第1章 前言

網(wǎng)絡時間同步系統(tǒng)是一種確保網(wǎng)絡中不同設備的時間保持一致的技術機制，廣泛應用于金融交易、通信網(wǎng)絡、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等領域。其核心目標是通過協(xié)調設備之間的時鐘，減少時間偏差，從而支持高精度協(xié)同工作或數(shù)據(jù)一致性。

1.1 時間同步的重要性

數(shù)據(jù)一致性：在分布式計算環(huán)境中，多個系統(tǒng)或組件需要對同一事件記錄時間戳。如果這些系統(tǒng)的時間不同步，可能會導致數(shù)據(jù)不一致或者數(shù)據(jù)處理順序混亂。

提高系統(tǒng)安全性：正確的時間設置是保證日志文件準確性的關鍵，這對于調查安全事故、追蹤入侵行為至關重要。同時，許多安全協(xié)議依賴于精確的時間戳來驗證證書和簽名的有效性。

優(yōu)化網(wǎng)絡性能：在網(wǎng)絡通信中，精確的時間同步可以改善數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男?，有助于診斷和解決網(wǎng)絡問題，并能有效管理帶寬使用情況。

支持實時應用：對于要求高精度時間同步的應用（如股票交易系統(tǒng)、多媒體廣播、工業(yè)自動化、自動駕駛等），任何時間上的差異都可能導致嚴重的后果，包括經(jīng)濟損失或服務質量下降。

因此，無論是在技術實現(xiàn)還是業(yè)務操作層面，維持準確且統(tǒng)一的時間標準都是至關重要的。這通常通過使用網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）或其他高級時間同步服務來實現(xiàn)。

1.2 關鍵技術介紹

1.2.1 NTP協(xié)議

NTP（Network Time Protocol）是用來使計算機時間同步化的一種協(xié)議，它可以使計算機對其服務器或時鐘源（如石英鐘，GPS等等)做同步化，它可以提供高精準度的時間校正（LAN上與標準間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒），且可介由加密確認的方式來防止惡毒的協(xié)議攻擊。NTP的目的是在無序的Internet環(huán)境中提供精確和健壯的時間服務。

1.2.2 SNTP

簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議（Simple Network Time Protocol），由 NTP 改編而來，主要用來同步因特網(wǎng)中的計算機時鐘。

SNTP協(xié)議采用客戶端/服務器的工作方式，可以采用單播（點對點）或者廣播（一點對多點）模式操作。SNTP服務器通過接收衛(wèi)星信號或自帶的原子鐘作為系統(tǒng)的時間基準。單播模式下，SNTP客戶端能夠通過定期訪問SNTP服務器獲得準確的時間信息，用于調整客戶端自身所在系統(tǒng)的時間，達到同步時間的目的。廣播模式下，SNTP服務器周期性地發(fā)送消息給指定的IP廣播地址或者IP多播地址。SNTP客戶端通過監(jiān)聽這些地址來獲得時間信息。

網(wǎng)絡中一般存在很多臺SNTP服務器，客戶端會通過一定的算法選擇最好的幾臺服務器使用。如果一臺SNTP服務器在工作過程中失去了外部時間源，此時SNTP服務器會告訴SNTP客戶端“我失去了外部時間”。當SNTP客戶端收到這個信息時，就會丟棄發(fā)生故障的SNTP服務器發(fā)給它的時間信息，然后重新選擇其他的SNTP服務器。

1.2.3 IEEE1588協(xié)議

IEEE 1588，也被稱為精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol, PTP），是一種用于在分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度時鐘同步的協(xié)議。它最初于2002年發(fā)布為version 1，并在2008年發(fā)布了version 2，顯著提高了時間同步的精度，可以達到亞微秒級別。由于其高精度的特點，IEEE 1588廣泛應用于需要嚴格時間同步的領域，例如電信、工業(yè)自動化、測試測量以及金融交易等場合。

IEEE1588的時間同步精度從納秒級到微秒級不等，具體取決于網(wǎng)絡環(huán)境和硬件配置。在TSN、專用硬件及優(yōu)化拓撲下可實現(xiàn)亞微秒級同步，而普通以太網(wǎng)或混合網(wǎng)絡則可能降至微秒或十微秒級。實際應用中需結合場景需求選擇硬件方案（如邊界時鐘、光纖直連）和協(xié)議配置（如One-Step模式）以優(yōu)化精度。

1.2.4 時間源層級

在時間同步系統(tǒng)中，時間源的層級（Stratum Levels）是用來描述時鐘精度和可靠性的一個概念。它源自于網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP），并且也被IEEE 1588精確時間協(xié)議（PTP）所采用，盡管細節(jié)上可能有所不同。時間源的層級越低，表示該時鐘的準確度越高、穩(wěn)定性越好。

時間源的層級取值范圍1~15，頂層的參考時鐘編號為0。

Stratum 0: 這類時鐘并不是實際的網(wǎng)絡設備，而是指那些高精度的時間保持裝置，比如原子鐘或衛(wèi)星接收器等，它們提供極其精確的時間參考信號。這些設備直接與UTC時間同步，并不直接參與網(wǎng)絡時間同步。

Stratum 1: 直接連接到Stratum 0設備的服務器或設備。因為它們直接從最高精度的時間源獲取時間，所以Stratum 1設備能夠提供非常高的時間準確性，通常誤差范圍在微秒或納秒級別內。這類設備常用于需要極高時間精度的應用場景中。

Stratum 2: 通過網(wǎng)絡連接到一個或多個Stratum 1設備來同步時間。雖然其精度低于Stratum 1設備，但由于經(jīng)過了一次網(wǎng)絡傳輸，可能會引入額外的延遲和抖動，但仍然可以達到較好的時間同步效果，通常在毫秒級范圍內。

Stratum 3及以下: 隨著層級增加，每個后續(xù)層級的設備都是從前一層級的設備同步時間。每多經(jīng)過一層，由于網(wǎng)絡延遲和處理時間等因素的影響，時間精度會逐漸下降。然而，在大多數(shù)應用場景下，即使是Stratum 3或者更低層級的設備也能提供足夠的同步精度。

時間源層級的概念有助于理解不同設備之間的時間精度關系，并為選擇合適的時間同步方案提供了依據(jù)。例如，在設計一個需要高度時間同步的分布式系統(tǒng)時，了解各個組件可能依賴的時間源層級可以幫助確定系統(tǒng)整體能達到的最佳時間同步精度。

1.2.5 時間源選擇

時間源是時間同步體系中的最高精度參考源，通常為物理時鐘設備，不直接參與網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）通信，而是通過物理接口（如脈沖信號、頻率輸出）連接到下游的Stratum 1服務器。以下是常見的時間源類型及其特點：

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）：包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo）和格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）。

原子鐘（Atomic Clocks）：包括銣原子鐘、銫原子鐘等。

高精度振蕩器：恒溫晶振（OCXO）。

第2章 產(chǎn)品介紹

國產(chǎn)化信創(chuàng)時間服務器是北京昕辰清虹科技有限公司自主研發(fā)的網(wǎng)絡時間服務器，是一款高精度、高可用性、高可靠性的NTP時鐘同步產(chǎn)品，為了響應國家信創(chuàng)要求，該設備底層基于海光x86平臺，內存可選用紫光/長鑫等國產(chǎn)內存顆粒，內置銀河麒麟linux操作系統(tǒng)，完全做到國產(chǎn)化的自主、可控，該型號采用超高精度原子鐘作為守時模塊，該時鐘采用衛(wèi)星/基站信號取時，當衛(wèi)星/基站信號不可用時，通過恒溫晶振/銣原子鐘維持當前時間，具有長/短時無天線運行能力，NTS系列產(chǎn)品可為計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡設備、安全設備、應用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫集群等系統(tǒng)提供精密的授時服務和時間戳服務，現(xiàn)以已廣泛應用于電力、政府機關、金融、交通、醫(yī)院、教育、航空等各個領域。

該產(chǎn)品可支持北斗、4G/5G、TOD、INNER等多種輸入?yún)⒖荚矗约爸С諲TP、TOD、1PPS、10MHz、422/485等多種授時輸出形式。

2.1 高穩(wěn)定性及高可靠性

設備采用高性能工業(yè)級服務器主板、冗余電源、SSD，搭載銀河麒麟服務器操作系統(tǒng)，MTBF高達100000小時。

支持6個獨立網(wǎng)口，默認為6個電口，可選擇2電口+4光口，支持網(wǎng)卡bond、防火墻，授時支持MD5方式加密，確保授時安全。

服務器授時并發(fā)≥100000次/秒，假如每臺終端1分鐘同步一次，可容納600萬臺終端進行時間同步。

2.2 服務器及終端時間監(jiān)控

搭載基于B/S架構的授時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，與授時服務互不干擾，實時監(jiān)控服務器授時狀態(tài)，衛(wèi)星狀態(tài)，資源使用狀態(tài)、終端同步超時、終端時間偏差等。

支持手動設置告警策略及告警通知方式（郵件、短信、alertmanager、syslog和SNMP Trap），觸發(fā)告警立即發(fā)送告警通知。

2.3 自動記錄終端同步日志

實時記錄終端同步日志，可保持10萬條同步日志，根據(jù)同步日志查看終端實時誤差。

2.4 實時告警列表

實時告警列表可查看服務器當前存在哪些告警信息：

支持設置客戶端同步超時告警和客戶端偏差告警閾值，超出閾值立即觸發(fā)告警，同時支持批量設置同步間隔，智能分析客戶端的校時頻率來設置客戶端的同步間隔。

2.5 智能設置終端同步間隔和偏差閾值

當終端數(shù)量達到上千臺時，手動設置終端同步間隔和偏差閾值繁瑣，可通過智能分析自動設置所有終端同步間隔和偏差閾值，支持增量設置。

第3章 部署方案

3.1 單機部署

該方案在主數(shù)據(jù)中心機房部署一臺時間服務器，通過NTP協(xié)議向全國各地分支機構及各業(yè)務系統(tǒng)和設備提供校時服務。

NTP協(xié)議的校時精度會因網(wǎng)絡類型和環(huán)境的不同而有所差異。在局域網(wǎng)（LAN）中，由于網(wǎng)絡傳輸速度快且穩(wěn)定，NTP協(xié)議通?？梢詫崿F(xiàn)接近一毫秒的精度。而在廣域網(wǎng)（WAN）中，由于網(wǎng)絡傳輸速度較慢且可能受到各種因素（如路由器路徑延遲等）的影響，NTP協(xié)議的校時精度可能會降低到幾十毫秒（±50ms）。城域網(wǎng)的NTP校時精度則一般介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間。需要注意的是，這些精度值并非絕對，而是一般情況下的預估，實際效果可能會受到設備性能、網(wǎng)絡環(huán)境等多種因素的影響。

該方案僅部署一臺時間服務器，具有部署簡單，成本低的優(yōu)勢，對可靠性要求較高的場景不適用此方案。

3.2 主備部署

該方案中兩臺設備共需三個IP地址，其中兩個分別配置在兩臺時間服務器中，第三個IP作為提供對外授時服務的唯一IP，客戶端均配置向該IP校時，當主機出現(xiàn)故障時，該IP自動切換到備機，客戶端無感知，不需要做任何配置自動向備機校時。

該方案旨在部署兩臺時間服務器實現(xiàn)雙機熱備功能，實現(xiàn)高可用性，負載均衡，防止因單機部署因系統(tǒng)故障導致系統(tǒng)時間錯亂影響業(yè)務運行。

3.3 集群部署

該方案中單（多）個中心需最少部署三臺時間服務器，三臺時間服務器獨立運行，均通過北斗衛(wèi)星校準服務器本地時間，根據(jù)內部算法做到三臺獨立運行的服務器時間保持一致。

客戶端配置同時向三臺時間服務器同步時間，將網(wǎng)絡距離近的時間服務器設為優(yōu)先選擇，可有效降低時間同步延遲問題，客戶端會自動向三臺時間服務器同步時間，根據(jù)自身的聚合算法將其中一臺作為主參考源，當其中一臺時間服務器授出錯誤時間時，客戶端本地自動排除該時間源，繼而向另兩臺時間源進行同步。

該方案優(yōu)勢是采用客戶端本地的聚合算法自主選擇最佳時間參考源，即使其中一臺時間源出現(xiàn)故障，不影響客戶端向另兩臺時間源同步時間

第4章 配置建議

4.1 微調模式

slew是平滑、緩慢的漸進式調整（adjusts the clock in small steps所謂的微調），此方式將逐步調整終端本地時鐘，每秒調整0.5ms，而非一次性校正，降低瞬時誤差對系統(tǒng)的影響。

建議將所有終端配置為微調模式，可避免因時間服務器授出時間跳變過大導致終端時間跟著跳變。

附：chrony默認采用了微調模式。所以只需對Windows系統(tǒng)和使用ntpd作為時間同步工具的系統(tǒng)配置為微調模式。

4.2 加密授時

配置時間服務器使用MD5加密授時，提高終端時間同步安全性。

4.3 配置終端同步超時告警

在授時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中配置終端同步超時告警，當終端在規(guī)定時間內沒有向時間服務器同步時間，則觸發(fā)告警，及時發(fā)現(xiàn)及時干預，進一步保證終端時間的準確性。

4.4 配置終端偏差過大告警

在授時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中配置終端時間偏差過大告警，當終端時間偏差過大時，第一時間向管理員發(fā)送告警通知。

4.5 避雷措施

如果使用衛(wèi)星作為參考時間源，則需要從樓頂穿天線至機房，蘑菇頭固定在樓頂空曠處，天線材質為同軸電纜，為了機房設施安全考慮，建議加裝避雷器，進一步對設備進行保護。

4.6 使用二級時間源

當僅部署一臺時間服務器時，為了安全考慮，避免因時間服務器授出時間出現(xiàn)跳變，導致終端時間出現(xiàn)過大誤差，建議搭建一臺二級時間源，并配置二級時間源為微調模式，所有終端向二級時間源校時，進一步保護終端本地時間的準確性及穩(wěn)定性。

因為二級時間源是通過NTP協(xié)議方式實現(xiàn)，當Stratum 2時存在約±10ms的誤差，故需根據(jù)實際情況考慮是否使用二級時間源。

4.7 替換時間服務器

在替換時間服務器時，需綜合考慮時間源穩(wěn)定性、協(xié)議兼容性、網(wǎng)絡架構調整及安全策略等多方面因素，以確保時間同步服務的連續(xù)性和精度。

應先配置測試機同時向新舊時間服務器校時，通過ntpq -pn或chronyc sources -v觀察新舊時間服務器的偏差，如果偏差過大，應考慮使用延時補償?shù)姆椒▽⑿聲r間服務器授出時間對齊舊時間服務器。

同時再次建議所有終端配置為微調模式。

4.8 網(wǎng)卡bond

設備共6個網(wǎng)口，可將多個網(wǎng)口進行bond操作，當其中一個網(wǎng)卡故障時，自動切換至兩一個網(wǎng)卡工作。