圍內(nèi)。
要想提高授時(shí)精度,用戶端必須計(jì)算出時(shí)間信息在傳播鏈路中的延時(shí),GPS/北斗等衛(wèi)星授時(shí),可以通過用戶端定位與衛(wèi)星之間距離確定電磁傳輸延時(shí),消除大部分誤差,而電纜、網(wǎng)絡(luò)等如果是單向授時(shí)方式就無法準(zhǔn)確計(jì)算單向鏈路時(shí)延了。
3.2雙向授時(shí)
用戶端將接受的時(shí)間信息原路返回給上級(jí)時(shí)鐘服務(wù)端,服務(wù)端將往返時(shí)間除以二即得到單向鏈路時(shí)延,再把單向時(shí)延告訴客戶端,在此基礎(chǔ)上,客戶端得到服務(wù)端更準(zhǔn)確的時(shí)間信息。比如:北斗單向衛(wèi)星授時(shí)精度100ns,雙向衛(wèi)星授時(shí)精度可做到20ns。
3.3網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步,特指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器與客戶端之間利用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文交換實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步。
鑒于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的不確定性和中間路由交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)間的不確定性,通過單播或多播實(shí)現(xiàn)的單向網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是不可靠的。因此,前輩們發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)NTP/PTP等,基本原理都是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文打時(shí)間戳(標(biāo)記),往返交換報(bào)文計(jì)算傳輸時(shí)延和同步誤差。
3.4頻率同步
頻率同步指的是主從時(shí)鐘的頻率誤差保持在一定范圍內(nèi),頻率同步有2種類型:
第1種是直接傳遞模擬頻率信號(hào),比如用電纜或光纜傳遞10MHz、5Mhz、2.048MHz等標(biāo)準(zhǔn)頻率,或者傳遞bit位寬脈沖;
第2種是通過測量得到的主從時(shí)鐘時(shí)差,通過鎖定主從相差實(shí)現(xiàn)頻率鎖定(PLL),或者間接計(jì)算頻率偏差,完成頻率修正。
4.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步只是時(shí)間同步的一種應(yīng)用場景,其時(shí)間傳遞的鏈路可能是SDH網(wǎng)、以太網(wǎng)、WIFI無線網(wǎng)絡(luò)等。
4.1 NTP
(Network Time Protocol)從1985年誕生來,目前仍在在大部分的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中起著同步系統(tǒng)時(shí)間的作用。
- 基本原理
服務(wù)器和客戶端之間通過二次報(bào)文交換,確定主從時(shí)間誤差,客戶端校準(zhǔn)本地計(jì)算機(jī)時(shí)間,完成時(shí)間同步,有條件的話進(jìn)一步校準(zhǔn)本地時(shí)鐘頻率。
- 時(shí)間同步過程
服務(wù)器在UDP的132端口提供授時(shí)服務(wù),客戶端發(fā)送附帶T1時(shí)間戳(Timestamp)的查詢報(bào)文給服務(wù)器,服務(wù)器在該報(bào)文上添加到達(dá)時(shí)刻T2和響應(yīng)報(bào)文發(fā)送時(shí)刻T3,客戶端記錄響應(yīng)報(bào)到達(dá)時(shí)刻T4。
改個(gè)維基的圖:
- 時(shí)差計(jì)算
維基這個(gè)圖中用藍(lán)色標(biāo)注了主從直接來回鏈路的時(shí)延Sigma:
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
因此,假設(shè)來回網(wǎng)絡(luò)鏈路是對(duì)稱的,即傳輸時(shí)延相等,那么可以計(jì)算客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間誤差Delta為:
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
客戶端調(diào)整自身的時(shí)間Delta,即可完成一次時(shí)間同步。
- 計(jì)時(shí)方式
NTP采用UTC時(shí)間計(jì)時(shí),NTP時(shí)間戳包括自1900-01-01 00:00:00開始的UTC總秒數(shù),當(dāng)前秒的亞秒數(shù)。
當(dāng)正閏秒時(shí),60秒和下一分鐘的0秒的NTP總秒數(shù)一致的,因此NTP報(bào)文專門定義了閏秒指示域來提示。
- 誤差分析
局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)利用NTP協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步,時(shí)間同步精度在5ms左右,主要誤差包括:
1)計(jì)算機(jī)打時(shí)間戳的位置在應(yīng)用層,受協(xié)議棧緩存、任務(wù)調(diào)度等影響,不能在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文到來時(shí)馬上打戳;
2)各種中間網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備帶來的傳輸時(shí)延不確定性以及鏈路的不對(duì)稱性,將進(jìn)一步降低NTP時(shí)間同步精度。
4.2 PTP
為克服NTP的各種缺點(diǎn),PTP(Precision Time Protocol,精確時(shí)間同步協(xié)議)應(yīng)運(yùn)而生,最新協(xié)議是,可實(shí)現(xiàn)亞微秒量級(jí)的時(shí)間同步精度。
- 基本原理
主從節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)鏈路層打時(shí)間戳,利用支持IEEE1588協(xié)議的PHY片,精準(zhǔn)記錄時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接受或發(fā)送的時(shí)刻。交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確記錄時(shí)間同步報(bào)文在其中停留的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路時(shí)延的準(zhǔn)確計(jì)算。
- 時(shí)間同步過程
PTP默認(rèn)使用組播協(xié)議,二層或四層UDP組播都可以,一般我們使用基于UDP組播,使用319和320兩個(gè)端口。
PTP定義了三種角色:OC、BC和TC。我們一般接觸的是OC:主時(shí)鐘和從時(shí)鐘,交換機(jī)、路由器一般是BC或TC。
由于硬件性能有限,網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送時(shí)記錄的時(shí)刻信息,可以在隨后的Follow_Up跟隨報(bào)文中發(fā)出,這就是PTP的雙步模式(Two-step)。
下圖是兩OC主從時(shí)鐘之間的同步過程:
· a.主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文,并在本地記錄發(fā)送時(shí)間t1;從時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間t2。
· b.時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文之后,緊接著發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文。
· c.從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文,用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算,并在本地記錄發(fā)送時(shí)間t3;主時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間t4。
· d.主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文之后,回復(fù)一個(gè)攜帶有t4的Delay_Resp報(bào)文。
- 時(shí)差計(jì)算
與NTP一樣的原理,從時(shí)鐘根據(jù)擁有的t1~t4這四個(gè)時(shí)間戳,由此可計(jì)算出主、從時(shí)鐘間的往返總延時(shí)為:
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的,從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差為:
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
- 計(jì)時(shí)方式
與NTP不同,PTP采用TAI世界原子時(shí)間計(jì)時(shí),而且PTP計(jì)時(shí)的起點(diǎn)與unix時(shí)間一致,即UTC時(shí)間1970年1月1日0點(diǎn)。
PTP主鐘會(huì)告知從鐘,當(dāng)前UTC相對(duì)于TAI的累計(jì)偏移量,從鐘據(jù)此計(jì)算當(dāng)前準(zhǔn)確的UTC時(shí)間。
- 誤差分析
PTP能準(zhǔn)確記錄報(bào)文發(fā)送和接受的時(shí)間,也能計(jì)算中間鏈路的延時(shí),剩下影響最大的就是網(wǎng)絡(luò)鏈路的不對(duì)稱性了。
在實(shí)際工程中,網(wǎng)絡(luò)中間鏈路設(shè)備不支持PTP協(xié)議,大大降低了PTP的同步精度。目前,PTP主要應(yīng)用在通信同步網(wǎng)、電力同步網(wǎng)等行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里。
- 同步拓?fù)?/span>
PTP域中所有的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)都按一定層次組織在一起,可通過BMC(Best Master Clock,最佳主時(shí)鐘)協(xié)議動(dòng)態(tài)選舉出最優(yōu)時(shí)鐘,最優(yōu)時(shí)鐘的時(shí)間最終將被同步到整個(gè)PTP域中。
BMC算法與STP(Spaning Tree Protocl)生成樹協(xié)議類似,最終形成無環(huán)路的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌叶际莿?dòng)態(tài)選舉,能適應(yīng)最佳主時(shí)鐘切換的變化。
- 擴(kuò)展應(yīng)用——PTP over SDH
充分利用各行業(yè)已有的SDH通信網(wǎng)絡(luò),利用PTP-E1信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備,架設(shè)PTP同步網(wǎng)絡(luò),除了需要考慮鏈路倒換問題之外,SDH網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延穩(wěn)定性可大幅提升網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度。
4.3 SyncE同步以太網(wǎng)
以太網(wǎng)最早只能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),有另外獨(dú)立的頻率同步網(wǎng)絡(luò),隨著以太網(wǎng)的快速發(fā)展,SyncE(Synchronized Ethernet)同步以太網(wǎng)技術(shù)誕生后,企業(yè)們有了新的選擇。
- 基本原理
時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)利用以太網(wǎng)(1000M、1G、10G等)物理層的空閑間隙,傳遞位寬時(shí)鐘信號(hào),實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率信號(hào)(25M、125M等)的自上而下傳遞。
- 協(xié)議控制
類似于SDH網(wǎng)絡(luò)等時(shí)間間隔傳遞的SSM同步狀態(tài)信息,同步以太網(wǎng)(Sync-E)利用鏈路層封裝傳遞SSM信息,SSM信息包含時(shí)鐘質(zhì)量信息,接收端據(jù)此選擇合適的上級(jí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘。
- 應(yīng)用
一般商業(yè)PHY片提供SyncE功能選項(xiàng),開啟該功能模式,即可利用PHY恢復(fù)出來的頻率信號(hào),校準(zhǔn)本地時(shí)鐘頻率或分頻后用于本地計(jì)時(shí)。
審核編輯:符乾江
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