CN1863207A - 一种用于通信网络的时钟同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通信网络中的时间同步方法，该通信网络包括网守和端点，该方法包括首先，端点向网守发送消息，并等待网守发来的包含时间戳的应答消息；若端点接收到网守发来的应答消息，则进入步骤3；否则，结束；该端点接收该应答消息，同时提取出其中的时间戳信息；该端点根据该时间戳信息计算出该网守的本地时间，并将该网守的本地时间设置成自己的本地时间。

Description

一种用于通信网络的时钟同步方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于通信网络的时钟同步方法和系统，特别涉及一种在通信网络中利用时间戳信息进行的时钟同步方法和系统。

背景技术

ITU-T(国际电联)建议的H.323协议族经过多年的发展，已成为VOIP(Voice over Internet Protocol，语音IP)及视频会议应用的主流工业标准。目前，遵照H.323协议族实现的H.323系统(按照原文)中，都包含GK(网守)和端点两部分组件。其中，GK是整个H.323系统的管理者，负责完成区域管理、接入控制、地址解析、带宽管理等功能，而端点主要包括终端(按照原文)、网关、MCU(多点控制单元)等。

H.323协议族建议定义了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。H.323呼叫建立过程涉及到三种信令：H.225.0RAS信令(R＝注册：Registration、A＝许可：Admission和S＝状态：Status)、Q.931呼叫信令和H.245控制信令。

其中H.225.0RAS信令用来完成端点与GK之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程；Q.931呼叫信令用来建立两个端点之间的连接；H.245控制信令用来传送端点到端点的控制消息。

由于上述H.323系统是运行在分组交换网络上的，而分组网络的特点是尽力传输，但不提供Qos(服务质量)方面的保障，也没有安全上的保障，因此，H.323系统的安全性是没有保证的。

正是基于安全的考虑，ITU-T又建议了H.235协议，该协议提出了一套安全机制，主要目的是为采用H.323协议族的多媒体通信系统提供认证、加密和完整性校验服务。该安全机制可应用于点到点和多点会议的端点，这些端点均采用ITU-T建议的H.225.0 RAS协议和Q.931呼叫信令协议，H.245控制协议与GK进行交互。

在H.235协议中规定，当端点设备向GK发送RAS信令、Q931呼叫信令或者H.245呼叫控制信令时，需要进行认证校验，认证中的数字时间戳服务要求客户端(端点设备)使用本地时间作为参数与认证服务器端(GK)交换认证信息包。其中，时间戳是安全校验过程中一个非常关键的参数，如果时间戳不对，GK就应该拒绝该端点，这样可以保证信令的有效性，防止恶意的攻击。H.235协议的前提就是网络中的各通信设备的时间都是同步的，在这个前提下，才能保证时间戳的有效性。

因此，在支持H.235协议的H.323通信系统中，保持时间同步是非常重要的，如果不能做到网络中的时间同步，那么系统就会遇到问题，而且认证过程中还有可能受到replay attack(重放攻击)。而H.235协议中仅规定了利用时间戳字段作为安全校验，并没有完全保证H.323系统的时间同步。

所谓的时间同步定义为将网络中的各种设备的时间信息(年月日时分秒)基于UTC(Universal Time Coordinated)时间偏差限定在足够小的范围内(如100ms)。

此外，各种网络计费系统中也要用到数字时间戳服务，所以也要求精确的时间同步。如果时间不同步，计费信息就不准确，会影响运营商和用户的利益。

另外，GK和终端等的各种设备(修改了)实时记录维护日志信息，也需要精确记录时间，利用时间提供的信息，可以帮助维护人员快速准确进行故障定位。

目前，NTP(Network Time Protocol)协议被用于实现时间同步，其可以在一个无序的网络环境下提供精确和健壮的时间服务。

NTP协议最早由美国Delaware大学的教授设计实现的。NTP协议主要用于将个人计算机客户或网络服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源。它使用UTC作为时间标准，是基于IP分组网络的UDP协议，使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备及进程延迟的严格控制。一般的计算机系统都支持NTP协议，并利用该协议来实现与internet网络或局域网的“精准时钟源”实现时间同步。

图1示出了NTP协议的系统结构图，参照图1说明该协议的基本过程如下。

图1中的两个应用服务器1、2和用户PC机3相对于Internet公开的时钟服务器来说，都为客户机，其周期性地向时钟服务器请求时间信息，时钟服务器用来同步客户机但不能被客户机同步。

客户机首先向时钟服务器发送一个NTP数据包，其中包含了该数据包离开客户机时的时间戳，当时钟服务器接收到该数据包时，依次填入数据包到达时的时间戳、交换包的源地址和目的地址、数据包离开时的时间戳，然后立即把数据包返回给客户机。客户机在接收到时钟服务器发来的响应包时再填入数据包返回时的时间戳。客户机用这些时间参数就能够计算出两个关键参数：包交换的往返延迟和客户机与服务器之间的时钟偏移。客户机使用时钟偏移来调整本地时钟，以使其时间与时钟服务器时间一致。这样，将NTP协议应用到H.323系统中，就可以保证H.323系统中GK主机、H.323计费系统和资源服务器三者之间的时间同步，其H.323系统的时间同步组网图如图2所示。

但是，由于H.323端点设备不支持NTP协议，因此，在H.323通信系统中，无法通过NTP协议来实现端点设备与GK或者其他时钟源之间的时间同步。

通过手工调节各个端点设备时钟可以达到时间同步。各端点设备都有自己的时钟，而且都给用户提供了友好的配置界面，其中用户可以设置时区，日期，时刻(时:分:秒)等时间参数。但是，当网络中的端点设备比较多时，手工调节的办法就比较困难了。

目前还有一些公司的产品通过制定私有的非标协议，来通知各端点设备调整时钟的方法来达到通信网络上的时间同步。但采用私有非标协议进行时间同步的方法，不同公司的产品之间由于不能理解各自的非标信息，无法实现时间同步，造成互通性不好，不利于推广使用。

发明内容

针对现有的实现时间同步技术和方法的不足，本发明的技术方案采用ITU-T的标准协议，同时解决了H.323端点设备与GK之间的时间同步问题，具备很好的互通性，实现方法简单有效。

因此，本发明提供了一种用于通信网络中的时间同步方法，该通信网络包括网守和端点，该方法包括步骤：

步骤1，端点向网守发送消息，并等待网守发来的包含时间戳的应答消息；

步骤2，若端点接收到网守发来的应答消息，则进入步骤3；否则，结束；

步骤3，该端点接收该应答消息，同时提取出其中的时间戳信息；

步骤4，该端点根据该时间戳信息计算出该网守的本地时间，并将该网守的本地时间设置成自己的本地时间。

本发明技术方案带来的有益效果是：

1)有效解决H.323端点与GK之间的时间同步问题。

2)本发明采用标准协议来实现，具备很好的互通性，容易推广。

3)本发明实现简单方便，对现有组网结构没有影响，也无需增加任何的设备投入。

本发明的原理、实用性及诸多优点在结合附图阅读时将从下面的详细描述中变得更加清楚。

附图说明

图1所示为现有技术的NTP协议系统结构图；

图2所示为现有技术的使用NTP协议进行时间同步的H.323系统组网图；

图3所示为本发明的通信网络结构图；

图4所示为本发明的H.323系统的端点和网守的结构图。

具体实施方式

我们知道，一个H.323系统包括多个GK域(它们分级进行级联，组成大的通信系统)，每一个GK域管理很多端点(注册容量可以从几个到几万个，甚至更多)，而GK实际上成了GK域的中心。利用这种系统结构，我们就把GK的时钟作为“权威的”的时间源，其它的端点只需要与这个时间源进行时间同步即可。

图3所示为本发明的通信网络的结构图。如图3所示，该网络包括了两个GK域1、GK域2和时钟源。其中GK域1包括GK1以及与之连接的三个端点T1-T3，GK域2包括GK2以及与之连接的三个端点T4-T6。GK1和GK2都连接至时钟源，通过NTP协议实现GK1和GK2与时钟源的时钟同步。需要说明的是，图2仅示出了两个GK域，但是本领域技术人员应该容易理解，GK域和与之连接的端点的个数应该随实际情况而定。

图4进一步说明了本发明的端点以及GK的结构图。如图所示，端点T1-T6均包括发送装置，用于向各GK发送消息；接收装置，用于接收从GK发来的消息；GK也包括发送装置，用于向各端点发送消息；接收装置，用于接收从端点发来的消息；

各端点同时还包括：提取装置，用于根据接收装置接收到的消息提取出其中的时间戳信息；计算装置，用于根据该时间戳信息计算出网守的当地时间；时间设置装置，用于将本地时间设置成所计算出的网守的当地时间；

各GK还包括：提取装置，用于根据接收装置接收到的消息提取出其中的时间戳信息；计算装置，用于根据该时间戳信息计算出端点的当地时间；若所计算出的端点的当地时间与其本地时间之差大于预定值，则拒绝该端点。

上述具体结构将在下面的说明中更加清楚地描述。

使用本发明的通信网络结构，所有的端点T1-T6都能够使用一个公共的系统时钟，而不需要和该端点所在的本GK域外的系统进行时间同步，与本GK域外的同步工作，由GK通过NTP协议与精准时钟源来完成时间同步。本发明的技术方案通过实现H.323端点设备与GK之间的时间同步而达到H.323端点设备与网络时钟的时间同步的效果。

下面主要描述H.323端点设备与GK之间的时间同步的方法，为了更好地理解本发明，首先简要描述H.235协议中的认证过程。

H.323端点采用密码认证向GK注册，GK根据H.225.0 RAS信令，呼叫信令和H.245控制信令中携带的CryptoH323Token类型和ClearToken类型的字段信息进行认证、加密和完整性校验，而这两个类型的字段信息中均包括TimeStamp信息。下面给出这相关类型字段的简要说明(详细可参考H.235协议和H.225.0协议)：

CryptoH323Token::=CHOICE

{

  cryptoEPPwdHash SEQUENCE

    {

        alias        AliasAddress,   --别名地址

        timeStamp TimeStamp,   -- 时间戳

        token     HASHED {  EncodedPwdCertToken  --其中的generalID设置为′alias′}

   },

   cryptoGKPwdHash  SEQUENCE

{

        gatekeeperId GatekeeperIdentifier,--GK的GatekeeperID标识

        timeStamp TimeStamp,    --时间戳

        token HASHED {EncodedPwdCertToken --其中的generalID设置为 Gatekeeperid}

  },

        cryptoEPPwdEncr ENCRYPTED { EncodedPwdCertToken --其中的generalID设置为Gatekeeperid},

        cryptoGKPwdEncr     ENCRYPTED  { EncodedPwdCertToken--其中的generalID设置为Gatekeeperid},

        cryptoEPCert     SIGNED{ EncodedPwdCertToken --其中的generalID设置为Gatekeeperid},

        cryptoGKCert     SIGNED{ EncodedPwdCertToken --其中的generalID设置为alias},

        cryptoFastStart  SIGNED{ EncodedFastStartToken},

        nestedcryptoToken   CryptoToken,

  …

}

这里，我们只关心CryptoToken类型的结构，该类型结构中又包括cryptoHashedToken类型的字段结构，cryptoHashedToken类型的结构包括三个基本的字段信息，具体定义如下：

cryptoHashedToken

{

tokenOID    OBJECT IDENTIFIER    --类型标识

hashedVals  ClearToken

token       HASHED

}

其中ClearToken类型的结构包括六个基本的字段信息，具体定义如下：

ClearToken

{

tokenOID   OBJECT   IDENTIFIER,       --类型标识

timeStamp  TimeStamp,        --时间戳

random     RandomVal          --32位的整数值

generalID  OCTET STRING          --接收方的ID标识

sendersID  OCTET STRING          --发送方的ID标识

dhkey      DhKey            --用来传递Diffie-Hellman参数

}

而其中的HASHED类型的字段结构包括三个基本的字段信息，具体定义如下：

HASHED

{

algorithmOID  OBJECT  IDENTIFIER   -- 算法标识

params        Params          -- 可设置位NULL

hash          Hash           - - 认证值，通过HMAC-SHA1-96算法计算出来

}

本发明利用H.235协议中的时间戳字段实现端点与GK之间的时间同步。

下面结合图3和图4，以端点T1与GK1之间的时间同步过程为例，描述本发明的时间同步方法。T2-T6与GK2之间的时钟同步的方法与之类似。

首先，在端点T1还没有在某个GK注册之前，会通过发送装置先向整个网络发起单播或者组播的GRQ(关守发现请求)消息，寻找合适的GK来注册；

GK发现(Gatekeeper discovery)是端点用来决定在哪一个GK上注册的过程。这一过程可以是人工的也可以是自动的。

人工发现方式是通过预先配置的方法来决定端点和哪一个GK进行连接。端点用与其连接的GK的传输地址进行配置。例如，该地址可以输入到端点配置中，或者输入到一个初始化文件中。这样，端点预先知道与其连接的GK，端点便能够注册到该GK。使用人工发现的方式，T1直接向网络中的GK1发起单播的GRQ消息。

自动发现方式允许端点和GK之间的连接随时可以改变。端点可能不知道其属于哪一个GK，或者由于连接失败需要确定另一个GK。这可以通过自动发现来完成的。因此，T1向网络中的所有GK发起组播的GRQ消息。

对于使用人工发现方式，在T1向GK1发出GRQ消息后，GK1通过接收装置接收到该消息，如果GK1允许T1的注册，则通过其中的发送装置发送给T1一个GCF(网守确认)回应消息；

对于使用自动发现方式，在T1向网络中的所有GK发起组播的GRQ消息后，如果远端某个GK(仍以GK1为例)允许T1的注册，则给T1回应GCF消息；如果某个GK不希望该端点在其上注册，则返回GRJ(GK拒绝，GatekeeperReject)消息；如果不止一个GK作出响应，端点可以选择它想使用的GK(仍以GK1为例)。此时，端点就知道它注册在哪一个GK上。

然后，T1的接收装置接收到GK1的GCF消息后，其中的提取装置会从该消息的cryptoTokens字段中获取GKID(该实施例中为GK1的ID)和基准时间timestamps信息，GKID作为后续发送信令(例如：RRQ、ARQ等信令)的基础，这属于现有协议中规定好的了，不再赘述；

在GCF消息的timestamp字段中带回的基准时钟信息存放的是：自1970年1月1日零时零分零秒起到当前时刻的秒差(s)，具体可参照在H.235协议的附录H.235ASN.1中规定，即

TimeStamp::＝INTEGER(1..4294967295)    -----seconds since 00:001/1/1970 UTC。

端点T1根据timestamp字段得到GK1的基准时间，然后其中的计算装置根据该基准信息换算出GK1当前的时间：年月日，时分秒，然后其中的设置装置再把本地的时间设置成换算出来的时间，从而达到T1与GK1之间的同步。

当设置了一次时间同步后，端点T1以后发给GK1的所有非GRQ信令中，都会在cryptoTokens字段中的timestamps中填写端点T1当前的运行时间。

如果设置一次后，GK的提取装置从端点T1以后发来的向GK发送的RRQ(注册请求)消息中提取出timestamps信息，然后其中的计算装置计算出T1的时间与GK当前时间之差，若该时间差不在误差范围(该范围一般为“本地时间+网络传输延迟”)内，则GK对端点T1发来的RRQ信令进行时间戳校验就会失败，即GK将拒绝该RRQ消息，并在该拒绝消息中发送H.235校验失败原因，终端T1收到拒绝消息后，还可以重新向网络发送GRQ消息寻找新的GK进行注册，同时重新同步时间。经过多次如上调整，直到T1与一个合适的GK实现时间同步。

如果端点T1在向GK1注册后，并且运行了一段时间，时间偏差不在误差范围内，当端点T1发XRQ(X代表多个，如：RRQ，ARQ，URQ，BRQ，DRQ，LRQ，IRQ等RAS信令)的RAS信令给GK1时，GK1就会回应XRJ(其中的X代表多个，如：RRJ，ARJ，URJ，BRJ，DRJ，LRJ，IRJ等RAS信令)的RAS信令表示拒绝端点T1，并设置标准拒绝原因为securityDenial(安全拒绝)。端点T1收到XRJ消息后，知道安全校验失败，就会重新向网络发起单播或者组播的GRQ请求消息，寻找合适的GK来注册。允许注册的GK就会回应携带基准时钟的GCF给端点，收到GCF的端点就会根据基准时钟再次调整本地时钟，过程如上所述。

上述描述的时间同步过程(即端点发送GRQ消息寻找GK注册，并根据GK返回GCF消息的时间戳字段进行时间同步的过程)，仅仅在网守发现阶段来进行，主要涉及GRQ/GCF消息。其实，GK域内时间同步也可以在其他阶段进行，例如：可以在端点注册的过程，主要涉及RRQ，RCF，RRJ消息；端点发起呼叫的过程，主要涉及ARQ，ACF，ARJ消息。从理论上说，只要GK利用给端点返回的消息中带有时间戳字段，该消息可以是RAS，Q.931，H.245类型的消息，端点都可以根据该时间戳中填写的精准时间来调整自身的时钟，从而达到时间同步。当然，考虑到通信系统的安全性，以及实现的简易性等因素，这里只推荐较好的实现过程。即在网守发现阶段进行时间同步。至于在其他阶段实现时间同步的过程，在原理上与此相通。

综上所述，根据本发明的时间同步方法，首先，通过NTP协议来实现GK之间的同步，确保GK域之间的时间同步；接着各个GK域，均以GK为核心，通过RAS信令中携带的H235协议的cryptoTokens字段，使得整个GK域中的所有的端点与GK之间实现时钟同步，并为确保它们之间始终时钟同步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于通信网络中的时间同步方法，该通信网络包括网守和端点，该方法包括步骤：

步骤1，端点向网守发送消息，并等待网守发来的包含时间戳的应答消息；

步骤2，若端点接收到网守发来的应答消息，则进入步骤3；否则，结束；

步骤3，该端点接收该应答消息，同时提取出其中的时间戳信息；

步骤4，该端点根据该时间戳信息计算出该网守的本地时间，并将该网守的本地时间设置成自己的本地时间。

2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：

所述网守通过NTP协议与一时钟源进行同步。

3.根据权利要求1或2所述的时间同步方法，其特征在于：

所述步骤1中端点向网守发送的消息为网守发现消息。

4.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于：

所述步骤1中端点向一个网守发送消息。

5.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于：

所述步骤1中端点向多个网守发送消息。

6.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：

所述步骤1中端点向网守发送的消息为向网守进行注册的消息。

7.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：

所述步骤1中端点向网守发送的消息为向网守发起呼叫的消息。

8.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在步骤4之后还包括步骤：

步骤5，该端点向该网守进行注册，同时发送时间戳信息；

步骤6，网守根据该时间戳信息计算出该端点的本地时间，若该端点的本地时间与网守的时间差大于一预定值，则向该端点发送拒绝消息不允许其注册；若该端点的本地时间与网守的时间差小于该预定值，则允许其注册。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

若该网守允许该端点注册，还包括步骤：

该端点和网守在通信的过程中随时发送各自的时间戳信息，网守根据端点的时间戳信息判断该端点的时间是否与其同步，若该端点的时间与该网守的时间差大于预定值，则网守发送拒绝端点的消息给该端点。

10.一种通信网络，包括端点和网守，其中，

该端点包括接收装置，用于接收网守发送来的消息；

其特征在于，

该端点还包括：

提取装置，用于根据接收装置接收到的消息提取出其中的时间戳信息；

计算装置，用于根据该时间戳信息计算出网守的当地时间；

时间设置装置，用于将本地时间设置成所计算出的网守的当地时间。

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