確保關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施精確授時(shí)與同步的彈性、冗余和安全性

Microchip Technology Inc.

頻率與時(shí)間系統(tǒng)業(yè)務(wù)部

新興產(chǎn)品主管

Eric Colard

電信、公用事業(yè)、運(yùn)輸和國防等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)具有國家戰(zhàn)略級重要性。美國網(wǎng)絡(luò)安全和基礎(chǔ)設(shè)施安全局（CISA）列出了16個(gè)被認(rèn)為對安全至關(guān)重要的此類部門。第21號總統(tǒng)政策指令（PPD-21）：《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全和彈性》提出了一項(xiàng)國家政策，旨在加強(qiáng)和維護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、運(yùn)作性和彈性。

定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）共同構(gòu)成了國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)作的必要條件。然而，廣泛采用全球定位系統(tǒng)（GPS）作為PNT信息的主要來源會(huì)引入漏洞。CISA通過國家風(fēng)險(xiǎn)管理中心與政府和行業(yè)合作伙伴合作，目的是增強(qiáng)美國國家PNT生態(tài)系統(tǒng)的安全性和彈性。2020年初簽署的第13905號行政命令（E.O.）《通過負(fù)責(zé)任地使用定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)來增強(qiáng)國家彈性》通過政策推廣來加強(qiáng)政府和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商對PNT服務(wù)的負(fù)責(zé)任運(yùn)用。

下面概述了成本考慮因素并探索了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施有助于增強(qiáng)PNT（重點(diǎn)是同步和精確授時(shí)）的三個(gè)關(guān)鍵要素：冗余、彈性和安全性。

評估成本和位置

運(yùn)營商通常很難對與在架構(gòu)每一層上部署彈性、冗余和安全性相關(guān)的成本進(jìn)行調(diào)整。全新的授時(shí)和同步解決方案及設(shè)計(jì)選擇有助于形成合理的成本結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)健且可靠的解決方案。

成本和解決方案類型之間的問題通常與考量的部署位置有關(guān)。隨著技術(shù)的演進(jìn)，例如SDH/TDM向以太網(wǎng)的遷移以及移動(dòng)LTE/4G和5G的開發(fā)，集群辦公室（特別是位于邊緣的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)）的數(shù)量激增。這必然導(dǎo)致設(shè)備變得更小（通常是1-U機(jī)架可安裝設(shè)備），并且成本與小尺寸邊緣基站（小型蜂窩網(wǎng)和gNodeB）一致。

運(yùn)營商面臨著這樣一個(gè)問題：在這種環(huán)境下提供冗余、彈性和安全性的最佳方式是什么？需要考慮兩個(gè)核心層級——架構(gòu)級和設(shè)計(jì)級。

探索冗余

可以通過部署兩端（東/西）的核心功能來設(shè)計(jì)架構(gòu)級的冗余，借助雙重路徑實(shí)現(xiàn)方向冗余并利用高性能功能實(shí)現(xiàn)長距離高效高精度時(shí)間傳輸，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分布。虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）架構(gòu)便是此類架構(gòu)級解決方案。

設(shè)備本身也可以考慮使用冗余。此時(shí)，設(shè)計(jì)的選擇至關(guān)重要。小型設(shè)備實(shí)際上無法通過模塊化硬件冗余進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。這里的創(chuàng)新是提供軟件冗余，以便部署低成本、高效率且高性能的分布式解決方案。硬件模塊通常很貴，原因有兩個(gè)：一是成本；二是冗余模塊會(huì)占用另一個(gè)模塊（通常用于輸入和輸出端口）的空間。

硬件模塊冗余通常會(huì)導(dǎo)致在增加冗余和喪失功能之間做出權(quán)衡，例如，如果支持冗余，則需要在10G以太網(wǎng)（GE）支持或多頻段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）之間進(jìn)行選擇或者做出其他妥協(xié)。另一方面，采用軟件冗余時(shí)，則不必做出權(quán)衡。這就是說，可以在保留所有現(xiàn)有功能的同時(shí)引入冗余，不必去除輸入或輸出，也不必棄用多頻段GNSS功能。冗余是通過軟件升級引入的，因此不會(huì)移除任何硬件。然而，硬件冗余意味著在設(shè)備內(nèi)部使用類似模塊復(fù)制現(xiàn)有模塊；新模塊會(huì)占用現(xiàn)有模塊的插槽，現(xiàn)有模塊從單元中移除時(shí)即會(huì)喪失功能。

圖1給出了通常部署的冗余用例，其中包含兩個(gè)使用虛擬路由器冗余協(xié)議（VRRP）的聚合路由器。

圖1：工作單元和備用單元之間的冗余連接示例

軟件冗余是一種基于兩個(gè)價(jià)格合理設(shè)備的雙單元方案，一個(gè)單元處于工作狀態(tài)，另一個(gè)單元處于備用狀態(tài)。這種方案更加經(jīng)濟(jì)高效：首先，它不涉及包含昂貴硬件模塊的高成本設(shè)備設(shè)計(jì)；其次，每個(gè)單元（不工作狀態(tài)和工作狀態(tài)）均保留其所有功能，而硬件冗余設(shè)計(jì)涉及在設(shè)備中復(fù)制模塊，由于要給冗余的模塊讓出位置，很可能會(huì)縮減現(xiàn)有的功能。此外，由于工作單元和備用單元相同，因此軟件冗余是整個(gè)設(shè)備的總?cè)哂?。所有功能都是冗余的，包?a target="_blank">振蕩器、GNSS接收機(jī)、端口和輸入/輸出，而硬件模塊僅在其自身功能（而非單元的其余部分）方面是冗余的。

充分利用彈性

架構(gòu)級的彈性是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目的是確保部署中的主時(shí)鐘（grandmaster）可以彼此相連。一些主時(shí)鐘連接到GNSS并將其作為時(shí)間和頻率的來源。務(wù)必將這些系統(tǒng)與其他1588主時(shí)鐘相連以實(shí)現(xiàn)輔助部分時(shí)間支持（APTS）并利用自動(dòng)不對稱校正（AAC）等關(guān)鍵創(chuàng)新。AAC是彈性設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵（專利）優(yōu)勢，能夠校準(zhǔn)可能由PTP流使用的通向/來自上行主時(shí)鐘的不同路徑，從而可在GNSS于主時(shí)鐘位置失敗時(shí)實(shí)現(xiàn)備份。上行主時(shí)鐘的備份路徑可以保證不間斷的精確授時(shí)和相位操作。此架構(gòu)確保在GNSS發(fā)生中斷時(shí)可以通過IEEE 1588精確授時(shí)協(xié)議（PTP）對其進(jìn)行備份，而且利用了最佳路徑。

另一種架構(gòu)選擇是虛擬PRTC（vPRTC），它支持運(yùn)營商通過使用PTP的高性能邊界時(shí)鐘鏈來利用冗余和彈性在長距離上實(shí)現(xiàn)高精度（通常在光網(wǎng)絡(luò)上）；這種架構(gòu)減少了對GNSS的依賴，并使用PTP作為其主要時(shí)間和相位來源。

圖2給出了具有專用光授時(shí)通道（OTC）的光網(wǎng)絡(luò)部署，這種部署可在較長的距離上實(shí)現(xiàn)高精度相位分布。

圖2：具有OTC的光網(wǎng)絡(luò)部署

設(shè)備級的彈性從正確選擇振蕩器開始（從OCXO到原子鐘（銣）），具體取決于位置、用例和相應(yīng)的計(jì)時(shí)保持性能要求。此外，GNSS接收機(jī)的選擇十分關(guān)鍵，因?yàn)橐恍┙邮諜C(jī)通常支持單一頻率，但電離層現(xiàn)象會(huì)在周期性事件（如太陽風(fēng)暴）期間產(chǎn)生相當(dāng)大的延時(shí)；為了減小此類延時(shí)，需要使用多頻段GNSS接收機(jī)。

圖3對比了由于電離層效應(yīng)導(dǎo)致的單頻段延時(shí)和多頻段延時(shí)，并給出了多頻段如何明顯減小時(shí)間誤差（用紅色突出顯示）。

　　圖3：電離層現(xiàn)象比較。來源：https://www.gsc-Europa.eu/system/files/galileo_documents/Galileo-OS-SDD.pdf

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GNSS衛(wèi)星以多個(gè)頻段發(fā)送時(shí)間信息。不同頻率信號之間的延時(shí)差異提供了電離層對絕對延時(shí)造成的影響的信息。利用這些信息，多頻段GNSS接收機(jī)便可補(bǔ)償從衛(wèi)星發(fā)送到接收機(jī)的無線電信號的延時(shí)差異。嵌入多頻段接收機(jī)可減小此類延時(shí)，這對于需要40 ns的B類主參考時(shí)鐘（PRTC-B）以及30 ns的增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）的應(yīng)用至關(guān)重要。

這些設(shè)備設(shè)計(jì)的選擇也同樣重要。GNSS接收機(jī)既可以嵌入到主板上的單元內(nèi)，也可以作為硬件模塊提供，但后者通常需要額外的成本，而且可能需要拆卸和更換現(xiàn)有模塊。更可取的做法是，采用已啟用多頻段接收機(jī)的單元并通過許可證開啟多頻段功能，而不是在硬件模塊上提供多頻段選項(xiàng)，因?yàn)楹笠环N做法需要與其他重要功能進(jìn)行權(quán)衡。

評估安全性

安全至關(guān)重要。通過終端接入控制器訪問控制系統(tǒng)+（TACACS+）和遠(yuǎn)程身份驗(yàn)證撥入用戶服務(wù)（RADIUS）等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制進(jìn)行身份驗(yàn)證和授權(quán)可提供標(biāo)準(zhǔn)安全框架的優(yōu)勢。此外，雙因素身份驗(yàn)證（2FA）是一層額外的保護(hù)，并非僅僅通過用戶名和密碼確保帳戶的安全。

另外，務(wù)必為安全外殼（SSH）擴(kuò)展提供不同級別的安全配置文件，以便針對用戶類型以及相關(guān)的訪問權(quán)限和限制提供更多粒度。提供高安全性配置文件可定義和執(zhí)行最嚴(yán)格的系統(tǒng)訪問規(guī)則。

需要解決腳本漏洞以及相關(guān)的常見漏洞和暴露（CVE?）問題，以確保審查和解決所有潛在的安全漏洞。

此外，不斷演變的干擾和欺騙威脅需要成為精確授時(shí)安全策略的一部分，并通過信號監(jiān)測、一致性檢查和修復(fù)來實(shí)現(xiàn)?？梢岳米詣?dòng)增益控制（AGC）和其他指標(biāo)提供閾值，并解釋對應(yīng)結(jié)果以及出現(xiàn)相應(yīng)結(jié)果時(shí)的緩解措施。

最終決策

為了確保持續(xù)的性能，做出正確的架構(gòu)選擇十分關(guān)鍵。全面的網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)研究應(yīng)包括需要部署主時(shí)鐘單元的位置及其性能和精度要求。這些步驟將指導(dǎo)說明需要選擇哪種類型的精確授時(shí)和同步設(shè)備。

此外，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員和同步工程師應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)選擇，例如無風(fēng)扇的設(shè)備與需要風(fēng)扇的設(shè)備、模塊化硬件冗余與軟件冗余、成本和權(quán)衡方面的相關(guān)優(yōu)勢，以及類似有關(guān)嵌入式或模塊化GNSS的選擇。

這些選擇可以引導(dǎo)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商在所有部署層級部署冗余、彈性和安全性。