GPS时间同步服务器（NTP时间服务器）在电信网络中的应用

GPS网络时间服务器

GPS时间同步服务器（NTP时间服务器）在电信网络的应用
网络时间同步系统在电信网的应用研究

    本文通过介绍湖南电信在交换机时间同步上的应用实例分析，阐述了时间同步系统在电信网的应用及发展趋势。

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    湖南省电信网络中有各种功能的子网，如程控电话网、IN智能网，PHS无线市话网、数据通信网、160/168声讯系统、多媒体通信网以及其他支撑网络和管理网络，这些网络中的绝大部分设备使用的时间都是由设备内部时间来提供的。

    这些网络中承载的计费、维护、管理等功能对时间设备的需求精确高，所以系统要求在网络之间传递的信息能够在时间上保持高度一致，精确地跟踪北京标准时间，而通过人工定期或不定期地对设备内部时间进行修正时，引入的人为误差和时间延迟以及设备内部时间源的质量差异所造成的时间偏差，会导致网络中各设备的时间不一致。

    对电信网的各子网上各种时间设备进行UTC（绝对时间）时间同步，必须解决三个方面的问题：一、尽量选取高精度的时间源；二、将高精度的时间传送到时间设备，保证在传输过程中误差尽量小；三、用绝对时间同步时间设备，充分利用设备各自的时间校准机制自动实现时间同步，尽量排除人工因素。

    一、时间同步概念

    1．时间源

    世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机构进行处理，求出全世界统一的原子时，称为国际原子时，简称IAT。UTC（协调世界时）在本质上是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上通过人工干预方式使其尽量靠近世界时。

    全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）是美国第二代卫星导航系统。GPS卫星覆盖面最广，使用最方便，精度也比较高，时间精度相对于UTC可达到1～10μs，这种时间源完全能够达到电信网内各种设备时间同步的精度要求。

    获取绝对时间后，还需要保持绝对时间精度，这与时间源服务器采用的频率振荡器质量相关。在一般情况下，电信企业时间源服务器采用恒温晶振的精度就能满足时间需要。对于极个别要求精度较高的场合，可以采用各种高稳定度的原子钟。

    2．时间传输技术

    要求时间同步的设备往往不在时间源服务器附近，不能够直接使用时间信息，因此需要将绝对时间信息准确地传送到各个时间设备。传送时间信息，通常有无线传输方式（高频或低频无线电信号）和有线传输方式（DCN、DDN等），一般来说，电信网采用精度较高的有线传输方式来传播时间信息。

    在有线传输方式中，DCN是一种计算机TCP/IP网络，而网络时间协议NetworkTimeProtocol（NTP）或简单网络时间协议（SNTP）协议属于TCP/IP协议族。这种协议传送时间最重要技术要点是取得传送的时间延迟并进行延迟补偿。协议的传输延时与时间偏差计算方式是一种实时的动态机制，因此NTP网络时间协议与具体组网方案无关，可以适应各种各样的计算机网络。TCP/IP协议族另有RFC867、RFC868协议也可通过DCN传播时间，但由于不具备时延补偿机制，精度不太高，RFC867、RFC868只能作为参考方式。

    采用DDN专线形式传送时间可以获得更高的时间精度，包括IRIG-B(AC)、IRIG-B(DC)、DCLS等等硬件信号编码协议。这种方式不受网络负荷的影响，在固定补偿之后，误差小于1～10μs，这种方式适合信令分析等微秒级精度应用，需要建立专线，在时间接受方要有复杂的设备解析各种硬件信号编码协议，投资代价较大。

    3．同步时间设备内部时间

    通过各种方式将绝对时间传输到各指定设备后，关键的工作是将绝对时间同步校准设备。按照时间同步校准方式，各指定设备可以分成三种类型：

    具有标准时间接口的设备（包括RS-232，NTP，IGRG接口等等）；

    具有命令行接口的设备；

    没有命令接口，只能手动调节的设备。

    而各种时间设备时钟晶振频率稳定度存在较大差异，所需时间校准的频度和校准时机也不尽相同，由于责任心、理解差异、反应速度等等问题，人工操作也存在着巨大的不确定因素，因此，需要分情况探讨各时间设备时间同步的具体方案。时间同步总体原则是建立一个尽量排除人为因素、自动执行各种同步操作和同步命令并掌握执行时机和频度的统一机制。

    二、交换机时间同步应用研究

    目前，湖南省电信网上运行的交换机有S1240、EWSD、C&C08、ZXJ10、SP30、E10B、F150等，它们都各自产生并管理一个系统时间值，交换机利用它产生各种告警、定时话务清单和网络控制报告，向维护人员提供实时的故障定位并进行分析判断；同时，交换机根据时间的具体值产生详细话单，从而实现长话业务、本地智能网业务、网间结算业务等对帐处理和计费结算功能。

    前台处向用户提供的计费话单出自长途电话局、网关局交换机、SSP交换机等，这些设备由于内部时间的质量差异，引起内部时间与标准时间之间发生偏差，可能出现嵌套话单、重复话单等，容易引起用户计费的纠纷。为避免这种情况的出现，目前维护人员采用人工方式对交换机修正系统时间，这并不能保证每次调整时整个电信网络的各个设备的时间都能精确地与标准时间保持一致，这种偏差日积月累已影响到湖南省电信网的运行质量。因此，在湖南省电信网络中建立一个“湖南省电信交换机时间同步系统”，并向电信网络各系统提供统一的时间标准势在必行。

    1．组网结构

    本次工程采用两级结构，即分别在省中心建立主、备两个省级NTP（InternetTimeProtocole）时间服务器，它通过外接GPS接收机获得标准TOD（TimeOf Day）信号，将TOD信号传给NTP服务器，构成一级时间服务器；同时在各地市建立各自的NTP二级时间服务器。省中心一级时间服务器通过广域网把绝对时间传送到各地市的NTP二级时间服务器，形成全省同步的统一时间；各本地网通过本地网管系统的前置机接收二级时间服务器的修改命令来调整时间，实现交换机运行参数的集中处理并统一标准时间。

    由于湖南省DCN网络运行良好，因此本工程可经DCN网进行时间信号的传送。

    2．组网方案的选择

    对现有交换机进行时间同步后，要使其能满足集中管理的需求，本次工程交换机时间同步系统主要有下列2种组网方案。

    方案一：新建一套时间同步系统平台。

    在省中心和各地市配置以太网交换机和交换机前置机，将一级时间服务器和二级时间服务器经以太网方式接入省DCN网络中；各地市的二级时间服务器通过以太网交换机把时间命令发送给交换机前置机。

    在交换机前置机与交换机的连接方式上，主要有以下两种连接方式。

    （1）单独占用串行接口

    此种方式主要是针对交换机串行端口资源富余的情况，将交换机前置机与交换机通过RS-232串行接口直接相连，采用这种方式不需考虑交换机端口是否空闲，可直接占用操作，但需占用交换机的一个串行接口。

    （2）以太网方式

    此种方式是针对于可以提供以太网接口的交换机的情况，通过基于TCP/IP或UDP/IP等连接方式在多种交换机和交换机前置机之间通过LAN建立命令输送通道。此种方式除要求交换机具有多余的以太网接口外，还需额外配置LAN交换机实现交换机与前置机相连。

    方案二：利用已接入DCN网络中的系统平台。

    目前，湖南省包括本地网网管监控系统等多个信息系统已经接入了DCN网，其中本地网网管监控系统已实现对全省交换机的集中监控。因此，可通过本地网网管监控系统采用端口复用方式进行时间修正命令的传送，此种方式主要解决了交换机端口不足的情况。其0中，二级时间服务器可待端口空闲时通过本地网管前置机向交换机发出时间修正命令，这样即节约交换机端口资源又不需改变交换机前置机与交换机的组网方式。

    方案比较：目前省内本地网中交换机机型种类多，且部分为引进机型，端口资源紧张。采用方案一时将对本系统带来额外的工程投资，且占用交换机端口资源，采用方案二既节约了网络设备部分的投资和交换机端口资源，又不会给本工程的组网结构带来很大影响，因此，根据实际生产情况和系统的安全性、集中管理性，本工程采用方案二，利用本地网网管监控系统平台进行交换机时间同步系统的建设。

    3．体系结构

    交换机时间同步系统的主要解决以下三个问题：

    （1）UTC时间的获取，取得绝对标准时间；（2）UTC时间的发送，通过时间同步网络将获取的绝对时间分配到各个交换机的操作终端；（3）对交换机时间的修正。

    针对湖南省交换机网络、网管网络的实际情况，湖南省电信交换机时间同步系统的体系结构也主要分为以上三大部分。

    首先利用GPS接收机取得卫星的GPS时间信号，将其提取并转化成绝对时间，然后利用绝对时间同步省中心一级时间服务器；省中心一级时间服务器取得绝对时间，通过已有计算机广域网，传输给各本地网集中网管监控系统；监控系统前置机（时间同步终端）获得绝对时间后，通过该命令接口同步于交换机内部时间。其中，本地网集中网管监控系统提供命令接口，如图1所示。

    除了这三大部分外，交换机时间同步系统还包括后台控制子系统，该子系统制定交换机时间同步策略，协调其他各部分的工作，如接受GPS绝对时间的执行时机、强制向下刷新交换机的硬件时间的执行时机等，保证各本地网监控系统接口统一接收省中心的集中调度指挥。

    4．交换机时间的修正

    交换机时间的修正需考虑：（1）交换机时间是否需要修正；（2）修正交换机时间的时机；（3）交换机时间应怎样进行修正。

    若交换机的时间与绝对时间的误差在允许范围内，则不对交换机时间进行修正，当交换机时间与绝对时间超出误差范围，才对交换机时间进行修正，且修正的时机应避开整时段出报告的时间和话务高峰。在交换机时间修正时交换机网管系统时间同步接口未收到交换机时间修正命令时，交换机网管系统前置机照常发送原交换机集中操作维护系统的所有命令和获取所有的报告。

    当需要进行交换机时间刷新时，时间同步服务器向网管系统前置机（时间同步终端）发出系列修正命令，时间同步终端收到修正命令后，利用系统接口直接操作交换机，并接收命令返回的报告。为确保交换机时间同步修正操作的精确性和安全性，需要对时间同步终端到交换机部分时间的延迟与补偿进行计算与验证。

    在正式的时间修改命令发出之前，本系统采用预备命令的方式探测交换机的负荷及命令延时，目的是取得最有效的命令延时，并将探测结果与平时的标准延时相比较。如果延时过大，说明此时交换机不适合进行时钟调整，就不发真正的时间修正命令，待以后有合适的负荷时再执行，以确保系统的安全和命令的顺利执行。

    交换机有两种修正时间的方式：一是调整差值方式，另一是设置绝对时间方式。如果采用调整差值的方式（如S1240、EWSD、AXE10、CC08），不需要进行任何补偿；如果采用设置绝对时间的方式（如NEC），当真正的时间修正命令发出时，已经根据上述测试命令的执行时间进行了预调整：由本机准确的网络同步时间加上一个时间差值，当它发送到交换机被执行时，使之与标准的网络同步时间差距最小，从而最大可能地保证了交换机时间的准确性。

    三、其他系统时间同步应用研究

    当时间同步系统建立后，每一级时间服务器相当于一个时间平台，向需要准确时间的设备提供标准时间，时间服务器不仅仅将标准时间提供给交换机，进行交换机时间的调校，同时，它还可以将标准时间传送给其它设备和系统，然后根据同步的设备或系统采用不同的方式进行时间的修正。

    1．IP网的时间同步方式

    IP网是属于开放的计算机互联网，支持TCP/IP协议，也支持NTP协议。只要在IP网络交换机或集线器上开放一个端口用于和时间服务器以太网口互连，设置时间服务器的IP地址能够被网内所有的工作站、服务器访问，然后为工作站、服务器装载并启动NTP进程，自动实现各服务器之间的同步。时间同步的可靠性由NTP时间协议保证，精度非常高（在2Mbit/s带宽TCP/IP网中可达到10～100ms）。

    2．智能网的时间同步方式

    只需将应用系统服务器和工作站与指定上一级基准时间服务器之间的网络路由调通，保证可以利用TCP/IP协议互相访问，启动服务器和工作站中的NTP客户端进程，就可实现各应用程序的时间同步。

    3．声讯网的时间同步方式

    各本地网现有声讯网应用系统根据组网机构，与省内综合DCN网没有接口，只需将该局域网接入到综合DCN的以太网交换机，并调整、设置合适的IP地址，保持与二级时间服务器的TCP/IP协议连接。

    4．各种应用系统时间同步基本实现方式

    根据统计，在全省电信企业内部支撑网上，总共有包括已建成与正在建设的计算机应用系统有几十个。虽然，在某一个应用系统内部，客户端与服务器可能采用了相同的时间参照体系，但是在众多的应用系统之间，并没有一个共同遵守的标准时间。另处，各应用系统服务器内部时间晶振精度不一，也会产生时间误差。

    随着电信新业务发展，计算机应用系统之间的交互越来越频繁，而时间是数据交互的绝对必要项。不同的时间标准造成的时间偏差，不仅可能使数据延迟，严重时甚至将导致数据反转。因此，必须将各计算机用系统服务器接人时间同步系统，同时这也符合省计算机系统优化整合的大趋势。

    时间同步网和一般的电信业务网不一样，它不直接面对客户，应该属于电信支撑网的一部分，为整个电信网服务。同时，电信企业也可以利用时间同步网发展增值业务，向社会提供精确的时间资源，扩大服务范围，如金融证券及票务商务等。

    总之，时间同步网属于一个新的网络，许多网络和网络应用还需要站在全程全网的角度做进一步的研究和探索，不可能一蹴而就。