1.前言

由計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的分布式系統(tǒng)，若想?yún)f(xié)調(diào)一致進行：IT行業(yè)的“整點開拍”、“秒殺”、“Leader選舉”，通信行業(yè)的“同步組網(wǎng)”之類業(yè)務(wù)處理，毫秒級甚至微秒級的時間同步是重要基礎(chǔ)之一。

2.術(shù)語描述

2.0世界時

世界時UT，可以簡單理解為按照地球自轉(zhuǎn)一周來計量24小時的時間標(biāo)準(zhǔn)，由于地球自轉(zhuǎn)速率的變化，世界時的秒長會有微小的變化，每天的快慢可以達到千分之幾秒。

2.1 TAI時間

世界時不準(zhǔn)，因此國際組織定義了TAI時間,即國際原子時（International Atomic Time），其起點是1958年的開始（世界時UT），以銫原子鐘走秒連續(xù)計時的時間。

2.2 UTC時間

計算機網(wǎng)絡(luò)普遍使用的UTC時間（協(xié)調(diào)世界時），由國際計量局BIPM綜合全世界多個守時實驗室的鐘組計算得到，為了使UTC時間與地球自轉(zhuǎn)1天的時間（世界時UT）協(xié)調(diào)一致，每隔1到2年，BIPM會通告在UTC時間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時間會出現(xiàn)60秒或少了59秒的情況。

最近一次閏秒是UTC時間2015年6月底：

2015年6月30日，23時59分59秒
2015年6月30日，23時59分60秒
2015年7月1日，0時0分0秒

由于存在閏秒，UTC時間與TAI時間是有差別的，UTC = TAI - n，這個n現(xiàn)在（2016年1月）是36秒，也就是說UTC時間比TAI時間慢了36秒。

2.3北京時間

北京時間也就是東八區(qū)時間，在UTC時間基礎(chǔ)上加8小時，中國的北京標(biāo)準(zhǔn)時間由位于陜西的國家授時中心發(fā)播。

2.4 GPS時間

由GPS系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號發(fā)播的原子時間，GPS時間用自1980年1月6日零點（UTC時間）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接收機會根據(jù)閏秒數(shù)將GPS時間換算為我們通常使用的UTC時間。GPS時間的源頭是美國海軍天文臺的守時原子鐘組。

2.5北斗（BDS）時間

由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號發(fā)播的原子時間，同樣，北斗接收機會根據(jù)閏秒數(shù)將北斗時間換算為我們通常使用的UTC時間。

北斗時間的時鐘源是位于北京的解放軍時頻中心的守時原子鐘組，陜西的國家授時中心好尷尬:(。

2.6頻率

時間的導(dǎo)數(shù)就是頻率，機械發(fā)條、石英晶體振蕩器、原子鐘等各種時鐘源通過產(chǎn)生頻率信號，按照頻率均勻打拍計數(shù)，模擬時間的等間隔流逝，就有了可見的“時間”。

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量級表示1秒會差1ns，我們使用的個人電腦，它的守時時鐘是個32. 768kHz的石英晶振，準(zhǔn)確度大概只有2E-5量級（20ppm），也就是說1秒會差0.02ms，1天會跑偏大概2秒。

2.8時間同步

廣義的“時間同步”包括的時間和頻率的同步。上級時鐘將時間頻率信號通過各種有線（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、微波、WIFI、Zigbee等）鏈路傳遞給下級時鐘，下級時鐘接受時間頻率信息后，與上級時鐘保持相位、頻率的一致。

3.時間同步原理

3.1單向授時

上級時鐘主動發(fā)播時間信息，下級用戶端被動接受時間信息，并調(diào)整本地時鐘使時差控制在一定范圍內(nèi)。

要想提高授時精度，用戶端必須計算出時間信息在傳播鏈路中的延時，GPS/北斗等衛(wèi)星授時，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，消除大部分誤差，而電纜、網(wǎng)絡(luò)等如果是單向授時方式就無法準(zhǔn)確計算單向鏈路時延了。

3.2雙向授時

用戶端將接受的時間信息原路返回給上級時鐘服務(wù)端，服務(wù)端將往返時間除以二即得到單向鏈路時延，再把單向時延告訴客戶端，在此基礎(chǔ)上，客戶端得到服務(wù)端更準(zhǔn)確的時間信息。比如：北斗單向衛(wèi)星授時精度100ns，雙向衛(wèi)星授時精度可做到20ns。

3.3網(wǎng)絡(luò)時間同步

網(wǎng)絡(luò)時間同步，特指在計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器與客戶端之間利用網(wǎng)絡(luò)報文交換實現(xiàn)的時間同步。

鑒于計算機網(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)報文時間的不確定性，通過單播或多播實現(xiàn)的單向網(wǎng)絡(luò)授時是不可靠的。因此，前輩們發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)NTP/PTP等，基本原理都是通過對網(wǎng)絡(luò)報文打時間戳（標(biāo)記），往返交換報文計算傳輸時延和同步誤差。

3.4頻率同步

頻率同步指的是主從時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，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鐘時差，通過鎖定主從相差實現(xiàn)頻率鎖定（PLL），或者間接計算頻率偏差，完成頻率修正。

4.計算機網(wǎng)絡(luò)時間同步

計算機網(wǎng)絡(luò)時間同步只是時間同步的一種應(yīng)用場景，其時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算機網(wǎng)絡(luò)中起著同步系統(tǒng)時間的作用。

• 基本原理

服務(wù)器和客戶端之間通過二次報文交換，確定主從時間誤差，客戶端校準(zhǔn)本地計算機時間，完成時間同步，有條件的話進一步校準(zhǔn)本地時鐘頻率。

• 時間同步過程

服務(wù)器在UDP的132端口提供授時服務(wù)，客戶端發(fā)送附帶T1時間戳（Timestamp）的查詢報文給服務(wù)器，服務(wù)器在該報文上添加到達時刻T2和響應(yīng)報文發(fā)送時刻T3，客戶端記錄響應(yīng)報到達時刻T4。

改個維基的圖：

• 時差計算

維基這個圖中用藍色標(biāo)注了主從直接來回鏈路的時延Sigma：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
因此，假設(shè)來回網(wǎng)絡(luò)鏈路是對稱的，即傳輸時延相等，那么可以計算客戶端與服務(wù)器之間的時間誤差Delta為：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

客戶端調(diào)整自身的時間Delta，即可完成一次時間同步。

• 計時方式

NTP采用UTC時間計時，NTP時間戳包括自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，60秒和下一分鐘的0秒的NTP總秒數(shù)一致的，因此NTP報文專門定義了閏秒指示域來提示。

• 誤差分析

局域網(wǎng)內(nèi)計算機利用NTP協(xié)議進行時間同步，時間同步精度在5ms左右，主要誤差包括：

1）計算機打時間戳的位置在應(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)報文到來時馬上打戳；
2）各種中間網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備帶來的傳輸時延不確定性以及鏈路的不對稱性，將進一步降低NTP時間同步精度。

4.2 PTP

為克服NTP的各種缺點，PTP(Precision Time Protocol，精確時間同步協(xié)議)應(yīng)運而生，最新協(xié)議是，可實現(xiàn)亞微秒量級的時間同步精度。

• 基本原理

主從節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)鏈路層打時間戳，利用支持IEEE1588協(xié)議的PHY片，精準(zhǔn)記錄時間同步網(wǎng)絡(luò)報文接受或發(fā)送的時刻。交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點準(zhǔn)確記錄時間同步報文在其中停留的時間，實現(xiàn)對鏈路時延的準(zhǔn)確計算。

• 時間同步過程

PTP默認使用組播協(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：主時鐘和從時鐘，交換機、路由器一般是BC或TC。

由于硬件性能有限，網(wǎng)絡(luò)報文發(fā)送時記錄的時刻信息，可以在隨后的Follow_Up跟隨報文中發(fā)出，這就是PTP的雙步模式(Two-step)。

下圖是兩OC主從時鐘之間的同步過程：

· a.主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync報文，并在本地記錄發(fā)送時間t1；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

· b.時鐘發(fā)送Sync報文之后，緊接著發(fā)送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

· c.從時鐘向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并在本地記錄發(fā)送時間t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

· d.主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復(fù)一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。

• 時差計算

與NTP一樣的原理，從時鐘根據(jù)擁有的t1～t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對稱的，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

• 計時方式

與NTP不同，PTP采用TAI世界原子時間計時，而且PTP計時的起點與unix時間一致，即UTC時間1970年1月1日0點。

PTP主鐘會告知從鐘，當(dāng)前UTC相對于TAI的累計偏移量，從鐘據(jù)此計算當(dāng)前準(zhǔn)確的UTC時間。

• 誤差分析

PTP能準(zhǔn)確記錄報文發(fā)送和接受的時間，也能計算中間鏈路的延時，剩下影響最大的就是網(wǎng)絡(luò)鏈路的不對稱性了。

在實際工程中，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。

• 同步拓撲

PTP域中所有的時鐘節(jié)點都按一定層次組織在一起，可通過BMC（Best Master Clock，最佳主時鐘）協(xié)議動態(tài)選舉出最優(yōu)時鐘，最優(yōu)時鐘的時間最終將被同步到整個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)拓撲，且都是動態(tài)選舉，能適應(yīng)最佳主時鐘切換的變化。

• 擴展應(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)的時延穩(wěn)定性可大幅提升網(wǎng)絡(luò)時間同步精度。

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，有另外獨立的頻率同步網(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

時鐘節(jié)點利用以太網(wǎng)（1000M、1G、10G等）物理層的空閑間隙，傳遞位寬時鐘信號，實現(xiàn)時鐘頻率信號（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信息包含時鐘質(zhì)量信息，接收端據(jù)此選擇合適的上級網(wǎng)絡(luò)時鐘。

• 應(yīng)用

一般商業(yè)PHY片提供SyncE功能選項，開啟該功能模式，即可利用PHY恢復(fù)出來的頻率信號，校準(zhǔn)本地時鐘頻率或分頻后用于本地計時。

審核編輯：符乾江