时间同步指的是利用中心控制系统的标准时钟作为基准,使各个分布式系统和终端设备的时钟与之保持一致的过程。随着5G和工业4.0的迅猛发展,网络终端设备和网络业务的快速增长, 时间同步已成为现代通信、电力、军事、金融等众多领域的重要基石。
在计算机网络应用中,时间是网络业务正常交互的基础。任何完整的业务都具备严格的时间逻辑,时间错乱或偏差会带来严重后果。在电力系统等网络中,对设备的监控、控制及管理,以及各子系统对故障告警和日志信息的记录,同样需要高精度的时间信息,以便进行故障定位和性能分析。总之,在任何对时间“敏感”的网络中,都需要进行时间同步,以确保系统稳定运行。那么,我们通常如何实现时间同步呢?
要实现时间同步,首先需要获取标准的时钟信号。时间服务器是一种从GNSS(如GPS、北斗等)地球同步卫星上获取标准时钟信号,并通过TCP/IP网络传输这些信息的设备。它能为网络设备(用户)提供精确、标准、安全、可靠且多功能的时间服务,是实现时间同步的重要工具。
NTP(网络时间协议)
在获取了标准的参考时间后,我们的设备如何与之同步呢?NTP(网络时间协议)就是一种解决方案。它通过数据包交换的可变延迟数据网络,在计算机系统之间进行时钟同步。NTP自1985年运行以来,已成为最古老、最稳定的Internet协议之一。它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。通过在网络上指定若干时钟源网站,为用户提供授时服务,并且这些网站间能够相互比对,以提高准确度。以win10为例,我们只需打开Internet时间设置,即可查看NTP时间服务器地址。
SNTP(简单网络时间协议)
SNTP是NTP的子集,它简化了NTP的许多算法和步骤,提高了效率,但时间精度不如NTP。SNTP和NTP描述的网络软件包格式相同,但处理数据包内容以同步时间的方式有所不同。虽然功能齐全的NTP客户端能达到很高的准确性,但SNTP客户端仅适用于对准确性和可靠性要求不高的简单应用。
PTP(精确时间协议)
PTP(精确时间协议)是一种用于在整个计算机网络中同步时钟的协议。在局域网上,它可实现亚微秒级的时钟精度,适用于测量和控制系统。IEEE 1588专为要求精度超出NTP可提供范围的本地系统而设计。它描述了用于时钟分配的分层主从体系结构,由通信媒体(网段)和时钟组成。
PTP旨在同步用于电信、电网、金融市场和工业自动化的LAN中的实时时钟。目前,该协议特别用于同步金融HFT交易、移动电话塔传输LTE/5G BTS、海底声波阵列以及任何需要精确定时但无法访问GNSS时间基准的网络。
时间同步的重要性
设置精确时间:与手表类似,计算机设备也需要设置准确的时间。文件、数据库、应用程序都使用并添加时间标记。数十亿人使用移动设备设置正确时间后,日历和提醒才能正常工作。因此,我们的生活和日常工作需要所有分布式电子设备网络的时间准确性。
稳定频率:为了稳定时钟的“滴答”频率,需要确保时间不会漂移。音乐、视频流、通话等都需要稳定的频率来保证质量。联网数据传输的性能、50/60Hz的电力频率、PC硬件的时钟等都取决于频率的稳定性和同步性。
定义通用时域操作:定义通用时域操作可确保多个电子设备即使时钟未设置为正确的本地时间也能同步。例如,在UTC时域中进行洲际电话会议时,呼叫者时区的时间可能会有差异。最简单的方法是为所有同步设备共享一个时间源(如专用PC)。最好的情况是时域服务器与某个引用源同步,但在很多情况下,如果时钟工作在自由运行模式,也是可以接受的。
事件日志年表和时间戳:事件日志年表和时间戳是研究错误逻辑的重要工具。在可能产生财务问题或涉及安全的地方,时间戳尤为重要。加密时间戳更是专用于电子签名和数据密封的长期保存,有助于保护事件时间顺序和IT系统完整性。