網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議和精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議同步解決方案

圖1:數(shù)字化顯示齒輪幫助同步時(shí)間

IP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)最初設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮同步問(wèn)題，但是這在現(xiàn)在非常的有必要。如果你的產(chǎn)品需要時(shí)間同步需要在設(shè)計(jì)上采取哪些措施呢？目前已經(jīng)有幾種解決方案，這里我們與大家討論四種常見(jiàn)的解決方案：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）、精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）、精確的時(shí)間協(xié)議（PTP）以及借助導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，比如全球定位系統(tǒng)GPS。幸運(yùn)的是從架構(gòu)的角度來(lái)看這些不同的實(shí)現(xiàn)方案有很多的共同之處。

同步網(wǎng)絡(luò)通常都會(huì)有一個(gè)主時(shí)鐘，它的來(lái)源一般都是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），UTC是基于地球的自轉(zhuǎn)而確立的公立時(shí)間。UTC與國(guó)際原子時(shí)（TAI）保持著固定的關(guān)系，兩者之間的固定關(guān)系是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)減慢的速度而周期性的增加到UTC上的閏秒時(shí)間而保持的，目前UTC時(shí)間比TAI時(shí)間快了將近36秒。另一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是UT1，它是以平子夜作為0時(shí)開(kāi)始的格林格林威治平太陽(yáng)時(shí)加上人工極移校正后的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，UTC與UT1之間的關(guān)系保持在9秒以內(nèi)。

目前有很多個(gè)時(shí)間服務(wù)器，但是在美國(guó)最常用的就是來(lái)自國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所（NIST）提供的時(shí)間，NIST提供的時(shí)間是基于UTC、UTC1和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）服務(wù)器的，其他網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)和主時(shí)鐘源都是根據(jù)這個(gè)服務(wù)器來(lái)確定的，然而還有很多的輔助服務(wù)器存在，而且時(shí)間信息也可以來(lái)自于導(dǎo)航衛(wèi)星。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中存在異步和同步的時(shí)間模型，所有同步的方法都需要有一個(gè)內(nèi)聚層次的定時(shí)解決方案。參考時(shí)鐘對(duì)于網(wǎng)絡(luò)元素的同步是必須的，網(wǎng)絡(luò)元素通常需要一個(gè)電壓控制的晶體振蕩器（VCXO）、鎖相環(huán)（PLL）或者時(shí)鐘生成器通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)同步狀態(tài)。目前比較流行的方案包括Abracon公司推出的超低相位噪聲的VXCO和IDT公司推出的82P33814-1NLG同步管理單元，支持多種同步模式。

無(wú)論選擇哪種解決方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)都需要能夠提供適當(dāng)?shù)亩秳?dòng)衰減和相位噪聲剔除，并且與網(wǎng)絡(luò)中的其他元素保持適當(dāng)?shù)耐焦?。時(shí)間設(shè)計(jì)方面要包括一定的保持特性，即在被通知同步狀態(tài)之前保持時(shí)鐘的能力以防止主時(shí)鐘或參考時(shí)鐘出現(xiàn)故障。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）和精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）

最常用的公共網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法就是NTP以及其精簡(jiǎn)版SNTP，公共的NTP子網(wǎng)在所有大陸甚至在海底都設(shè)有服務(wù)器，為全球互聯(lián)網(wǎng)上無(wú)數(shù)的計(jì)算機(jī)提供時(shí)間支持服務(wù)。NTP服務(wù)器時(shí)間是基于UTC的，但是NIST組織架設(shè)了一個(gè)基于UT1的NTP服務(wù)器。

NTP協(xié)議使用軟件時(shí)間戳來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，精度范圍從100μs 到100ms 或者更大。很多因素會(huì)導(dǎo)致差異，但是通常都是由于網(wǎng)絡(luò)延遲、硬件、操作系統(tǒng)、環(huán)境溫度變化引起的振蕩器漂移以及時(shí)間更新引起的時(shí)間間隔引起的。

當(dāng)我們確定需要對(duì)客戶端的本地時(shí)間進(jìn)行調(diào)整時(shí)，還需要將往返時(shí)間延遲考慮在內(nèi)。NTP和SNTP使用相同的過(guò)程來(lái)確定校正因子，計(jì)算結(jié)果是假設(shè)往返兩方向的延遲都是相同的而確定的，因此在客戶端與服務(wù)端之間一共發(fā)生了四個(gè)數(shù)據(jù)包交換。

NTP和SNTP之間的主要區(qū)別是SNTP客戶端需要周期性的直接從單個(gè)SNTP服務(wù)器同步它們的時(shí)間，因此，SNTP主要用于不需要太高精度要求的應(yīng)用程序，NTP則采用基于狀態(tài)的復(fù)雜算法來(lái)提升精度。

圖2：前三層的同步路徑（來(lái)源：維基百科）

NTP支持多播/任播、客戶端-服務(wù)器、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，而SNTP通常應(yīng)用于客戶端-服務(wù)端模式，NTP系統(tǒng)廣播時(shí)間信息是分層的并建立不同的層級(jí)，每個(gè)級(jí)別被分配給一個(gè)對(duì)應(yīng)層級(jí)（Stratum）的序號(hào)，Stratum 1服務(wù)器是最底層，提供全局的時(shí)間同步服務(wù)，上層的需要根據(jù)底層的時(shí)間信息來(lái)同步。（網(wǎng)絡(luò)事件結(jié)構(gòu)為進(jìn)一步研究提供了很好的使用信息來(lái)源，并且提供了一個(gè)參考實(shí)現(xiàn)方案稱為NTPd，適用于Unix和Windows操作系統(tǒng)）

IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議（PTP）

PTP迅速變成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)首選的時(shí)間同步解決方案，尤其適用于工業(yè)控制、電信、測(cè)試與測(cè)量等應(yīng)用，相比NTP協(xié)議它更加的精確、更加的確定。PTP協(xié)議與NTP協(xié)議有很多相似之處，但是有幾個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別。首先客戶端的時(shí)間戳采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)而不是軟件，并盡可能的將其放在接近網(wǎng)絡(luò)接口的地方，從而消除與客戶端軟件相關(guān)的不規(guī)則延遲，這樣會(huì)提升幾納秒的精確性，其次PTP網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘選擇過(guò)程更具健壯性。

圖3：同步機(jī)制和延遲計(jì)算-便宜校正=ó（來(lái)源：維基百科）

在PTP協(xié)議中，時(shí)間信息會(huì)以主從結(jié)構(gòu)的形式分層次的貫通到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，事件源是基于TAI標(biāo)準(zhǔn)的，“最好主時(shí)鐘（BMC）”軟件算法會(huì)從所有可用時(shí)鐘源中選擇最合適的時(shí)鐘，時(shí)間信息會(huì)被傳遞給PTP的所有子網(wǎng)絡(luò)中。

PTP協(xié)議的所有子網(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)鐘的選擇也采用BMC算法，多播傳輸是時(shí)鐘的主要傳輸方式，但是終端客戶端會(huì)采用直接通信的方式與主時(shí)鐘進(jìn)行同步，以單播的形式定時(shí)發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求。當(dāng)然還會(huì)存在一個(gè)“透明時(shí)鐘”的可能性，即網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)有可能在將PTP消息傳遞給PTP子網(wǎng)的過(guò)程中修改時(shí)間戳。這種修改是通過(guò)計(jì)算本地設(shè)備延遲來(lái)提升接收子網(wǎng)的時(shí)間戳的精確性。

完美的PTP解決方案肯定存在，但是選擇還是要?dú)w結(jié)于收發(fā)器的解決方案結(jié)合微控制器控制的PTP軟件協(xié)議棧或者基于微控制器的解決方案和協(xié)議棧。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間組織提供了一個(gè)開(kāi)源的PTP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)方案稱為PTPd，可以免費(fèi)下載。最廣泛的分布式解決方案是TI公司推出的DP83640，作為通用模塊在不同操作模式下都會(huì)輸出一個(gè)從時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘與主時(shí)鐘在頻率和相位都保持同步，然后傳遞給下級(jí)子網(wǎng)絡(luò)，精度在亞納秒范圍內(nèi)，當(dāng)然它也具有NTP協(xié)議的時(shí)間戳，TI公司提供了詳細(xì)的應(yīng)用說(shuō)明，比如如何進(jìn)行配置，如何實(shí)現(xiàn)較高的精度等。

圖4：基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)包含一組環(huán)繞地球的衛(wèi)星，這些系統(tǒng)能夠提供非常精確的時(shí)間和位置信息

基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)包括一組環(huán)繞地球的衛(wèi)星，這些系統(tǒng)能夠提供非常精確的時(shí)間和位置信息。美國(guó)系統(tǒng)成為“全球定位系統(tǒng)（GPS）”,俄羅斯稱之為“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）”，中國(guó)的“北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（BeiDou-2）”，以及印度的“印度區(qū)域?qū)Ш綄?dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）”，當(dāng)然其他國(guó)家也都在開(kāi)發(fā)自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS衛(wèi)星上都具備原子時(shí)鐘，它們之間互相同步并且定期進(jìn)行調(diào)整與地面時(shí)鐘同步。時(shí)間是根據(jù)至少四顆衛(wèi)星周期性發(fā)送來(lái)的時(shí)間戳來(lái)計(jì)算出來(lái)的，延遲的計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)以光速進(jìn)行傳播，衛(wèi)星會(huì)定期發(fā)送其位置信息。

與NTP和PTP協(xié)議不同，GPS系統(tǒng)的可變延遲問(wèn)題則不一樣，因?yàn)闀r(shí)間信息都直接來(lái)自于衛(wèi)星，唯一限制的因素是接收器必須有一條暢通無(wú)阻的通路，大氣環(huán)境以及衛(wèi)星相對(duì)接收器的位置都會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。因?yàn)榻o每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素都集成一個(gè)接收器會(huì)很昂貴，因此工程師們會(huì)有效的控制成本，不過(guò)GPS時(shí)代相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)便宜很多了，使得實(shí)際的解決方案的同步精度能夠達(dá)到100ns以內(nèi)。

GPS系統(tǒng)接收器還有一個(gè)好的特性就是它可以應(yīng)用于封閉網(wǎng)絡(luò)，即沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)連接。它們同樣可以為PTP網(wǎng)絡(luò)提供精確的主時(shí)鐘源。

除了上文提到的時(shí)間同步方法，當(dāng)然還有其他的方案比如“同步網(wǎng)絡(luò)（SyncE）”和“范圍內(nèi)儀表組時(shí)間編碼（IRIG）”，這些都值得我們深入去研究。這些技術(shù)都是通過(guò)分發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步但是都需要專用的硬件平臺(tái)。

“同步網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)受到越來(lái)越多的歡迎，傳統(tǒng)的時(shí)間劃分多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)榛贗P的切換和多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)方案（上文提到的DP83640就是基于SyncE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的）。為了進(jìn)一步的探索，可以參考國(guó)際電信聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：ITU-T Rec.G8261，62，64。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步解決方案也可以通過(guò)上文提到的方法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如基于PTP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可以從GPS接收器獲取其主時(shí)鐘源，當(dāng)然也可以從NTP衍生服務(wù)器獲取。

許多可行的方法和組合可以一起工作，最終目標(biāo)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，但是每種技術(shù)都有自己獨(dú)特的功能特性，而且隨著網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的發(fā)展逐漸都能夠滿足現(xiàn)代應(yīng)用的大部分需求。