白兔网。大家知道，1588同步协议使用的最重要的一个先决条件是上下行链路时延相等，如果上下行链路时延不相等，则同步精度大打折扣。但基于PTP协议的1588技术却无法检测到上下行链路时延的不对称问题。这种矛盾犹如一片乌云一直困扰着整个网络，“白兔”的出现把这个问题给解决了。今天（2020年4月21日），《IEEE Communications Magazine》更新了一篇文章，是讲时间同步在金融领域应用的，使用的就是“欧洲核子研究委员会（CERN）”推出的“白兔”同步协议。这也是少数介绍时间同步在金融领域的高频交易中起关键作用的文章，并且还跟“白兔”相关。

“白兔”是用于通用数据传输和同步的完全基于以太网的网络。它可以在长达10 km的光纤长度上以亚ns精度同步超过1000个节点。

“白兔”可能会被认为是5G时代最具有应用前景的时钟同步技术。也跟本公众号前面发表的文章《硬件定制的TOE也是美股频繁熔断的原因之一吗？》强相关。

“白兔”简介

大家知道，1588同步最基本的应用前提就是必须建立在上下行链路时延相等的基础上，如果上下行链路时延不相等，那么时间同步的精度就会大打折扣。根本问题在于：1588时间同步技术是基于PTP协议的，但PTP协议本身却无法检测到不对称性。如果已知不对称，PTP会对其进行纠正以提高同步精度。近两年来，笔者审阅了数十篇IEEE等杂志相关的1588同步的文章，大部分都是基于上下行链路时间补偿为对称时延从而提高同步精度的角度来写的，具体应用场景有EtherCAT、TTE、TSN等。物理层不对称性的某些来源可以通过适当的网络配置来消除，例如 从网络中排除路由器或非PTP网桥。另外，还有其他一些问题，特别是由于物理介质不对称性（即光纤双向通信中传播速度的差异）或PCB布局（即PHY与时间戳硬件之间的连接长度）引起的不准确度，需要通过适当的先验测量来获得。

White Rabbit解决了这些限制，以实现亚纳秒级的同步精度。它使用SyncE在物理介质上的整个网络中分配通用的频率概念。它将时间戳记问题植入相位检测测量中。这些精确测量的结果既可以在正常的PTP操作期间使用，也可以在校准阶段用于量化物理介质的不对称性。同步的改进性能无需增加PTP相关流量即可实现（实际上可以减少），因为PTP仅控制同步，而同步由SyncE完成。

White Rabbit是用于通用数据传输和同步的完全基于以太网的网络。它可以在长达10 km的光纤长度上以亚ns精度同步超过1000个节点。

2019年，基于白兔的IEEE 1588-2019（也就是PTPv2.1）的draft版本已通过了IEEE认定。

约十年前，欧洲核研究组织——欧洲核子研究委员会（CERN）推出了一项基于以太网的技术（代号“白兔”），旨在满足高速精确计时的需要。该技术已广泛分布于许多应用程序中，包括100 G以太网和5G移动通信网络、智能电网、高频交易及地理定位系统。“白兔”以《爱丽丝梦游奇境》故事中的兔子命名，其基于并且兼容标准的机制，如PTPv2 (IEEE-1588v2)和同步以太网，但对其稍加修正又可以实现亚毫微秒的精准性。“白兔”本身便可在远程链接中进行自我校正，并可将时间分配至大量的设备中，且不会对设备产生的很大的影响。

白兔相关的经典论文如下：

WRPTP性能的测量结果表明，在5km的光纤链路上，亚纳秒精度，低于10ps的精度和降低的PTP消息交换率。实施测试显示与现有PTP装置完全兼容。

White Rabbit可以看作是PTP的扩展。此扩展称为WRPTP，定义了自己的PTP配置文件，并描述了所有特定于WR的机制，这些机制需要由节点/交换机实现以实现与另一个节点/交换机的亚纳秒级同步。通过逐步和/或部分升级到WRPTP，与PTP的兼容性使WR更有可能在现有的基于PTP的系统中使用。

WRN的目的是基于公认的标准，以确保其长寿命，广泛的支持和商业可行性。通过融合现有技术，对硬件进行支持并对其进行扩展，并且仍保持兼容，可以实现出色的结果。这包括亚ns级的高精度和鲁棒的同步精度，这被证明是最准确的已知PTP实现（ISPCS，2010年9月，美国），并使用基于FPGA的PLL设计实现了低于2ps集成抖动的频率传输性能。

起初，由位于西班牙格拉纳达的Seven Solutions公司协助设计“白兔”产品，其设计不仅包含电子产品，也涵盖固件和门逻辑。同时，公司还基于该技术提供定制化服务和交钥匙解决方案。“白兔”技术作为以太网技术的延展，是否可能出现在下一个高精度框架配置文件的精准时间协议标准(IEEE-1588v3)中，这正在进行详尽的评估。标准化将促使“白兔”技术与其它各种不同的技术进行融合。

“白兔”涵盖了大量的机制，以便在以太网扩展框架内优化其计时精度（以此保持以太网通信结构）。其将PTP、同步以太网和数字双混频时差（DMTD）相位跟踪集为一体。

“白兔”内核（WRC）中应用的同步机制包含以下元素：

• 物理层调整：所有网络设备使用相同的物理层时钟。时钟在以太网载波中编码，并由接收器芯片恢复。相位检测允许亚纳秒延迟测量。

• 数字双混频器时差：用于精确的相位测量。用FPGA和SoftPLL实现。62.5MHz WR时钟和N = 14导致3.814kHz输出信号。

• 链路延迟模型：静态硬件延迟：TXM，RXM，TXS，RXS。半静态硬件延迟：M，S。光纤不对称系数a。

White Rabbit的相关资料和文章可以从以下链接下载：

https://ohwr.org/projects/white-rabbit。

因此，“白兔”已被公认为是5G时代最具有竞争力的时间同步协议。

“白兔”以太网交换机及端系统节点硬件结构

下图是具有WR功能的18端口千兆以太网交换机。光学收发器：最长10km，单模光纤。

交换机内部采用Xilinx Virtex6 FPGA作为核心器件。交换机内部模块连接关系如下：

FPGA内部模块划分如下图，从图中可以看出内部交换结构采用基于Wishbone的crossbar交换结构。交换机内部的详细实现以及详细的时钟同步内容请参考Tomasz Włostowski的硕士论文《Precise time and frequency transfer in a White Rabbit network》。

https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/Documents/Tom's-Master-thesis。

端系统节点（WR节点）称为SPEC板（基于FMC的硬件套件）。所有运营商卡均配有“白兔”端口。Mezzanines可以使用准确的时钟信号和“ TAI”（同步采样时钟，触发时间标签等）。

White Rabbit PTP Core的内部结构如下。显示了White Rabbit PTP Core HDL设计的完整框图。它由与流水线Wishbone接口通信的独立模块组成。它们都与两个Wishbone Crossbar互连，并由LatticeMicro32 32位RISC软核CPU或外部Wishbone Master进行管理。 该项目包括两个时钟域，以放松综合时序约束。一组是与千兆位以太网，时间戳记计数器和1-PPS生成直接相关的所有模块。它们使用125MHz时钟，而所有其他模块均使用较慢的62.5MHz信号作为时钟。更详细内容请参照Grzegorz Daniluk硕士论文《White Rabbit PTP Core the sub-nanosecond time synchronization over Ethernet》。

https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/Documents/Greg's-Master-thesis。

WR网络可通过以太网进行时钟分配：用单根光纤代替数十根电缆。可在远距离工作，而不会降低信号质量。可以通过单个标准链接提供各种时钟（许多环和直线加速器的RF）。

WRR网络可实现分布式示波器：整个网络中的通用时钟：ADC之间没有偏差。能够通过分布式DDS使用不同的时钟进行采样。外部触发器可以用TDC进行时间标记，并用于在操作员的PC中重建原始时基。

另外，交换机和端节点可商购。现在的工作围绕改善WR网络的诊断和远程管理，以及改善相位噪声和执行广泛的网络压力测试。IEEE 1588修订过程正在进行中，并且包含一个专门针对“白兔”的小组委员会（高精度），修订草案已于2019年表决通过。基于冗余信息以及冗余光纤和交换机之间的快速切换将是未来的一个研究方向。

“白兔”以太网交换机在射电望远镜中的应用

白兔（WR）以太网硬件是在检测器之间准确分配时间的重要设备。WR的用途之一是分发参考时钟的信号，例如原子钟中的计时设备氢气maser（H-maser）。WR使通过长度补偿的光纤网络进行时间和频率分配成为可能，并允许在检测器之间进行亚纳秒级的时间分配。对原始开发的WR的升级可以允许将单个H-maser的时间和频率转移到长距离（> 100 km）上的许多客户，而不会显着降低稳定性。与使用多个H-maser相比，此解决方案的成本大大降低。

白兔以太网交换机，具有低抖动子板和锁相振荡器（PLL）

为了提高相位噪声和光纤链路上射频的稳定性，对市售的WR以太网交换机进行了升级，使其具有低抖动子板和锁相振荡器。然后在实验室条件下进行测试。低抖动子板改善了相位噪声并提高了所传输无线电频率的稳定性。锁相振荡器进一步改善了相位噪声和短期稳定性，从而可以达到H-maser的性能。为了表明性能有所改善，平均频率稳定性从1 s时的7x10-13降低到7000 s时的3x10-16，启用带宽为0.5 Hz。对于改进版本的WR设备，测得的RMS相位抖动（介于1 Hz和100 kHz之间）为0.18 ps，而对于默认WR设备，RMS相位抖动为13 ps。

升级后的硬件将用于Westerbork和Dwingeloo射电望远镜的H-maser，该射电望远镜用于超长基线干涉仪（VLBI）。

大型分布式射电望远镜基于天文干涉测量法起作用。这是一组分离的传感器，它们共同工作以提供理论上与阵列各组件之间的间距一样大的角度分辨率。这些设施需要共享一个共同的频率用于信号采样以及一个时间参考，以关联来自不同天线的信号。

许多望远镜和探测器放置在偏远地区，并在极端条件下运行，例如极端温度和干旱。在距贝加尔湖50公里的西伯利亚，使用Tunka先进的Gammy射线和宇宙射线天体物理学（TAIGA）项目，对White Rabbit（WR）硬件进行了现场条件测试。TAIGA项目将成像大气Cherenkov望远镜（IACT）与TAIGA高灵敏度宇宙原始Origin Explorer（HiSCORE）阵列的广角非成像光学探测器阵列相结合，以证明一种适用于大面积伽马射线的新型，高性价比技术望远镜，用于切伦科夫望远镜阵列（CTA）范围之外的能量。

TAIGA-HiSCORE站每个都包含四个大面积光电倍增管（PMT）和WR节点，这些节点可实现亚秒级时间校准分布在0.4 km2上的所有站。西伯利亚的设置允许在恶劣环境下比较各种类型的WR硬件，并可以长期监视这种复杂设置的稳定性。在2017-2018年冬季，正在进行WR硬件的现场测试。

带镜子和照相机的IACT。右侧的相机电子盒内部有一个WR设备（几乎可见）。在后台可以看到HiSCORE站。

在以亚纳秒精度定时模式常规运行HiSCORE阵列时，发现了意外的发现。国际空间站（ISS）每年以400公里的高度越过TAIGA HiSCORE探测器，并几次对准地面。完整的HiSCORE阵列同时被ISS / CATS-LIDAR超短激光脉冲照亮。该激光束被证明是独特的校准工具，并证明了稳定的WR操作。更重要的是，它首次允许在独立运行中验证TAIGA-HiSCORE的绝对天文指向性–这项任务通常需要消耗大量能量的天体物理学资源，远高于电流检测极限。

KM3NET：欧洲深海中微子望远镜

“白兔”在金融服务器中的应用

在物理上独立的数据中心模块之间分配时间（所有模块之间的距离都相当长）是一个难题。“白兔”使我们能够以亚纳秒的精度来管理时间戳设备的时钟。

监管部门正推动金融业对其大部分业务进行注册，并将其时间戳合法追溯至全球通用时间基准，且误差最高为1us。这给该行业带来了挑战，因为提供行业时间的最常用解决方案可能不符合要求。虽然典型的基于网络的解决方案在大型网络中使用时可能无法达到所需的时间精度水平，但基于卫星的选件很容易受到外部干扰或攻击。此外，当需要追溯到法定时间时，这两种方法都很难解决。我们建议的服务包括提供通过商用光纤网络进行白兔时间传输的性能，与合法时间基准相比连续不断地提供原子时钟的准确性以及具有24小时后保持能力优于1.5us的客户端节点的弹性。该设计已经应用，可以为西班牙股票市场运营商提供时间服务。我们的方法易于扩展，可用于从单个位置为大量客户提供面向未来的时间即服务解决方案。

近年来，同步和时间安排已成为增长和适应新的不同领域挑战的关键问题。在分布式科学机构，电信网络和金融部门中可以找到这种现象的主要例子。

蜂窝网络的第五代（5G）的出现推动了对更具挑战性的频率和定时同步要求。第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化文档指定了相位要求，严格要求为65 ns。

特别是，金融服务行业的主要参与者也表现出了对出于内部和外部原因（例如降低风险，内部测试以及从取证服务中提取信息的能力）而准确跟踪交易的兴趣。它们还受到欧洲金融服务市场指令（MiFID II）[1]和美国证券交易委员会（SEC）的综合审计追踪（CAT）等法规的推动。在发生诸如2010年闪电崩盘[2]之类的事件后，监管机构对密切监视市场的运作感兴趣，这表明未能充分保护投资者的信心免遭自动交易。

考虑到这些要求，我们已将结合冗余原子时间服务器，基于全球导航卫星系统（GNSS）的时间传输以及通过光纤分配的时间提供服务投入运营。所有这些元素结合在一起，以提供准确，可追溯和高度可用的服务。

在本文中，我们首先介绍了金融业在应对时间同步时必须解决的挑战。接下来，我们对上述法规的技术含义进行概述。然后，概述了该行业中的现有解决方案。最后，我们描述了已部署的时间分配服务，其独特功能以及其运行测试。

金融业的时间配置

传统上，交易是在人为干预下进行的，代理商交易的证券实际位于同一地点（即市场）。但是，自电信网络诞生以来，技术进步已被用来克服物理障碍。例如，在1930年代，纽芬兰与亚速尔群岛之间铺设的电报线为经纪人提供了一分钟的服务；然后，他们将知道大西洋两岸股票报价的差异。近年来，随着现代信息技术的发展和计算机网络的普及，交易已从交易大厅转移到电子市场。算法交易系统会按照预定义的策略自动下达买卖订单。对于许多证券而言，这类系统占了交易总量的很大一部分。更具体地说，这些算法交易系统的一个子集已经引起了公众和监管机构的关注：高频交易（HFT）[1]。

HFT可以粗略地定义为一种算法交易，在非常短的时间内涉及大量的操作。在这种情况下，网络延迟至关重要，因为在竞争对手可以成为成功竞标的关键之前几百纳秒的信息访问时间。因此，HFT公司将其设备放置在交换数据中心所在的同一位置。数据信号必须传输到HFT公司设备的距离是延迟的最大因素。通常，交换托管中心可确保所有客户在同一时间接收数据，以确保公平。

自本世纪初以来，监管机构开始关注算法交易的增长。2014年7月，由欧洲证券和市场管理局（ESMA）推动的MiFID II指令和《金融工具市场法规》（MiFIR）生效。欧洲联盟的力量。除其他目标外，该指令旨在更紧密地监控算法交易。在MiFID II下运作的HFT公司必须将其交易，系统和算法的记录存储至少五年。监管技术标准25详细说明了HFT公司必须遵守的与时间同步有关的要求。最相关的部分是：

时间戳记任何可报告事件的业务时钟必须与协调世界时（UTC）或卫星系统的定时信号同步。

交易场所的操作员，成员和参与者必须遵守与UTC的最大偏差100us，时间戳粒度为1 us或更佳。

必须通过记录系统设计，功能和规格来建立可追溯到UTC的系统。

请注意，这些要求适用于所有高频交易，这意味着这是最严格情况下的目标时间戳精度要求。尽管尚未进行审核以验证运营商和公司是否遵守规则，但公平交易的技术基础已经确定。在计时服务的设计，实施和操作中已经考虑了所有这些要求。

技术要求

本节简要概述了上一个列表中的每个技术要求的含义：与UTC同步，与UTC的差异以及可追溯性。

与UTC同步

UTC是目前使用的主要时间标准，由国家计量实验室和世界各地的其他计时中心，如美国国家标准与技术研究所(NIST)、德国的Physikalische Technische Bundesanstalt(PTB)和西班牙的Real Observatorio de la Armada(ROA)等国家计量实验室和其他计时中心维护的400多个原子钟所提供的数据相一致。UTC的每一个物理实现的UTC被称为UTC(k)，而UTC只是根据贡献计时中心报告的时间的加权平均数的事后计算。事实上，UTC是经过一定量的闰秒校正后，从国际原子时间（TAI）中得出的，目的是由于地球自转周期的不规则性，使UTC（基于定长日）与0子午线的平均太阳时间之间的差值保持在0.9秒以下。

选择UTC（k）本地表示作为参考是系统设计中的先前必要步骤。在某些情况下，可以通过规定使用UTC的国家代表的法规来确定此选择。第一个目标是有能力将用户设施使用的时间参考与具体的UTC(k)执行情况进行比较。

与UTC的差异

时钟是通过以恒定速率生成特定输出来测量时间步长的仪器。钟摆的摆动，石英晶体的振动，或者是铯-133原子的地层原子的两个超微细级之间的过渡所对应的9,192,631,770个周期的辐射的持续时间，如SI定义的秒[3]，都是不同尺度下作为计时源的事件的例子。

每个物理时钟都不完美，并且不会在理想时期内“滴答”。甚至更多，单个时钟会随时间稍微改变其速率。因此，如果不进行校正，两个不同的时钟将不可避免地彼此漂移。为了使时间源与UTC对齐，必须校正其时间及其速率（同步和同步）。另外，由于时间测量设备的噪声特性，即使可以在给定的瞬间完美地进行时间和频率校正，随着时间的流逝，某些误差也会再次出现。为了克服这个问题，必须建立一种反复纠正错误的机制。稍后将讨论最常用的技术。

可追溯性

建立实现UTC的可追溯性系统的要求意味着，通过记录完整的链条，可以将客户方幅度的测量与时间基准（UTC（k）或卫星系统的定时信号）相关。校准，每个都会导致测量不确定性。测量的可追溯性取决于三个要素[4]：

•校准：必须记录和补偿计时系统组件的内部延迟。

•确定不确定性：每次测量都必须附有结果质量的指示。

•监视和存储：连续轮询系统参数和永久存储带时间戳的相关事件，可作为检测故障并启用将来审核的方法。

法规中未直接提及但对任何服务必不可少的另一个要求是可用性。系统旨在确保一定水平的运行正常运行时间，通常在服务水平协议（SLA）中达成一致。系统部分的冗余和采取应急措施以最大程度地减少故障引起的干扰，这些都是提高服务可用性的示例。

在以下部分中，提供了在不同计时系统中使用的主要同步方法的概述。

同步技术

在金融行业中提供时间参考的最广泛部署的解决方案可以归类为提供从卫星系统获得时间的设备，以及通过数据包交换通过计算机网络提供服务的设备。

尽管基于GNSS的信号源可以达到几纳秒的时间精度，但是这些解决方案的主要缺点是它们容易受到干扰或欺骗攻击[5]。电子设备可以认为GNSS接收器由于恶意或意外干扰而无法使用。此外，在诸如城市峡谷之类的次优环境中，为了获得更好的性能而安装的大地天线可能会带来挑战，容易发生多径传播以及天空可见性差。由GNSS接收器传播到UTC的时间可以追溯，尽管这不是一个小问题，并且超出了本文的范围。

GNSS解决方案的弱点可以通过部署基于网络协议的时间和频率分配系统来克服。具有不同用例和性能的一些示例是：

•NTP：网络时间协议，它是一种始于1985年的普遍存在的协议，各种设备都使用它来获取一天中的时间。它通常可以将时间维持在几毫秒内；因此，它不适合先前所述的目的。但是，由于其广泛的支持，它通常与其他时间信号一起传播。它的基本原理是基于服务器-客户端交换的数据包，这些数据包包含软件生成的出发和到达时间的时间戳。这允许客户端获得网络路径延迟的估计，并将其时基与服务器的时间对齐。

•IEEE 1588，也称为精确时间协议（PTP）：在其当前版本中，它在理想条件下以主从方法提供的时间精度为100 ns以内（具体性能取决于实现）。数据包交换从根本上类似于NTP中的数据包交换，但是此协议实现了许多可选功能，这些功能大大减少了由网络和CPU负载差异引起的不确定性。自2008年版[6]以来，它已被电信行业广泛采用，其在金融领域的使用通常仅限于使用GNSS规范的大师控制的短距离网络。它在广域网中的使用带来了通常会影响性能的挑战[7]。

•白兔（WR）：这是一个由欧洲核研究组织（CERN），德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）和其他合作伙伴发起的开源合作项目，旨在重点开发基于确定性以太网的网络。准时转移[8]。该协议是对IEEE 1588 2008的扩展。它包含对标准的一系列改进，可实现低于1 ns的精度和几皮秒的精度。使之成为可能的机制是物理层同步，该物理层为终端节点提供参考信号的锁相副本，使用相位检测测量的时间戳记以及补偿固定和可变不对称性的链接模型。作为即将到来的IEEE 1588版本的高精度配置文件，WR被设置为成为IEEE标准。

还有其他的新型同步系统，主要是在研究场景中测试过的（如Huygens[9]），这些系统在没有时间专用硬件的情况下，精度远低于100ns。然而，它是基于概率论的方法，因此不适合这里描述的使用场景，因为它在长距离上会下降。

在这些协议中，WR是通过光纤进行长距离，高性能时间传输的最佳选择。它允许使用行业标准组件来提供服务，其典型性能超过了金融行业的要求，并且其实现包括可简化监视系统维护的软件工具。

当然，上述技术不是互相排斥的。精心设计的时间网络可以包括GNSS接收器，主要时间标准以及使用不同协议传播时间信号的设备。

前面的讨论表明，可追溯的，健壮的时间传播系统的实施并非易事。因此，许多Internet服务提供商和时间中心都以所谓的时间即服务（TaaS）为客户提供时间解决方案。在这种方法中，TaaS提供商负责向客户的设施传输可追溯的，高度准确的时间参考，并保证其可靠性和完整性。TaaS为公司提供金融部门客户的一些示例包括：

- NPLTime：这是英国国家物理实验室（NPL）提供的时间服务。它为客户提供使用IEEE 1588-2008分发的时间服务，通过专用通道或与PTP兼容的交换机可追溯到UTC（NPL）的精度超过100 ns。时间服务在链接[10]的中间点包括监视和备份参考。

- Top-IX：此Internet交换机提供时间服务，该服务将来自意大利计量院（INRiM）的UTC（IT）分发到使用WR设备连接到其网络的选定位置。已认证可追溯到UTC（IT）。

- GTT时间服务。在这种情况下，参考时钟通过GPS时间传输，不断地将参考时钟引导到UTC(NIST)，即NIST的UTC的表示方式[11]。它实现了时间不确定度小于15 ns的主时钟点的时间不确定度。时间由距离共址中心较近的主站通过PTP或NTP分配给客户。24小时后实现1us误差的保持，在主站侧提供保持。可追溯到UTC(NIST)。

在这种情况下，我们已经开展了一个项目，在马德里都会区提供时间和频率服务，该服务结合了GNSS时间传输，冗余功能和通过光纤的最新时间分配。下一节将提供详细说明及其操作结果。

连接拓扑结构

已部署的时间服务位于马德里西北部地区，将主要时间参考站点与BME（西班牙股票市场运营商）的数据中心连接起来。该光纤路径在Tres Cantos和Las Rozas之间有44公里，与Monte de El Pardo接壤。这条线路是由拥有卫星系统专业知识的企业集团GMV和提供时间传播领域专业知识的公司Seven Solutions共同合作完成的。

这种时间服务的一个显著特点是，其目的是减轻卫星解决方案的弱点。全球导航卫星系统并不直接用于传播时间参考。相反，时间是由自主原子钟产生的，而GNSS仅通过与UTC的时间比较来进行校正。

图1是该系统的体系结构图。它包括三个不同的阶段：冗余的主参考时钟、网络链路和客户端。

时间服务器硬件

提供时间参考的时间服务器是一个被动式的氢激光器（PHM）。这种原子钟产生了一个非常稳定的信号，被送入相位和频率偏移发生器。根据通过多频GNSS接收器将GNSS时间传输到国家UTC(k)，在此基础上，对输入频率进行小的修正，使输入频率向UTC方向引导。然后使用分配放大器为WR-ZEN提供足够的信号，作为主时钟。关于时间服务器的硬件、校准和操作，详细情况可参见[12]。

网络时间分配

每个硬件协议栈的末端都有一个WR-ZEN节点[13]，作为WR Grandmaster。两者通过一个链路分别连接到一个时间分配设备(WR-Z16)。该设备作为一个网关，完成两个基本作用：首先，它执行最佳主时钟算法(BMCA)，根据设备报告的质量参数选择在整个网络中传播的时间服务器。如果所选的基准出现故障，WR-Z16会执行切换操作，并将从备份基准中恢复的时间传播出去。该设备的另一个作用是通过WR、PTP和NTP协议，为多个客户或设备提供扇出。

图1. 链路结构概述。两个时间服务器都提供了一个WR格兰特主站，每一个都有一个独立生成的时间参考。一个WRZ16作为边界时钟（BC）。它接收两个时间参考，并选择通过网络传输的那个时间参考。在客户端，普通时钟(OC)通过WR从时间服务器上收回信号，并向客户提供时间信号和协议。客户端则通过DOWR GNSS接收机对客户端进行持续监测和比对。

一旦时间信号被编码为以太网流，它们就会通过专用光信道通过公共网络发送到客户站点。链路的物理实现是在10 Gb/s的密集波分复用（DWDM）单向链路中完成的。通常，WR链路是使用双向传输来部署的，也就是说，主设备和从设备通过传输不同波长的数据来使用同一根光纤，因此每个光纤都有不同的延迟。这可以通过在实验室中确定的相对延迟系数来补偿（1588同步的前提条件是上下行链路时延相等）。但是，此处讨论的链接使用单向传输（两个独立的光纤）。因此，可以将相同的载波波长用于双向传输。尽管如此，单向传输意味着由于电缆切割不正确或使用长度可变的尾纤，每个方向的长度可能都不同。客户端的设备可以忽略传输介质中的不对称性，除非经过校准，否则这将转化为未对齐的时间输出。稍后将对此进行进一步讨论。

光纤和其他网络组件对温度变化很敏感，包括日常和季节性的温度变化。由于这可能会对同步性产生影响，因此要对链路的端点和光路沿线的温度进行监控。这种影响在终端节点中得到了缓解，因为数据中心是受温度控制的，但天气会导致往返时间变化多达数百纳秒。这种光长的变化是由WR机制无缝修正的，这一点在[14]中得到了验证。本研究分析了在温控线轴中50km的单向链路上温度的影响。结果表明，温度每升高1摄氏度，就会造成往返时间增加3.1ns，但WR器件的1PPS信号的误差不到10ps。将这些结果换算成44km的链路，假设相差30摄氏度，时间输出的误差估计为231ps。因此，天气条件对授时性能的影响仍然低于下一节中描述的校准的不确定性。

客户方和校准

如前所述，此链接的客户是BME，在该前提下，光纤连接在充当WR链接从站的WR-ZEN节点处结束。在这里，时间基准是从以太网流中重建的，设备会生成不同的信号和协议来适应客户端所需的服务，例如与其他设备的WR链接，10 MHz时钟+ 1-PPS，IEEE 1588和NTP。

WR设备的内部延迟和使用中的SFP引入的延迟在链路部署之前就已经进行了校准，参与监测和校准的电缆也是如此。唯一有待校准的部分是两个单向光纤之间的不对称性（1588同步的前提条件是上下行链路时延相等）。为了使44公里链路两边的时间基准对齐，在客户端的校准工作由一个具有WR功能的GNSS接收机协助进行，该接收机使用GPS时间作为基准。该设备被称为DOWR[15]，其天线、电缆和内部延迟都是按照PTB认证的设置进行校准的。由于电离层延迟的变化，校准过程需要几天的时间，其不确定性为±10ns。由于时间服务器每天都要跟随UTC(PTB)进行引导，而GPS时间与UTC之间的差值由时间中心公布，因此在客户端输出的时间可以与有源时间服务器提供的时间一致。经测定，该链路的两条光纤之间的不对称度为5.37 m。

图2提供了一个25天内链路正常运行的例子。时间服务器和WR时间传输都没有偏离其原始校准。每天的震荡是由于基于全球导航卫星系统的监测装置引入的电离层延迟变化所致，并随着时间的推移平均为零。

图2.在2019年8月的25天内，客户节点与监视DOWR之间的偏移。24小时的周期性是由于GNSS接收器引入的可变电离层延迟。

适应性特点

拟议解决方案的主要特点之一在于时间服务器的自主性。在这个系统中，全球导航卫星系统只用于时间传输，而不是作为时间源。此外，由于PHM是高度稳定的时间源，因此在转向过程中所做的修正在一定程度上是可预测的。因此，参照物不仅变得稳健，抗干扰能力强，而且还能防止恶搞[11]。GNSS 天线的位置是非常精确的，如果要想在天线的位置上有有效的解决方案，欺骗攻击就必须要有足够的复杂性。同时，转向指令的性质突然改变会引起警告警报。

提高服务的鲁棒性的另一个特点是完全复制时间服务器，以提高服务的抗故障能力。在正常工作时，两个堆栈都是独立运作，频率转向是独立计算和应用的。当检测到服务器出现突发事件时，边界时钟将调换提供时间服务的时间基准。在这种拓扑结构中，由于只有两台服务器，所以服务的降级必须通过交换报文中的时钟类参数来传递，由主站通过交换报文中的时钟类参数来传递。

最后，在客户端检测到任何一种服务中断的情况下，客户端设备提供基于炉控晶体振荡器(OCXO)的保持能力，保证24小时后误差低于1.5微秒。

图3显示了一个保持操作案例中的数据。由于测试期间链路被禁用，所以在客户端的DOWR被认为是参考。经过12小时的保持操作，偏移量保持在100ns以下。这个特定运行的结果显示，在32小时内，偏移量保持在1 us以下。详细情况见表1。

图3. 12小时内客户端的保持性能。蓝线表示命令保持模式时的瞬间偏移。在发生故障的情况下，客户端将依靠自主操作，直到恢复服务为止。

表1.保持测试结果。

服务监测

为了符合MiFID II法规的要求，这些设备实施了一个监视系统，用于检查链路的健康状况。每2秒钟轮询一次所有参数，并将数据安全地存储在外部服务器中，以备将来使用。客户端一直受到监控，并与DOWR GNSS接收器进行比较。

从客户的角度看，提供定时服务的承诺受到服务水平协议的保护，该协议规定了一系列可以客观确定的技术指标。这些指标指的是服务的可用性、与世界协调时的可容忍偏移量以及应急机制的正确运行。监控系统还被用作验证计时服务质量指标是否达到要求的工具。一旦约定的服务水平受到影响，就会立即向客户发出警报。

结论

我们的贡献为采用TaaS方法向西班牙股票市场运营商提供建立时间服务的动机，架构和运作方式。

对推动金融业采用精确时间系统进行了分析。监管部门发现，最大的推动力是实施可审计的解决方案，这些解决方案可以提供法定的UTC追溯性，最大偏离度为100微秒，粒度不超过1微秒。

由于金融参与者的地域广泛，监管机构提出的要求暗示了技术挑战。业界最常用的解决方案很难达到所需的精度，或者容易受到外部干扰。

为了克服这些弱点，已投入运行的拟议解决方案将通过GNSS时间传输与UTC对齐的原子钟与使用WR的光纤时间传输相结合，并为客户端节点提供了保持能力，以确保在24小时的自主运行后，时间保持比法规要求的极限精度高60倍。

利用GNSS技术将客户节点校准到所观察参考的10ns之内，并且WR时间传输从原子时间服务器传输了参考。保持能力进行了现场测试，在运行12小时后，显示出低于100 ns的误差。

总而言之，部署的解决方案可以超出监管机构当前的要求三个数量级以上。

概括一下：

White Rabbit 为大型分布式系统提供了亚纳秒级的精度和皮秒级的同步精度。它还允许确定性和可靠的数据传递。

White Rabbit使您可以精确地为测量数据加上时间标签，并允许您触发大型安装中的数据，同时使用同一网络传输数据。

亚纳秒级同步

连接数千个节点

节点之间的典型距离为10 km

基于以太网的千兆速率可靠的数据传输

完全开放的硬件，固件和软件

支持多厂商商业生产的硬件

白兔的所有信息请点击以下链接：

https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/home

笔者花了两天看完了白兔相关的关键技术实现资料，感觉花上一定的时间，是完全可以做出来的。但最后有个问题抛出来，欢迎留言哈。为何国内高校搞不出来类似的东西呢？欢迎留言讨论。

全文完。

*点击文末阅读原文，可阅读白兔英文参考资料。