國家廣電總局哈爾濱監(jiān)測臺 王 巍 郭若偉 姚立業(yè)

1.引言

隨著廣播電視監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和廣播電視監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，廣播電視監(jiān)測手段已由過去的全部人工操作過渡到計算機(jī)輔助監(jiān)測。這就對監(jiān)測臺及時準(zhǔn)確的上報監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了更高的要求；要想一分不誤，一秒不差的反映監(jiān)測中的異態(tài)情況，就必須要保證監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中計算機(jī)時間的精準(zhǔn)度。但由于設(shè)計缺陷、溫度變化、電磁干擾、振蕩器老化，甚至還包括計算機(jī)負(fù)載等多種原因，多數(shù)計算機(jī)的時鐘是不精確的，同時時間誤差是累積的。利用人工定期或不定期地對計算機(jī)時間進(jìn)行修正會引入很大的人為誤差，操作也非常不方便。切實(shí)可行的方法是：利用時間同步的方法利用計算機(jī)的時間校準(zhǔn)機(jī)制自動實(shí)現(xiàn)時間同步。

2.時間標(biāo)準(zhǔn)及時間同步

2.1 時間標(biāo)準(zhǔn)

時間的基本單位是秒，它是國際單位制（SI單位制）的七個基本單位之一。它主要有如下幾種時間標(biāo)準(zhǔn)：

（1）世界時：世界時是世界上最早的時間標(biāo)準(zhǔn)。1884年國際上將一秒定義為全年每日長度的1/（8.64*104）以此標(biāo)準(zhǔn)的時間系統(tǒng)稱為世界時即UT1，1972年以后國際上開始使用國際原子時標(biāo)，即經(jīng)過格林威治天文臺本初子午線的時間便稱為世界時即UT2，或稱格林威治時間（GMT）[1]。

（2）原子時：1967年后，將銫133的能量躍遷9192631770周的時間定義為輻射原子秒，稱國際原子時（TAI）。

（3）世界協(xié)調(diào)時：世界協(xié)調(diào)時是以地球自轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，但是地球并不是以固定速度自轉(zhuǎn)的，因而地球自轉(zhuǎn)18個月有1秒的誤差。為了應(yīng)對這種偏差。世界地球運(yùn)行研究所考慮到地球自轉(zhuǎn)的自身情況，對GMT進(jìn)行或增或減的修正。并和世界度量衡局時間所共同向各國提供發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)時間。這就是世界協(xié)調(diào)時（UTC：Coordinatde Universal Time）。UTC的表示方式為：年(y)、月(m）、日(d)、時(h)、分(min)、秒(s)，都用自然數(shù)字表示。

目前，世界協(xié)調(diào)時（UTC）是世界上大部分國家采用的標(biāo)準(zhǔn)時間。

2.2 時間同步的概念

在通信領(lǐng)域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)的時鐘頻率和相位同步。時間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)時鐘以及利用網(wǎng)絡(luò)連接的各個應(yīng)用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)調(diào)世界時（UTC）同步。

3.時間同步相關(guān)技術(shù)

3.1 時間基準(zhǔn)源的獲取方法

時間基準(zhǔn)源是時間同步網(wǎng)的核心，它需要一個高穩(wěn)定度、高精確度、冗余配置的時間保障體系。UTC時間可以利用很多途徑獲取，包括長波、短波授時，衛(wèi)星授時，電話授時和互聯(lián)網(wǎng)授時等。

（1）從Internet上獲取時間

采用某種協(xié)議連接到Internet上一個或多個能夠提供準(zhǔn)確時間的服務(wù)器上來進(jìn)行時間同步。利用連接在Internet上的計算機(jī)同Internet上的時間服務(wù)器通信，以獲得準(zhǔn)確的時間。Internet上還有許多提供標(biāo)準(zhǔn)時間的網(wǎng)站和用于校準(zhǔn)本地計算機(jī)時間的共享軟件，它們一般都采用NTP協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)時間服務(wù)器連接，獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，然后對本地電腦時間進(jìn)行調(diào)整，以此保證時間的一致[2]。

（2）利用無線電波獲取時間

在我國，我們可以接收國家授時中心的各地授時電臺每天24h連續(xù)不斷地以四個頻率（2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz）交替發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)時間信號和標(biāo)頻，短波授時精度達(dá)到毫秒級；長波授時臺每天按時發(fā)射標(biāo)頻信號，頻率100kHz，精度達(dá)到為秒級；收到的無線電波信號由授時型接收機(jī)恢復(fù)為時間信號并與本地時鐘進(jìn)行比對，扣除它在傳播路徑上的延時及各種誤差因素的影響，實(shí)現(xiàn)時鐘的同步。

（3）利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取時間

利用GPS或格洛納斯衛(wèi)星進(jìn)行授時是近些年來發(fā)展起來的代價低、精度高的授時方法。美國GPS定位系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，平均布置在6個軌道面之上。每一個衛(wèi)星上都安裝有高精度的原子鐘，并不停向地面發(fā)射兩個頻率的信號。兩個信號中含有準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)時間，地面GPS接收機(jī)來自GPS衛(wèi)星的信號后，從信號中提取出準(zhǔn)確的時間信息。利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取時間實(shí)際上是利用通信信號來進(jìn)行時間的比對。目前，應(yīng)用最為成熟、最具代表性的便是美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)。

3.2 各種時間同步方法的特點(diǎn)的比較

（1）利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間比對是解決測試網(wǎng)時間同步問題最直接、最簡單的方法，精度達(dá)到ms級。執(zhí)行NTP協(xié)議即可連接上Internet與世界上標(biāo)準(zhǔn)的時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步校準(zhǔn)，也可以與局域網(wǎng)上的時間服務(wù)器進(jìn)行校準(zhǔn)。它不需要測試儀器具有時間接收模塊，減少了硬件上的開銷。但由于監(jiān)測臺屬于保密機(jī)構(gòu)，考慮到安全性和可靠性方面的問題，建議盡量避免使用這種方式。如果采用這種方式。應(yīng)該充分考慮安全手段：如防火墻、加密方式傳輸?shù)取?/p>

（2）利用無線電波進(jìn)行時間比對是傳統(tǒng)的時間同步方法，它僅適合于我國范圍內(nèi)的時間校準(zhǔn)。由于不用網(wǎng)絡(luò)傳輸時間信號，可以免受網(wǎng)絡(luò)擁塞、延時等影響，精度較高，長波s級、短波ms級，它需要有無線接收模塊。此種方式獲取的時間源在網(wǎng)絡(luò)中傳遞較困難。

（3）GPS授時是GPS應(yīng)用的一個重要方面，它使得方便、準(zhǔn)確、廉價的授時成為可能，GPS的特點(diǎn)是全天候、覆蓋廣，穩(wěn)定性高，提供的時間精度比較精準(zhǔn)，傳輸方便。

綜合以上分析，建議監(jiān)測臺機(jī)房時間同步網(wǎng)的時間基準(zhǔn)源可以采用從GPS獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，同時應(yīng)考慮后備措施以保障在GPS不可用時，仍然可以提供足夠精確的時間?？煽紤]以高穩(wěn)定原子鐘作為時間服務(wù)器內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘，我國北京、湖北已建有銫原子鐘組。并同時提供多路參考輸入等作為后備措施。

3.3 時間同步傳輸協(xié)議

圖1 網(wǎng)絡(luò)授時的簡單模型

時間同步傳輸協(xié)議用來使計算機(jī)時間同步化，利用測定服務(wù)器時鐘和客戶機(jī)時鐘之間的時間偏移量(Time Offset)，并根據(jù)協(xié)議的算法對服務(wù)器、客戶機(jī)傳播延時進(jìn)行相應(yīng)的處理。它可以使計算機(jī)對其服務(wù)器或時鐘源(如石英鐘，GPS等)做同步化，還可以提供高精度的時間校正。現(xiàn)有用于校正網(wǎng)絡(luò)時間的協(xié)議有很多，它們是解決時間同步問題的基礎(chǔ)。目前，網(wǎng)絡(luò)時間同步的通用協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(Net—work time Protocol，NTP)，NTP是由美國University of Delaware的David L.Mills教授于上個世紀(jì)八十年代年提出，目的這個設(shè)計用來解決互聯(lián)網(wǎng)上的計算機(jī)時間校準(zhǔn)問題。它提供的同步時間機(jī)制，可以利用冗余服務(wù)器和多條網(wǎng)絡(luò)路徑來獲得時間的高準(zhǔn)確性和高可靠性，在龐大復(fù)雜的互連網(wǎng)中調(diào)整時間分配。網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議可以考慮到出數(shù)據(jù)包在Internet上的往返延遲，解決網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)時間同步問題。此外，利用本地路由選擇運(yùn)算法則及時間后臺軟件，服務(wù)器可以重新分配標(biāo)準(zhǔn)時間。NTP有3種工作模式：

（1）主/被動對稱模式：點(diǎn)對點(diǎn)的連接模式，每個點(diǎn)可以同步其它點(diǎn)或者被其它點(diǎn)同步。

（2）客戶端/服務(wù)器端模式：與點(diǎn)對點(diǎn)模式相像。不同點(diǎn)在于，客戶端能夠被服務(wù)器端同步，但逆向則不可以。

（3）廣播模式：一對多的廣播模式，服務(wù)器端不考慮客戶端何種狀態(tài)，固定模式發(fā)出廣播信息，客戶端則根據(jù)接受到信息調(diào)整客戶端的時間。由于是單向傳輸模式，所以只能S級的精確度。

NTP3種工作模式比較：主/被動對稱模式因采用點(diǎn)對點(diǎn)模式，在局域網(wǎng)中應(yīng)用較少。廣播方式中，NTP時間服務(wù)器周期性向網(wǎng)元廣播時間信息，由于傳輸時延會帶來一定誤差，因此其時間精度只有10—100ms?？蛻?服務(wù)器模式中時間服務(wù)器與需時間同步的網(wǎng)元以客戶/服務(wù)器模式交互，得到時間服務(wù)器時鐘和網(wǎng)元時鐘間的偏差，時間精度可達(dá)1-10ms，從而獲得廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最為廣泛的是NTPv3版本。

4.監(jiān)測臺機(jī)房時間同步組網(wǎng)方案及工作流程

4.1 時間同步組網(wǎng)方案

綜合以上分析，在時鐘同步網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)上，監(jiān)測臺可新建一套帶GPS的主時間服務(wù)器。同時采用本地高穩(wěn)晶振源作為主時間服務(wù)器GPS缺失時的本地振源。時間服務(wù)器獲得時間后，采用NTP協(xié)議，主要利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳遞到需要時間同步的各節(jié)點(diǎn)。

主時間服務(wù)器的時鐘來源于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這是目前性價比最好的UTC時間基準(zhǔn)源?？梢圆捎迷诜?wù)器中插入GPS卡、利用NTP服務(wù)器軟件來組成一級服務(wù)器；也可以直接購買自帶GPS接收機(jī)的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器。在主服務(wù)器下級設(shè)幾臺輔助時間服務(wù)器。利用客戶/服務(wù)器模式與主時間服務(wù)器保持時間同步；輔助時間服務(wù)器之間也可以利用主/被動對稱模式相互保持時間同步。輔助時間服務(wù)器使用與主時間服務(wù)器相同的NTP服務(wù)器軟件?？蛻魴C(jī)利用客戶/服務(wù)器模式與輔助時間服務(wù)器保持時間同步。

圖1為局域網(wǎng)絡(luò)授時的簡單模型，其中工控機(jī)為客戶端，網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器作為服務(wù)器端，利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器進(jìn)行交換攜帶時間信息的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行時鐘的矯正。服務(wù)器端內(nèi)置GPS接收模塊，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器和UTC時間的準(zhǔn)確同步。

監(jiān)測臺機(jī)房網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不是很大。也可以采用一臺獨(dú)立的主時間服務(wù)器。直接向網(wǎng)絡(luò)中的各個應(yīng)用系統(tǒng)授時。

4.2 工作流程

監(jiān)測臺時間同步網(wǎng)大致工作流程如下：

(1)取得標(biāo)準(zhǔn)時間：時間同步網(wǎng)從時間同步網(wǎng)的時間服務(wù)器中取得基準(zhǔn)時間(UTC)作為標(biāo)準(zhǔn)時間。

(2)發(fā)送時間查詢命令：時間同步網(wǎng)首先取得時間同步策略參數(shù)。例如門限值。重試頻率。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測機(jī)房系統(tǒng)建立連接。根據(jù)不同的交換局點(diǎn)和機(jī)型發(fā)送不同的時間查詢命令。

(3)發(fā)出更改時間的命令：利用交換機(jī)的命令返回報告。時間同步網(wǎng)檢測所獲取的交換機(jī)時間與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時間的差值。如差值在標(biāo)準(zhǔn)時差范圍內(nèi)。系統(tǒng)不作任何動作。否則，將對交換機(jī)時間進(jìn)行修改。

(4)發(fā)送更改時間的命令：時間同步網(wǎng)利用交換機(jī)操作端口向交換機(jī)發(fā)送時間同步命令以矯正交換機(jī)的系統(tǒng)時間。

(5)發(fā)送時間修改成功的命令：時間同步網(wǎng)將處理的結(jié)果進(jìn)行通知。并將相關(guān)信息結(jié)果存入系統(tǒng)日志當(dāng)中。

該處理流程的詳細(xì)圖解如圖2所示。

5.結(jié)束語

隨著監(jiān)測臺網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的日益增加，時間同步網(wǎng)的精度對監(jiān)測對象分析及處理有較大影響，本文利用對現(xiàn)有時間基準(zhǔn)源獲取方法和各種時間同步協(xié)議的比較，結(jié)合監(jiān)測臺網(wǎng)絡(luò)實(shí)際。闡述了適宜監(jiān)測臺使用的時間同步網(wǎng)。以期望實(shí)現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算機(jī)時間的準(zhǔn)確統(tǒng)一，希望為監(jiān)測臺時間同步網(wǎng)的建設(shè)起到推進(jìn)作用。

[1]程根蘭.數(shù)字同步網(wǎng)[M].北京:人民郵電出版社.

[2]黎文偉,張大方,謝高崗,楊金民.基于通用PC架構(gòu)的高精度網(wǎng)絡(luò)時延測量方法[J].軟件學(xué)報.2006,2(17).