【導讀】電信、公用事業(yè)、運輸和國防等關(guān)鍵基礎設施服務(wù)具有國家戰略級重要性。美國網(wǎng)絡(luò )安全和基礎設施安全局（CISA）列出了16個(gè)被認為對安全至關(guān)重要的此類(lèi)部門(mén)。第21號總統政策指令（PPD-21）：《關(guān)鍵基礎設施安全和彈性》提出了一項國家政策，旨在加強和維護關(guān)鍵基礎設施的安全性、運作性和彈性。
電信、公用事業(yè)、運輸和國防等關(guān)鍵基礎設施服務(wù)具有國家戰略級重要性。美國網(wǎng)絡(luò )安全和基礎設施安全局（CISA）列出了16個(gè)被認為對安全至關(guān)重要的此類(lèi)部門(mén)。第21號總統政策指令（PPD-21）：《關(guān)鍵基礎設施安全和彈性》提出了一項國家政策，旨在加強和維護關(guān)鍵基礎設施的安全性、運作性和彈性。
定位、導航和授時(shí)（PNT）共同構成了國家關(guān)鍵基礎設施正常運作的必要條件。然而，廣泛采用全球定位系統（GPS）作為PNT信息的主要來(lái)源會(huì )引入漏洞。CISA通過(guò)國家風(fēng)險管理中心與政府和行業(yè)合作伙伴合作，目的是增強美國國家PNT生態(tài)系統的安全性和彈性。2020年初簽署的第13905號行政命令（E.O.）《通過(guò)負責任地使用定位、導航與授時(shí)（PNT）服務(wù)來(lái)增強國家彈性》通過(guò)政策推廣來(lái)加強政府和基礎設施運營(yíng)商對PNT服務(wù)的負責任運用。
下面概述了成本考慮因素并探索了關(guān)鍵基礎設施有助于增強PNT（重點(diǎn)是同步和精確授時(shí)）的三個(gè)關(guān)鍵要素：冗余、彈性和安全性。
評估成本和位置
運營(yíng)商通常很難對與在架構每一層上部署彈性、冗余和安全性相關(guān)的成本進(jìn)行調整。全新的授時(shí)和同步解決方案及設計選擇有助于形成合理的成本結構，提供穩健且可靠的解決方案。
成本和解決方案類(lèi)型之間的問(wèn)題通常與考量的部署位置有關(guān)。隨著(zhù)技術(shù)的演進(jìn)，例如SDH/TDM向以太網(wǎng)的遷移以及移動(dòng)LTE/4G和5G的開(kāi)發(fā)，集群辦公室（特別是位于邊緣的網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)）的數量激增。這必然導致設備變得更?。ㄍǔＪ?-U機架可安裝設備），并且成本與小尺寸邊緣基站（小型蜂窩網(wǎng)和gNodeB）一致。
運營(yíng)商面臨著(zhù)這樣一個(gè)問(wèn)題：在這種環(huán)境下提供冗余、彈性和安全性的最佳方式是什么？需要考慮兩個(gè)核心層級——架構級和設計級。
探索冗余
可以通過(guò)部署兩端（東/西）的核心功能來(lái)設計架構級的冗余，借助雙重路徑實(shí)現方向冗余并利用高性能功能實(shí)現長(cháng)距離高效高精度時(shí)間傳輸，從而實(shí)現經(jīng)濟高效的分布。虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）架構便是此類(lèi)架構級解決方案。
設備本身也可以考慮使用冗余。此時(shí)，設計的選擇至關(guān)重要。小型設備實(shí)際上無(wú)法通過(guò)模塊化硬件冗余進(jìn)行經(jīng)濟高效的設計。這里的創(chuàng )新是提供軟件冗余，以便部署低成本、高效率且高性能的分布式解決方案。硬件模塊通常很貴，原因有兩個(gè)：一是成本；二是冗余模塊會(huì )占用另一個(gè)模塊（通常用于輸入和輸出端口）的空間。
硬件模塊冗余通常會(huì )導致在增加冗余和喪失功能之間做出權衡，例如，如果支持冗余，則需要在10G以太網(wǎng)（GE）支持或多頻段全球導航衛星系統（GNSS）之間進(jìn)行選擇或者做出其他妥協(xié)。另一方面，采用軟件冗余時(shí)，則不必做出權衡。這就是說(shuō)，可以在保留所有現有功能的同時(shí)引入冗余，不必去除輸入或輸出，也不必棄用多頻段GNSS功能。冗余是通過(guò)軟件升級引入的，因此不會(huì )移除任何硬件。然而，硬件冗余意味著(zhù)在設備內部使用類(lèi)似模塊復制現有模塊；新模塊會(huì )占用現有模塊的插槽，現有模塊從單元中移除時(shí)即會(huì )喪失功能。
圖1給出了通常部署的冗余用例，其中包含兩個(gè)使用虛擬路由器冗余協(xié)議（VRRP）的聚合路由器。
圖1：工作單元和備用單元之間的冗余連接示例
軟件冗余是一種基于兩個(gè)價(jià)格合理設備的雙單元方案，一個(gè)單元處于工作狀態(tài)，另一個(gè)單元處于備用狀態(tài)。這種方案更加經(jīng)濟高效：首先，它不涉及包含昂貴硬件模塊的高成本設備設計；其次，每個(gè)單元（不工作狀態(tài)和工作狀態(tài)）均保留其所有功能，而硬件冗余設計涉及在設備中復制模塊，由于要給冗余的模塊讓出位置，很可能會(huì )縮減現有的功能。此外，由于工作單元和備用單元相同，因此軟件冗余是整個(gè)設備的總冗余。所有功能都是冗余的，包括振蕩器、GNSS接收機、端口和輸入/輸出，而硬件模塊僅在其自身功能（而非單元的其余部分）方面是冗余的。
充分利用彈性
架構級的彈性是網(wǎng)絡(luò )設計的關(guān)鍵，目的是確保部署中的主時(shí)鐘（grandmaster）可以彼此相連。一些主時(shí)鐘連接到GNSS并將其作為時(shí)間和頻率的來(lái)源。務(wù)必將這些系統與其他1588主時(shí)鐘相連以實(shí)現輔助部分時(shí)間支持（APTS）并利用自動(dòng)不對稱(chēng)校正（AAC）等關(guān)鍵創(chuàng )新。AAC是彈性設計中的關(guān)鍵（專(zhuān)利）優(yōu)勢，能夠校準可能由PTP流使用的通向/來(lái)自上行主時(shí)鐘的不同路徑，從而可在GNSS于主時(shí)鐘位置失敗時(shí)實(shí)現備份。上行主時(shí)鐘的備份路徑可以保證不間斷的精確授時(shí)和相位操作。此架構確保在GNSS發(fā)生中斷時(shí)可以通過(guò)IEEE 1588精確授時(shí)協(xié)議（PTP）對其進(jìn)行備份，而且利用了最佳路徑。
另一種架構選擇是虛擬PRTC（vPRTC），它支持運營(yíng)商通過(guò)使用PTP的高性能邊界時(shí)鐘鏈來(lái)利用冗余和彈性在長(cháng)距離上實(shí)現高精度（通常在光網(wǎng)絡(luò )上）；這種架構減少了對GNSS的依賴(lài)，并使用PTP作為其主要時(shí)間和相位來(lái)源。
圖2給出了具有專(zhuān)用光授時(shí)通道（OTC）的光網(wǎng)絡(luò )部署，這種部署可在較長(cháng)的距離上實(shí)現高精度相位分布。
圖2：具有OTC的光網(wǎng)絡(luò )部署
設備級的彈性從正確選擇振蕩器開(kāi)始（從OCXO到原子鐘（銣）），具體取決于位置、用例和相應的計時(shí)保持性能要求。此外，GNSS接收機的選擇十分關(guān)鍵，因為一些接收機通常支持單一頻率，但電離層現象會(huì )在周期性事件（如太陽(yáng)風(fēng)暴）期間產(chǎn)生相當大的延時(shí)；為了減小此類(lèi)延時(shí)，需要使用多頻段GNSS接收機。
圖3對比了由于電離層效應導致的單頻段延時(shí)和多頻段延時(shí)，并給出了多頻段如何明顯減小時(shí)間誤差（用紅色突出顯示）。
GNSS衛星以多個(gè)頻段發(fā)送時(shí)間信息。不同頻率信號之間的延時(shí)差異提供了電離層對絕對延時(shí)造成的影響的信息。利用這些信息，多頻段GNSS接收機便可補償從衛星發(fā)送到接收機的無(wú)線(xiàn)電信號的延時(shí)差異。嵌入多頻段接收機可減小此類(lèi)延時(shí)，這對于需要40 ns的B類(lèi)主參考時(shí)鐘（PRTC-B）以及30 ns的增強型PRTC（ePRTC）的應用至關(guān)重要。
這些設備設計的選擇也同樣重要。GNSS接收機既可以嵌入到主板上的單元內，也可以作為硬件模塊提供，但后者通常需要額外的成本，而且可能需要拆卸和更換現有模塊。更可取的做法是，采用已啟用多頻段接收機的單元并通過(guò)許可證開(kāi)啟多頻段功能，而不是在硬件模塊上提供多頻段選項，因為后一種做法需要與其他重要功能進(jìn)行權衡。
評估安全性
安全至關(guān)重要。通過(guò)終端接入控制器訪(fǎng)問(wèn)控制系統+（TACACS+）和遠程身份驗證撥入用戶(hù)服務(wù)（RADIUS）等標準機制進(jìn)行身份驗證和授權可提供標準安全框架的優(yōu)勢。此外，雙因素身份驗證（2FA）是一層額外的保護，并非僅僅通過(guò)用戶(hù)名和密碼確保帳戶(hù)的安全。
另外，務(wù)必為安全外殼（SSH）擴展提供不同級別的安全配置文件，以便針對用戶(hù)類(lèi)型以及相關(guān)的訪(fǎng)問(wèn)權限和限制提供更多粒度。提供高安全性配置文件可定義和執行最嚴格的系統訪(fǎng)問(wèn)規則。
需要解決腳本漏洞以及相關(guān)的常見(jiàn)漏洞和暴露（CVE?）問(wèn)題，以確保審查和解決所有潛在的安全漏洞。
此外，不斷演變的干擾和欺騙威脅需要成為精確授時(shí)安全策略的一部分，并通過(guò)信號監測、一致性檢查和修復來(lái)實(shí)現?？梢岳米詣?dòng)增益控制（AGC）和其他指標提供閾值，并解釋對應結果以及出現相應結果時(shí)的緩解措施。
最終決策
為了確保持續的性能，做出正確的架構選擇十分關(guān)鍵。全面的網(wǎng)絡(luò )工程設計研究應包括需要部署主時(shí)鐘單元的位置及其性能和精度要求。這些步驟將指導說(shuō)明需要選擇哪種類(lèi)型的精確授時(shí)和同步設備。
此外，網(wǎng)絡(luò )規劃人員和同步工程師應特別注意設計選擇，例如無(wú)風(fēng)扇的設備與需要風(fēng)扇的設備、模塊化硬件冗余與軟件冗余、成本和權衡方面的相關(guān)優(yōu)勢，以及類(lèi)似有關(guān)嵌入式或模塊化GNSS的選擇。
這些選擇可以引導關(guān)鍵基礎設施運營(yíng)商在所有部署層級部署冗余、彈性和安全性。
（來(lái)源：Microchip，作者：頻率與時(shí)間系統業(yè)務(wù)部 新興產(chǎn)品主管Eric Colard）
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