京準(zhǔn)電鐘｜基于納秒級(jí)的GPS北斗衛(wèi)星授時(shí)服務(wù)器

你有沒(méi)有思考過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：火車站內(nèi)，熙熙攘攘，旅客排隊(duì)進(jìn)站、列車?？堪l(fā)車，一切井然有序。一旦有個(gè)別時(shí)間出現(xiàn)錯(cuò)誤，便會(huì)造成運(yùn)行混亂——這些時(shí)鐘如何能做到精準(zhǔn)統(tǒng)一、不差分毫？

答案便是車站里的“時(shí)間管理大師”——時(shí)間同步系統(tǒng)。這是一種能接收外部衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并按照要求的時(shí)間精度向外輸出時(shí)間同步信號(hào)和時(shí)間信息的系統(tǒng)，通俗來(lái)講，它能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)并同步一致。

它的應(yīng)用場(chǎng)景也十分廣泛，金融、電力、交通、醫(yī)療等各行各業(yè)平穩(wěn)運(yùn)行，都離不開(kāi)它的精準(zhǔn)同步。然而這個(gè)保障國(guó)家重要領(lǐng)域安全運(yùn)行的技術(shù)，曾長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。

“時(shí)間”必須掌握在中國(guó)人自己手里

京準(zhǔn)電子對(duì)時(shí)間同步行業(yè)的發(fā)展有著清醒的認(rèn)識(shí)，我們明白只有經(jīng)過(guò)不懈的努力，使我國(guó)時(shí)間同步的質(zhì)量和水平并身國(guó)際先進(jìn)行列。但在高端細(xì)分領(lǐng)域尤其是電子信息技術(shù)主導(dǎo)的技術(shù)用鐘領(lǐng)域，仍嚴(yán)重落后于國(guó)外同行。金融、電力、核電等重要領(lǐng)域的授時(shí)系統(tǒng)仍被國(guó)外品牌所壟斷，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、國(guó)家安全角度講，存在一定“隱患”?！皳Q句話說(shuō)，我們沒(méi)有自己的‘時(shí)間’，這是很被動(dòng)的事情。”自此，“一定要把‘時(shí)間’牢牢掌握在中國(guó)人自己手里！”就萌生在安徽京準(zhǔn)人的心里。

懷揣著讓時(shí)間同步領(lǐng)先世界的夢(mèng)想和追求，開(kāi)啟了我們的創(chuàng)業(yè)之路。在國(guó)外技術(shù)封鎖、無(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗，歷時(shí)5年多，終于研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“時(shí)間同步系統(tǒng)”。后來(lái)，京準(zhǔn)時(shí)鐘成功助力港珠澳大橋、葛洲壩、都江堰、中石油、中石化、北京市公安局等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目時(shí)鐘同步工作，打破了國(guó)外壟斷。

時(shí)間同步系統(tǒng)的研發(fā)難度，主要體現(xiàn)在精確性和同步性兩方面?！皶r(shí)間信號(hào)在傳遞過(guò)程中會(huì)有丟失和延遲?！睘榱俗畲蟪潭壬舷@種誤差，技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種時(shí)間推后補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，通過(guò)核心算法，能夠?qū)⒄`差控制在納秒級(jí)別，比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高出1000倍，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流水平。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議NTP協(xié)議屬于應(yīng)用層協(xié)議，是用于在分布式時(shí)間服務(wù)器和客戶端之間進(jìn)行時(shí)間同步的，它定義了協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所使用的結(jié)構(gòu)、算法、實(shí)體和協(xié)議。NTP協(xié)議是基于IP和UDP的，也可以被其它協(xié)議組使用。NTP是從時(shí)間協(xié)議（TIME PROTOCOL）和ICMP 時(shí)間戳報(bào)文（ICMP TIMESTAMP MESSAGE）演變而來(lái)，主要是從準(zhǔn)確性和強(qiáng)壯性方面進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。

NTP的優(yōu)點(diǎn)：

è 采用分層的方法來(lái)定義時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，可以迅速同步網(wǎng)絡(luò)中各臺(tái)設(shè)備的時(shí)間。

è 支持訪問(wèn)控制和MD5驗(yàn)證。

è 可以選擇采用單播、廣播或組播發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

IEEE1588（PTP）協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡(jiǎn)稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。

IEEE1588將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)鐘分為兩種，即普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，BC），只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每個(gè)PTP端口提供獨(dú)立的PTP通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)和路由器）上。從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè)PTP通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個(gè)主時(shí)鐘。整個(gè)系統(tǒng)中的最優(yōu)時(shí)鐘為最高級(jí)時(shí)鐘GMC（Grandmaster Clock），有著最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock）來(lái)自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘；在只有一個(gè)子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時(shí)鐘就是最高級(jí)時(shí)鐘GMC。每個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)GMC，且每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步；

無(wú)論從NTP還是PTP協(xié)議入手，都是希望建立起系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)度，并將時(shí)間同步的服務(wù)端和客戶端封裝為獨(dú)立的類庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)與各種現(xiàn)有系統(tǒng)的裝配。與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行集成裝配的應(yīng)用表明，基于NTP的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的有效辦法。PTP依靠它自身強(qiáng)大的精度實(shí)現(xiàn)更高速的精準(zhǔn)同步，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí)的辦法。不管哪一種同步方式，目的只有一個(gè)就是讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)鐘更精準(zhǔn)、更可靠，更穩(wěn)定。

審核編輯 黃宇