摘  要：针对天津本地固话网出现的程控电话交换机时间不同步的问题，介绍了时间同步有关的要领和利用天津本地固话网管系统实现程控电话交换机时间同步的可行性与设计方案，以及系统开发的结果等。认为该项开发具有较大的推广价值。
     
关键词：本地固话网；程控电话交换机；时间同步

1 引言

随着通信市场竞争的日趋激烈，持续地为客户提供优质的服务已成为通信网络运行维护工作的终极目标，因此不断发现和解决网络运行中的问题，提高网络运行的质量，达到为客户提供优质服务的目的，是通信网络运行维护工作的一项重要内容。

最近一侧面时间，在天津本地固话网中出现了因程控电话交换机的时间不同步而产生重话单的问题。由于原程控电话交换机的时间校正均是由手工进行的，即由机房工作人员通过拨打010117收听北京的报时并以此报时为标准设定程控电话交换机的时间，使得时间设定实时性差，准确性不高，各程控电话交换机运行的时间不同步，而出现了重话单的情况，影响了为客户服务的质量。为了解决这个问题，天津通信公司网管中心，根据多年来开发、维护网管系统的经验，提出了利用本地固话网管网络来实现全网程控交换机时间自动同步的方案，并进行了相应的开发和试验，获得了成功。现对这一方式和开发、试验的结果介绍如下。

2 时间同步有关的概念

精确可靠的时间同步在计算机通信网中是非常重要的。比如利用计算机通信网进行网络管理，就需给有关文件和事件打上时间戳，以利于故障的定位和处理；对广域网数据包进行时延测量和分析，才能正确判断网络的时延因电子商务交易的过程中，需要以可信的时间（Trust time）作为交易的法律依据等等。在通信网中同样需要时间的同步，通过时间同步减少计费信息的错误和避免重话单的问题，同时也可以在不同的通信运营商之间实现正确的网间结算。

2.1 时间标准

时间同步离不开时间标准，时间标准主要有以下几种：

（1）世界时

世界时是最早的时间标准。在1884年，国际上将1s确定为全年内每日平均长度的1/8.64×104。以此标准形成的时间系统，称为世界是，即UT1。1972年国际上开始使用国际原子时标，从那以后，经过格林威治老天文台本初子午线的时间便被称为世界时，即UT2，或称格林威治时间（GMT），是对地球转速周期性差异进行校正后的世界时。

（2）原子时

1967年，人们利用铯原子振荡周期极为规律的特性，研制出了高精度的原子时钟，将铯原子能级跃迁辐射9192631770周所经历的时间定为1s。现在用的时间就是1971年10月定义的国际原子时，是通过世界上大约200多台原子钟进行对比后，再由国际度量衡局时间所进行数据处理，得出的统一的原子时，简称TAI。

（3）世界协调时

世界协调时是以地球自转为基础的时间标准。由于地球自转速度并不均匀，并非每天都是精确的86400原子s，因而导致了自转时间与世界时之间存在18个月有1s的误差。为纠正这种误差，国际地球自转研究所根据地球自转的实际情况对格林威治时间进行增减闰s的调整，与国际度量衡局时间所联合向全世界发布标准时间，这就是所谓的世界协调时（UTC:Coordinatde Universal Time）。UTC的表示方式为：年（y）、月（m）、日（d）、时（h）、分（min）、秒（s），均用数字表示。

2.2 时间信号的格式和传输方式

目前常用的时间信号格式主要有时间码和NTP（Network Time Protocol）两种。

（1）时间码

时间码包括IRIG（Inter Range Instrumentation Group）、DCLS(DC Level Shift )和ACTS(Automatde Computer Time)等几种；

a.IRIG：由IRIG组织于1965年开发的，其版本为IRIG Standard 200-95，并分成A、B、C、D、E、G、H几种。基保，最为常用的是IRIG-B，传输介质可用双绞线和同轴电缆，精确度为10μs～100μs。

b.DCLS：是IRIG-B的一种特殊形式，通过64kbit/s的数字数据网（DDN:Dingital Data Net-works）的线路进行传输，无传输距离的限制，精确度为10μs～1000μs。

c.ACTS：由NIST（National Institute of Stan-dard and Technology）开发的，通过Modem/ISDN的拨款号方法进行传输，也没有传输距离的限制，精确度为10μs～1000μs。

（2）NTP

NTP是由美德拉瓦大学的D.L.Mills教授于1985年提出的，除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟的偏差，达到在网络上实现高精准度计算机校时的目的。在网络中提供高精度、高可靠性时间标准的Internet协议，基于UTP报文。其从诞生到今天已有十多年的历史，最新的版本为4.0(RFC-1305)，精确度为：局域网10μs～10ms；Internet 100μs～1000μs。

2.3 全球定位系统

全球定位系统（GPS:Global Positioning System ）是美国从20世纪70年代开始研制的，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全部建成。GPS系统包括空间（GPS卫星）、地面控制-地面监控系统和用户设备（GPS信号接收机）三大部分。GPS信号接收机可接收用于授时、准确至纳秒（ns）级的时间信息。尽管在GPS测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，以及在定位计算时会受到卫星广播星历误差的影响等，但在相对定位时大部分公共误差都会被抵消或削弱，定位的精度也会大大提高。

授时型接收机主要利用GPS卫星提供的高精时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯的时间同步。按接收机的载波频率分类，有单频接收机和双频接收机两种。采用GPS授时型接收机提供的高精度时间一般被用作时间源。

3 天津本地固话网管系统现状分析

3.1 程控电话交换机接入网管系统的方式

目前，天津本地固话网中交换机的机型有：NEAX61E、DMS、E10B、S1240、C&C08和NEAX61∑等，但大部分机型提供的都是标准的串口接入方式（即RS232接口方式），接口数据为说明书指出的字符流，接口操作方式为各机型自定义的操作指令集。不同机型的操作终端有不同的操作方式，RS232接口的接入方式如图1所示，以RS232接口接入的程控交换机的特点如表1所示。

由于串口的速率较低，还需要向X.25接口和TCP/IP接口的方向发展。目前，在天津本地固话网中只有一部分新安装的NEAX61∑机是通过TCP/IP接口接入网管系统的，其余的NEAX61∑机因是前向兼容，为了保扩原有的投资和利用原有的数字数据网（DDN）通路，仍然使用RS232接口接入网管系统。采用TCP/IP接口接入网管系统的还有C&C08机。TCP/IP接口的接入方式如图2所示。

3.2 程控电话交换机接入网管系统的数据采集方式

目前，天津本地固话网管系统对程控电话交换机的数据采集方式分为被动采集方式和主动采集方式两种。被动采集方式主要是指网元（程控电话交换机）端口是自动输出数据的，只需要采集程序读取该端口输出的数据，而主动采集则需用采集程序向网元端口发送一个（或一组）指令，根据指令由网元端口输出需要的数据。采集程序的工作包括写端口、读端口、分析端口数据等。

4 利用电话网管系统实现交换机时间同步的可行性分析

4.1 技术层面分析

时间同步应用程序的设计思路如图3所示。

根据图3，可以得知利用天津本地电话网管系统实现交换机时间同步需要解决以下几个问题：

（1）确保长途电话交换局与本地固话网中电话交换局时间的一致性

这里时间源的选择是首先要解决的问题。就是说，是以外部时间源为主，还是以长途电话交换局的时间为主，应当首先将这个问题确定下来。如以外部时间源为主，常用的是GPS时间源，可采用不同精度的GPS授时机提供精确到毫秒（ms）甚至纳秒（ns）级的UTC时间。如以长途电话交换局的时间为时间源，可以保持本地固话网中的电话交换局与长途电话交换局时间一致，但时间源的精确性不高。因为本地固话网需要通过网管系统取得长途电话交换局的时间，中间会有延迟，尽管可以通过算法将延迟去掉，但在精确度上还是不如直接从GPS授时机提取的高。因此，还是应当以外时间源——GPS时间源为主。

（2）程控电话交换机时间设定的精度要求

程控交换机系统时间设定应该参照相关的规范，其中最关键的是确定允许的误差范围，即程控电话交换机时间与标准时间之间的误差范围。这个误差范围应小于规范的要求。
    （3）对程控电话交换机操作的周期

对程控电话交换机操作的周期与程控电话交换机时间设定的精度要求有关，精度要求越高，相应的操作的周期就越短。假如程控电话交换机的时间误差的要求为1s，那么相应校时的程序就有可能1天或更短的时间运行一次；假如程控电话交换机的时间误差要求为5s，那么相应的校时程序就需要一周或更长的时间运行一次。

（4）自动实现时间同步

正如前面讲过的，由于天津本地固话网对程控电话交换机时间的校正均是由手工完成的，因此相对误差较大，不能保证电话交换机的时间完全一致。如果通过网管系统来实现程控电话交换机的自动校时（即利用网管系统的计算机实现时间源的提取、整理以及与程控电话交换机的自动校时），就会使校时精度大大提高。

但是正如前面讲过的，程控电话交换机接入网管系统有RS232和TCP/IP两种接口，究竟采用哪一种呢？如采用RS232接口就需由大唐电信提供底层通信接口软件，而如采用TCP/IP接口，由网管中心自行开发底层通信接口软件就可以了。所以，通过权衡，还是应当采用TCP/IP接口。

    （5）保留人工时间同步的功能

在由网管实现自动校时的同时，还应保留人工校时的功能，以在程控电话交换机端口出现吊死等故障、不能进行自动校时的情况下，对管理人员有所提示，由管理人员重新激活程控电话交换机端口，进行人工时间校正。

所以，解决好以上几个问题，包括由网管中心自行开发相关软件，实现对时间源的自动提取、整理以及与程控电话交换机的自动校时，在技术上是可行的。

4.2 经济层面分析

通过比较，利用网管系统实现程控电话交换机的自动校时和同步在经济层面也是可行的，可有三大优势，即：

（1）经济优势

可以充分利用网管系统现有的信道，人力资源，使投资量减小，成本降低。

（2）人才优势

天津本地固话网管系统自1997年运行至今，培养了相当一批计算机软硬件技术人才。可以充分利用这批人才进行设计和软件开发。

（3）服务优势

网管中心可以对全网的通信设备进行7×24h实时监控、做到故障及时发现，并缩短排障时限，保障通信的畅通。因此要承担自动周期校时和同步的服务，以及对系统进行维护等，其优势是十分明显的。

5 利用电话网管系统自动实现交换机时间同步的方案

5.1 实现时间同步的网络结构

天津电信本地电话网管系统采用两级三层的网络结构，其网管中心为第一级，各区县局维护中心、长途维护中心及网管数据中心为第二级，市内各区域维护中心及网管数据中心为第三级，统一接入到网管数据中心。整个系统采用局域网和广域网相结合的技术。其网络结构如图4所示。

在第二级的局域平台上建立各自的UNIX接口机，其上运行各自的数据采集系统。在网管中心的建立UNIX时间服务器，使位于第二级的U-NIX接口机自动与UNIX时间服务器进行时间校正。校正后的UNIX接口机可以自行校正所接入的程控交换机的时间。

5.2 实现时间同步的Cient/Server体系结构

NTP时间服务器以两层式架构形成UNIX时间同步体系。位于阶层顶层（第一层）的时间服务直接与GPS授时机输出的UTC标准时间同步，同时计算出北京时间，并校正该服务本身的时间。第二层时间服务器则透过第一层时间服务器直接同步到北京时间。该层的每一台时间服务均以本身的时钟来维持某个精准度的时间，并自行在适当的校时周期向上一层服务器发出校时请求。

时间同步程序安装在接口机上，以校正的接口机UNIX系统时间为时间源，对所连接的程控交换机进行时间校正。

实现时间同步的Cient/Server体系结构如图5所示。

5.3 实现时间同步程序的结构化分析和技术设计

结构化分析和技术设计（SADT:Strutured Analysis and Desing Technique）是一种以人工为主的方法，以分析员提供了明确的规定，使其能够系统地进行需求分析。SADT由三部分组成，即功能模型、数据模型和管理指导书。

（1）时间同步程序的功能模型

时间同步程序的功能模型的设计如图6所示。

（2）客户端程控交换机时间同步的处理流程

客户端程控交换机时间同步的处理流程如图7所示。

(3)时间同步程序的数据文件设计

a.配置文件的设计
    用途：在接口机运行时间更新进程再启动时，读取初始化信息。
    内容有：
    公共信息部分
    本机处理的交换机个数；
    使用的网管用户名称和口令；
    操作周期；
    其他信息。
    私有信息部分
    交换机名称；
    交换机机型；
    交换机接入方式；
    交换机登记用户和口令；
    接口机端口号、速率，停止位、数据位和校验位；
    读时间的指令和写时间的指令；
    操作规程的成功信息和失败信息的关键字；
    b.日志文件
    用途：记录进程运行的错误信息和系统信息，记录交换机输出的信息。
    内容有：
    —错误信息
    错误号（编号统一）；
    错误产生时间；
    错误内容。
    —系统信息
    信息产生当前时间；
    错误内容。
    交换机输出信息
    交换机名（Title）；
    操作时间；
    原始信息内容。
    —调试信息
    变量的名称和数值；
    调试的信息。
    c.结果文件
    包括：
    交换机名；
    最后更新日期；
    与标准时间的差值；
    已更新的次数（大于一定值后，时间的差值基本为一个定值）。
    d.中间临时文件

6总结

经过两个月的编程与测试，目前，已经能够通过开发的时间同步软件自动提取全网程控交换机的时间，并与标准时间进行比对。实验结果表明该软件能够达到全网各个程控交换机时间误差在1s之内，具备了较好的同步效果，而且该系统投资少，操作简便易行，具有较大的推广价值。