作者介紹

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，時(shí)間同步技術(shù)在通信、導(dǎo)航、電力等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。從日常生活到高精尖的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，精確的時(shí)間同步都是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行和任務(wù)成功完成的關(guān)鍵因素。本文將對(duì)幾種主流的時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行介紹和對(duì)比分析，探討各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

時(shí)間同步，顧名思義就是使分布在不同地點(diǎn)的時(shí)鐘保持一致的過(guò)程。在網(wǎng)絡(luò)通信中，時(shí)間同步意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備參照同一時(shí)間基準(zhǔn)工作，這對(duì)于數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸至關(guān)重要。時(shí)間同步協(xié)議是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多種應(yīng)用領(lǐng)域中確保時(shí)鐘一致性的關(guān)鍵技術(shù)。不同的協(xié)議設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足不同精度和環(huán)境下的時(shí)間同步需求。

本文將會(huì)介紹一些常見(jiàn)的時(shí)間同步協(xié)議。

一、協(xié)議介紹

1.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）

NTP是一種廣泛使用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)提供免費(fèi)參考服務(wù)，能夠提供毫秒級(jí)別的時(shí)間同步精度。目前最新的版本是NTPv4。

它采用層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)服務(wù)器之間的時(shí)間信息交換來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的時(shí)間同步。其中頂層是一級(jí)時(shí)間服務(wù)器（Stratum 1），它們直接連接到可靠的時(shí)間源，如原子鐘、GPS接收器或其他物理時(shí)間源。這些一級(jí)服務(wù)器將時(shí)間信息傳遞給二級(jí)服務(wù)器（Stratum 2），二級(jí)服務(wù)器再傳遞給三級(jí)服務(wù)器，以此類(lèi)推。客戶(hù)端通常與最低層的服務(wù)器（如Stratum 3或更低）同步。

而SNTP是NTP的簡(jiǎn)化版本，用于不需要高精度時(shí)間同步的應(yīng)用，如個(gè)人計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。

NTP最大的優(yōu)勢(shì)是其部署簡(jiǎn)單，僅需通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即可獲得時(shí)間同步，且擁有較好的可擴(kuò)展性，分層設(shè)計(jì)允許大量設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間，同時(shí)減少了對(duì)頂級(jí)時(shí)間源的負(fù)載。但對(duì)于高精應(yīng)用來(lái)講，準(zhǔn)確性和精度較低。

SNTP/NTP廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，最熟悉的這是我們每臺(tái)設(shè)備的時(shí)間信息傳遞與同步。

2.精確時(shí)間協(xié)議（PTP）

PTP（Precision Time Protocol，精確時(shí)間協(xié)議）是一種IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)定義，是一種用于工業(yè)以太網(wǎng)的高精度時(shí)間同步協(xié)議，PTP通過(guò)精確測(cè)量報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間來(lái)同步時(shí)鐘。它能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備提供一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間參考，從而確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性和一致性。采用硬件時(shí)間戳，可以大幅減少軟件處理時(shí)間，同步精度可以達(dá)到亞微秒/數(shù)十納秒級(jí)。

PTP網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主時(shí)鐘（Master Clock）和多個(gè)從時(shí)鐘（Slave Clock）組成，主時(shí)鐘通常連接到一個(gè)高精度的物理時(shí)間源，而從時(shí)鐘則分布在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)備上。PTP協(xié)議通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上交換時(shí)間戳消息來(lái)同步時(shí)鐘。它定義了兩種主要的消息類(lèi)型：同步（Sync）消息和跟隨（Follow-up）消息。主時(shí)鐘（Grandmaster）發(fā)送同步消息，并在消息中嵌入發(fā)送時(shí)間戳。隨后，主時(shí)鐘發(fā)送跟隨消息，其中包含同步消息的發(fā)送時(shí)間戳。從時(shí)鐘（Slave）記錄收到同步消息和跟隨消息的時(shí)間戳，并使用這些時(shí)間戳來(lái)計(jì)算與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差和延遲。

不過(guò)，PTP在高流量狀態(tài)下精度易受影響變化，想要保證穩(wěn)定的高精時(shí)間同步，還需要專(zhuān)用的硬件設(shè)備與較復(fù)雜的相關(guān)配置，因此主要是在工業(yè)應(yīng)用中較為廣泛。

此外，PTP可以運(yùn)行在L2層（MAC層）和L4層（UDP層），在L2層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，可以在MAC層中直接進(jìn)行報(bào)文解析，避免在UDP層處理，減少協(xié)議棧中駐留時(shí)間，進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度，因此十分適用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

除了PTP時(shí)間同步協(xié)議，我們也會(huì)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域時(shí)常看見(jiàn)gPTP（Generalized Precision Time Protocol）協(xié)議。gPTP和PTP都是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步協(xié)議，其中PTP遵循IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，而gPTP是IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)門(mén)為以太網(wǎng)音視頻橋接（AVB）和網(wǎng)絡(luò)化汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)，提供高精度的時(shí)間同步。

PTP廣泛應(yīng)用于需要高精度時(shí)間同步的工業(yè)領(lǐng)域，如自動(dòng)駕駛、電力系統(tǒng)、制造業(yè)自動(dòng)化、電信網(wǎng)絡(luò)、金融市場(chǎng)交易等。在這些應(yīng)用中，PTP的精確時(shí)間同步能力對(duì)于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的精確同步至關(guān)重要。自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)采集與回放中基本都會(huì)采用PTP或gPTP。

3.全球定位系統(tǒng)（GNSS）

GNSS提供了一種基于衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間同步服務(wù)，精度可以達(dá)到微秒級(jí)別。GNSS接收器通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)同步本地時(shí)鐘，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位和時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)。

GNSS衛(wèi)星上裝備有非常精確的原子鐘，它們不斷地發(fā)送時(shí)間信號(hào)和導(dǎo)航信息。地面的GNSS接收器可以接收到這些信號(hào)，并通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)確定自己的位置和時(shí)間。由于光速是已知的，接收器可以通過(guò)計(jì)算信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)出到接收器接收到的往返時(shí)間來(lái)計(jì)算衛(wèi)星和接收器之間的距離。通過(guò)同時(shí)接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)，接收器可以精確地確定自己的位置和時(shí)間。

GNSS的使用十分簡(jiǎn)單，基本上無(wú)需復(fù)雜的配置，且可以隨時(shí)拆除與重新部署，因此具備極大的靈活性與廣泛性。不過(guò)必竟是通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，因此并非是所有地方都可以使用，也不能確保百分之百的穩(wěn)定，因此一般作為初始同步與其他授時(shí)方式同步使用，例如銣原子鐘可以保證在脫離GNSS信號(hào)24小時(shí)僅具有1us誤差。

銣原子時(shí)鐘板卡

該銣原子時(shí)鐘板卡是第一款在PCle板上利用銣振蕩器的時(shí)鐘卡，它是完全開(kāi)源的，并由與硬件無(wú)關(guān)的監(jiān)控和規(guī)范軟件堆棧運(yùn)行，可擴(kuò)展、面向未來(lái)和無(wú)縫集成，用于幫助客戶(hù)構(gòu)建自己的高性能網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器。

? 憑借機(jī)載銣原子本振，對(duì)GNSS損失具有高度彈性

? 完全開(kāi)源設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)

? 易于集成到任何帶有PCIe插槽的服務(wù)器中

? 與現(xiàn)有的NTP和PTP兼容

GNSS授時(shí)的精度非常高，通?？梢赃_(dá)到納秒級(jí)別。這種精度對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，包括電信、金融、科學(xué)研究、電力系統(tǒng)同步和其他需要高精度時(shí)間同步的領(lǐng)域。

4.White Rabbit（WR）

White Rabbit（WR）協(xié)議是一種用于粒子物理實(shí)驗(yàn)和其他需要極高水平時(shí)間同步的科學(xué)研究的高精度時(shí)間同步協(xié)議。它由歐洲核子研究組織（CERN）和其他研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，旨在提供亞微秒級(jí)別的時(shí)間同步精度和皮秒級(jí)別的時(shí)鐘同步精度。

White Rabbit協(xié)議基于以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)硬件時(shí)間戳、專(zhuān)用的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和同步性。它采用了IEEE 1588-2008（PTP）標(biāo)準(zhǔn)的一些核心概念，并對(duì)其進(jìn)行了一系列的優(yōu)化和擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)更高精度的時(shí)間同步。

WR能夠提供亞微秒級(jí)別的時(shí)間同步精度和皮秒級(jí)別的時(shí)鐘同步精度，支持長(zhǎng)達(dá)幾十公里的傳輸距離，適用于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施的分布式時(shí)鐘同步，可以支持大量的同步節(jié)點(diǎn)，適用于大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。目前在各類(lèi)天文臺(tái)與粒子對(duì)撞機(jī)得到廣泛應(yīng)用。

White Rabbit精確時(shí)間分配系統(tǒng)

? 易于集成進(jìn)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)(Ethernet, PTPv2, NTP)

? 可擴(kuò)展超過(guò)1000km

? 沒(méi)有 GNSS 漏洞，性能不受數(shù)據(jù)流量影響，支持本地holdover

? 易于擴(kuò)展，支持自校準(zhǔn)

? 精度達(dá)到亞納秒/納秒級(jí)

? 支持區(qū)塊鏈與厘米級(jí)室內(nèi)定位等新技術(shù)融合

5.其他

除此之外，還有很多時(shí)間同步的方法與協(xié)議，他們有的伴隨著行業(yè)與技術(shù)發(fā)展逐步退出了歷史舞臺(tái)，還有一些目前依舊有著非常廣泛的作用，這里由于篇幅原因，不再展開(kāi)講解，我們簡(jiǎn)單列舉下一些時(shí)間同步方法與協(xié)議：

● 時(shí)間協(xié)議（Time Protocol）：這是互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)早期協(xié)議，定義在RFC 868中。它提供了一種簡(jiǎn)單的機(jī)制，允許互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)同步其時(shí)鐘。由于其簡(jiǎn)單性，它的時(shí)間同步精度相對(duì)較低，通常只能達(dá)到秒級(jí)別。

● 電話(huà)公司時(shí)間協(xié)議（Telnet Time Protocol）：這是一種通過(guò)電話(huà)線(xiàn)路同步時(shí)鐘的協(xié)議，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

● 時(shí)間碼（IRIG-B）：IRIG-B是一種時(shí)間碼格式，通常用于精確的時(shí)間同步應(yīng)用，如電力系統(tǒng)、航空航天和軍事應(yīng)用。時(shí)間碼發(fā)生器輸出一個(gè)帶有時(shí)間信息的信號(hào)，其他設(shè)備可以通過(guò)解析這個(gè)信號(hào)來(lái)同步時(shí)鐘。

● 本地時(shí)鐘同步（Local Oscillator, LO）：通常指的是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部使用本地振蕩器來(lái)維持時(shí)鐘同步的方法。這種方法不依賴(lài)于外部的時(shí)間源，而依賴(lài)于設(shè)備內(nèi)置的振蕩器，如晶體振蕩器、原子鐘或振蕩電路，來(lái)生成穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。

● 同步設(shè)備之間的接口（SyncE）：SyncE是一種網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，它通過(guò)以太網(wǎng)物理層提供同步信號(hào)，用于同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘。

● 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間安全協(xié)議（NTS）：NTS是NTP的擴(kuò)展，旨在提高時(shí)間同步的安全性，防止時(shí)鐘同步過(guò)程中的惡意攻擊。

● 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）：PPP在建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，可以協(xié)商并同步兩端的時(shí)鐘。

● 時(shí)間戳協(xié)議（TSP）：TSP是一種簡(jiǎn)單的協(xié)議，用于請(qǐng)求時(shí)間戳服務(wù)，通常用于安全相關(guān)的應(yīng)用。

二、主要協(xié)議對(duì)比

我們對(duì)主要的四個(gè)協(xié)議做一下對(duì)比：

三、總結(jié)

總的來(lái)講這些協(xié)議和方法各有特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和時(shí)間同步精度要求。在選擇時(shí)間同步協(xié)議時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、同步精度、設(shè)備兼容性以及實(shí)施成本等因素。隨著技術(shù)的發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的時(shí)間同步技術(shù)和協(xié)議，以滿(mǎn)足不斷變化的需求。

審核編輯 黃宇