CN112637137A - 基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统 - Google Patents

基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及时间同步技术领域，具体涉及一种基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统，包括获得钟差测量值ΔT，将ΔT划分为确定性变化部分和随机性变化部分；计算确定性变化部分的值并从ΔT中去除以得到监控参数值；根据监控参数值判断是否存在异常状态并决定时钟的更新方案。本专利通过对光纤时间同步系统的钟差进行动力学建模，将钟差的确定性变化部分和随机性变化部分分离，该方法可以提高延时攻击识别的能力，识别出潜在的攻击，有效提高光纤时间同步系统的安全性。

Description

基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统
技术领域
本发明涉及时间同步技术领域，具体涉及一种基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统。
背景技术
时间是记录各个事件持续长度和相互之间间隔的量。通过观测得到准确的时间信息后，将时间信息通过某种手段传递给用户使用，这种系统被称为时间同步系统。现有的时间同步系统包括微波授时，卫星授时，光纤授时等方案。光纤授时方案可以利用成熟的长距离大容量光通信技术和光网络的灵活组网特点，是一种重要的时间同步方案。
在实际的光纤时间同步系统中，延时攻击是影响时间同步系统时间同步精度的一种重要攻击手段。如何识别延时攻击是光纤时间同步系统面临的一个重要安全性问题。
针对以上列出的现有技术存在的缺陷，需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
为了克服上述内容中提到的现有技术存在的缺陷，本发明提供了基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法与系统，旨在通过对时间同步的钟差动力学过程进行数学物理建模，将时间同步钟差分为确定性变化部分和随机变化部分，可以提高光纤时间同步系统攻击识别的能力，识别出潜在的延时攻击，并进行预警，提高光纤时间同步系统的安全性。
为了实现上述目的，本发明中方法部分具体采用的技术方案是：
基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，应用于包含源端时钟和本地端时钟的时间同步系统，该方法可精准识别并去除由延时攻击引入的测量偏差和/或由测量引入的噪声，包括如下步骤：
获得钟差测量值ΔT，将ΔT划分为确定性变化部分和随机性变化部分；
计算确定性变化部分的值并从ΔT中去除以得到监控参数值；
当监控参数值超出预设范围值则判断为状态异常并视为受到延时攻击，进行攻击预警，本地端时钟不更新；
当监控参数值未超出预设范围值则判断为状态正常并视为未受到延时攻击，若前一次钟差测量时未受到延时攻击，则去除本次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步；若前一次钟差测量时受到延时攻击，则去除前一次攻击造成的偏差ΔTattack和两次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步。
上述公开的方法，通过将钟差确定性变化部分进行去除，减少了随即性变化部分的范围，能够更加准确地判断出是否存在延时攻击，从而可高效监控和实现时间同步。
进一步地，在计算钟差值时可采用多种可行的方案，利用多种模型进行模拟计算以得到钟差值，此处进行优化设置，选择其中一种具体可行的方案，按照二阶动力学模型获得钟差的计算值：
Figure BDA0002822603150000021
其中，对本地端时钟进行第k次更新的更新值为ΔTupdate(k)，τk表示第k-1次更新到第k次更新的时间间隔；ΔTpre(k)表示第k次更新前的实际钟差，ΔTpost(k)表示第k次更新后的实际钟差，
Figure BDA0002822603150000022
表示第k次更新前的实际钟差一阶导数，
Figure BDA0002822603150000031
表示第k次更新后的实际钟差一阶导数；wT(k)表示钟差的过程噪声，wT1(k)表示钟差一阶导数的过程噪声。
进一步的，若第k-1次更新时判定状态正常并进行了时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure BDA0002822603150000032
其中，
Figure BDA0002822603150000033
表示第k次计算得到的钟差一阶导数，ΔTM(k)表示第k次的钟差测量值，ΔTM(k-1)表示第k-1次的钟差测量值，ΔTupdate(k-1)表示第k-1次的本地时钟更新值，τk表示两次测量的时间间隔。
再进一步，由于第k-1次测量时未出现状态异常，而第k次测量的状态还未确定，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次检测的确定性修正部分进行修正：
Figure BDA0002822603150000034
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分。
进一步的，若第k-1次更新时判定状态异常且未进行时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure BDA0002822603150000035
其中，ΔTM(k-nnoattack)表示距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值，两次测量相隔nnoattack次。
再进一步，第k次测量的状态是否异常还未确定，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次的确定性修正部分进行修正：
Figure BDA0002822603150000036
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分，offset(k-1)为第k-1次更新的确定性修正部分。
进一步的，经过上述办法进行确定性变化部分修正后，已经确定了钟差的确定性变化部分，按照如下方法确定监控参数：
Iattack＝|ΔTM(k)-offset(k)|
如果Iattack<Ithresh，则判状态正常，视为未受到攻击，并对本地端时钟进行更新；如果Iattack>Ithresh，则判断状态异常，视为受到攻击，则本地端时钟不更新，同时对攻击进行预警。
进一步的，当状态正常对本地端时钟进行更新时，采用钟差测量值进行更新，即ΔTupdate(k)＝ΔTM(k)。
上述技术方案对时间同步的监控方法进行了说明，按照上述方法可识别出源端时钟与本地端时钟之间的钟差是否异常，是否受到延时攻击，并且能够以极高的识别能力识别出延时攻击的行为，及时对延时攻击导致的偏差进行纠正，确保本地端的时钟较好的同步性。本发明还公开了对时间同步的监控系统，采用该监控系统可实施上述监控方法。
具体的，本发明公开的监控系统采用如下方案。
基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，包括：
时间同步测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差变化确定量计算单元、监控参数计算单元；
钟差变化确定量计算单元，用于接收时间同步测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
监控参数计算单元，用于接收时间同步测量单元信号和钟差变化确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
本发明还公开了另一种时间同步监控系统，采用的方案如下。
基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，包括：
钟差测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差一阶导数计算单元、确定量计算单元；
钟差一阶导数计算单元，用于接收钟差测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
确定量计算单元，用于接收钟差测量值和钟差确定性变化部分，对钟差进行确定性修正；
监控参数计算单元，用于接收确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本专利通过对光纤时间同步系统的钟差进行动力学建模，将钟差的确定性变化部分和随机性变化部分分离，该方法可以提高延时攻击识别的能力，识别出潜在的攻击，有效提高光纤时间同步系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为时钟信号的传输示意图。
图2为钟差的监控过程示意图。
图3为实施例2中时间同步监控系统的示意图。
图4为实施例3中时间同步监控系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例1
如图1所示，由于存在钟差，网络时间需要间隔一定的时间进行校对并更新，以实现时间同步；通过源端时钟的时钟信号交互单元发送信号，通过光脉冲信号通道将信号传输至本地端时钟信号交互单元，与本地时钟进行对比以测出钟差。而测量偏差的存在加大了钟差，导致时间同步的难度加大；以及延时攻击的出现，更进一步加大了钟差和时间同步的难度。针对这些现象，本实施例提出了一种时间同步监控方法，能够高效识别出延时误差，提高时间同步的准确性。
具体的，本实施例采用的技术方案如下：
如图2所示，基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，应用于包含源端时钟和本地端时钟的时间同步系统，该方法可精准识别并去除由延时攻击引入的测量偏差和/或由测量引入的噪声，包括如下步骤：
S01：获得钟差测量值ΔT，将ΔT划分为确定性变化部分和随机性变化部分；
S02：计算确定性变化部分的值并从ΔT中去除以得到监控参数值；
S03：当监控参数值超出预设范围值则判断为状态异常并视为受到延时攻击，进行攻击预警，本地端时钟不更新；
S04：当监控参数值未超出预设范围值则判断为状态正常并视为未受到延时攻击，若前一次钟差测量时未受到延时攻击，则去除本次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步；若前一次钟差测量时受到延时攻击，则去除前一次攻击造成的偏差ΔTattack和两次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步。
上述公开的方法，通过将钟差确定性变化部分进行去除，减少了随即性变化部分的范围，能够更加准确地判断出是否存在延时攻击，从而可高效监控和实现时间同步。
在计算钟差值时可采用多种可行的方案，利用多种模型进行模拟计算以得到钟差值，本实施例进行优化设置，选择其中一种具体可行的方案，按照二阶动力学模型获得钟差的计算值：
Figure BDA0002822603150000071
其中，对本地端时钟进行第k次更新的更新值为ΔTupdate(k)，τk表示第k-1次更新到第k次更新的时间间隔；ΔTpre(k)表示第k次更新前的实际钟差，ΔTpost(k)表示第k次更新后的实际钟差，
Figure BDA0002822603150000072
表示第k次更新前的实际钟差一阶导数，
Figure BDA0002822603150000081
表示第k次更新后的实际钟差一阶导数；wT(k)表示钟差的过程噪声，wT1(k)表示钟差一阶导数的过程噪声。
在确定钟差的过程中，若第k-1次更新时判定状态正常并进行了时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure BDA0002822603150000082
其中，
Figure BDA0002822603150000083
表示第k次计算得到的钟差一阶导数，ΔTM(k)表示第k次的钟差测量值，ΔTM(k-1)表示第k-1次的钟差测量值，ΔTupdate(k-1)表示第k-1次的本地时钟更新值，τk表示两次测量的时间间隔。
由于第k-1次测量时未出现状态异常，而第k次测量的状态还未确定，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次检测的确定性修正部分进行修正：
Figure BDA0002822603150000084
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分。
再者，在确定钟差的过程中，若第k-1次更新时判定状态异常且未进行时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure BDA0002822603150000085
其中，ΔTM(k-nnoattack)表示距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值，两次测量相隔nnoattack次。
第k次测量的状态是否异常还未确定，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次的确定性修正部分进行修正：
Figure BDA0002822603150000086
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分，offset(k-1)为第k-1次更新的确定性修正部分。
经过上述办法进行确定性变化部分修正后，已经确定了钟差的确定性变化部分，按照如下方法确定监控参数：
Iattack＝|ΔTM(k)-offset(k)|
如果Iattack<Ithresh，则判状态正常，视为未受到攻击，并对本地端时钟进行更新；如果Iattack>Ithresh，则判断状态异常，视为受到攻击，则本地端时钟不更新，同时对攻击进行预警。
当状态正常对本地端时钟进行更新时，采用钟差测量值进行更新，即ΔTupdate(k)＝ΔTM(k)。
实施例2
上述实施例1对时间同步的监控方法进行了说明，按照上述方法可识别出源端时钟与本地端时钟之间的钟差是否异常，是否受到延时攻击，并且能够以极高的识别能力识别出延时攻击的行为，及时对延时攻击导致的偏差进行纠正，确保本地端的时钟较好的同步性。本实施例公开了对时间同步的监控系统，采用该监控系统可实施上述监控方法。
具体的，本实施例公开的监控系统采用如下方案。
如图3所示，基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，包括：
时间同步测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差变化确定量计算单元、监控参数计算单元；
钟差变化确定量计算单元，用于接收时间同步测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
监控参数计算单元，用于接收时间同步测量单元信号和钟差变化确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
实施例3
本实施例结合实际运用，公开了另一种时间同步监控系统，采用的方案如下。
如图4所示，基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，包括：
钟差测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差一阶导数计算单元、确定量计算单元；
钟差一阶导数计算单元，用于接收钟差测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
确定量计算单元，用于接收钟差测量值和钟差确定性变化部分，对钟差进行确定性修正；
监控参数计算单元，用于接收确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，应用于包含源端和本地端的时间同步系统，其特征在于去除由延时攻击引入的测量偏差和/或由测量引入的噪声，包括：
获得钟差测量值ΔT，将ΔT划分为确定性变化部分和随机性变化部分；
计算确定性变化部分的值并从ΔT中去除以得到监控参数值；
当监控参数值超出预设范围值则判断为状态异常并视为受到延时攻击，进行攻击预警，本地端时钟不更新；
当监控参数值未超出预设范围值则判断为状态正常并视为未受到延时攻击，若前一次钟差测量时未受到延时攻击，则去除本次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步；若前一次钟差测量时受到延时攻击，则去除前一次攻击造成的偏差ΔTattack和两次测量噪声Wm后对本地端时钟进行更新以实现同步。
2.根据权利要求1所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，按照二阶动力学模型获得钟差的计算值：
Figure FDA0002822603140000011
Figure FDA0002822603140000012
其中，对本地端时钟进行第k次更新的更新值为ΔTupdate(k)，τk表示第k-1次更新到第k次更新的时间间隔；ΔTpre(k)表示第k次更新前的实际钟差，ΔTpost(k)表示第k次更新后的实际钟差，
Figure FDA0002822603140000013
表示第k次更新前的实际钟差一阶导数，
Figure FDA0002822603140000014
表示第k次更新后的实际钟差一阶导数；wT(k)表示钟差的过程噪声，wT1(k)表示钟差一阶导数的过程噪声。
3.根据权利要求2所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，若第k-1次更新时判定状态正常并进行了时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure FDA0002822603140000021
其中，
Figure FDA0002822603140000022
表示第k次计算得到的钟差一阶导数，ΔTM(k)表示第k次的钟差测量值，ΔTM(k-1)表示第k-1次的钟差测量值，ΔTupdate(k-1)表示第k-1次的本地时钟更新值，τk表示两次测量的时间间隔。
4.根据权利要求3所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次检测的确定性修正部分进行修正：
Figure FDA0002822603140000023
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分。
5.根据权利要求2所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，若第k-1次更新时判定状态异常且未进行时钟更新，则第k次更新前的钟差一阶导数采用如下方式确定：
Figure FDA0002822603140000024
其中，ΔTM(k-nnoattack)表示距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值，两次测量相隔nnoattack次。
6.根据权利要求5所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，根据距离第k次测量最近的一次状态正常的钟差测量值ΔTM(k-nnoattack)，按照如下方法对第k次的确定性修正部分进行修正：
Figure FDA0002822603140000025
其中，offset(k)为第k次更新的确定性修正部分，offset(k-1)为第k-1次更新的确定性修正部分。
7.根据权利要求4或6所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，按照如下方法确定监控参数：
Iattack＝|ΔTM(k)-offset(k)|
如果Iattack<Ithresh，则判状态正常，视为未受到攻击，并对本地端时钟进行更新；如果Iattack>Ithresh，则判断状态异常，视为受到攻击，则本地端时钟不更新，同时对攻击进行预警。
8.根据权利要求7所述的基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控方法，其特征在于，当状态正常对本地端时钟进行更新时，采用钟差测量值进行更新，即ΔTupdate(k)＝ΔTM(k)。
9.基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，其特征在于，包括：
时间同步测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差变化确定量计算单元、监控参数计算单元；
钟差变化确定量计算单元，用于接收时间同步测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
监控参数计算单元，用于接收时间同步测量单元信号和钟差变化确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
10.基于钟差动力学模型的光纤时间同步监控系统，其特征在于，包括：
钟差测量单元，用于测定源端和本地端的钟差，并将钟差分别发送至钟差一阶导数计算单元、确定量计算单元；
钟差一阶导数计算单元，用于接收钟差测量单元信号，计算钟差的确定性变化部分，并接收反馈信息；
确定量计算单元，用于接收钟差测量值和钟差确定性变化部分，对钟差进行确定性修正；
监控参数计算单元，用于接收确定量计算单元信号，并通过钟差计算监控参数；
状态判断单元，用于接收监控参数计算单元信号，对比监控参数与设定阈值，从而判断出状态正常或状态异常，并提供反馈信息；
预警单元，用于接收状态判断单元的信号并进行预警；
时钟更新单元，用于接收状态判断单元的信号并更新本地端时钟。
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