恰逢其時——實時管理天空和地面時間源

依賴全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收定位、導航和授時（PNT）數(shù)據(jù)的關鍵公共基礎設施系統(tǒng)已被全球各國家安全機構確定為潛在的網(wǎng)絡安全攻擊途徑。2020年末，美國國土安全部（DHS）發(fā)布了“彈性PNT符合性框架”指南，提供了一個公共參考點，以幫助關鍵基礎設施提高應對PNT攻擊威脅的彈性。在這一框架內，提出了一種網(wǎng)絡安全方法： 

預防：在第一層防御中，可以防止威脅進入系統(tǒng)。但是，必須假設無法阻止所有威脅。 

響應：能夠檢測到非典型錯誤或異常，并采取相應措施，例如緩解、抑制和報告。系統(tǒng)應確保在需要恢復之前對外部引起的非典型錯誤做出充分響應。 

恢復：最后一道防線是恢復到正常的工作狀態(tài)和規(guī)定的性能。 

四個彈性級別 

基于預防-響應-恢復網(wǎng)絡安全模型，PNT符合性框架文件描述了四個彈性級別。請注意，彈性級別相互依存、互為基礎——級別2包括級別1中列舉的所有行為，依此類推。 

該框架為設備提供了一套明確的PNT彈性指南，同時涵蓋了芯片、模塊和系統(tǒng)級別。盡管該框架并非特定于使用GNSS，但大部分重點都集中在GNSS漏洞以及對GNSS中斷（無論是由無意干擾還是故意威脅引起的中斷）的恢復能力上。然而，特定設備或技術的GNSS彈性并不能完全滿足關鍵基礎設施運營商的需求，他們可能在更大的地理區(qū)域內管理PNT服務的使用。 

圖1. DHS“彈性PNT符合性框架”指南中定義的四個彈性級別

 關鍵基礎設施擴展 

關鍵基礎設施通常以分層方式構建，從一組連接到輔助站點的核心站點開始，最終連接到遠程站點。隨著5G網(wǎng)絡的推廣，無線接入點的密集化和大規(guī)模部署將提高覆蓋范圍并實現(xiàn)更高的帶寬，以便為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和相關服務提供支持。然而，這種大規(guī)模的接入點也需要在更多端點上進行精準授時。 

在電力企業(yè)基礎設施中，電網(wǎng)正在通過太陽能和風能等替代能源得到增強和擴展?，F(xiàn)代化的智能電網(wǎng)采用了高度分布式的架構，它依賴于精準授時來協(xié)調、監(jiān)控和記錄運行數(shù)據(jù)以及斷電故障檢測的識別。此外，電力企業(yè)在整個運營過程中都依賴授時服務來實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的通信和傳輸。 

迄今為止，GNSS一直是授時的首選來源，這導致對GNSS的依賴性呈指數(shù)級增長。由于這種巨大的依賴性，如今發(fā)生錯誤或中斷造成的影響比以往任何時候都更加嚴重。 

地面時間分布

作為向大量位置提供準確時間和減少對GNSS依賴性的替代方案，關鍵基礎設施運營商正在轉向使用數(shù)據(jù)包協(xié)議的地面分配方法，以便使用精確時間協(xié)議（PTP）實現(xiàn)高精度分配。 

虛擬主參考時鐘（vPRTC）是一種高度安全且具有彈性的基于網(wǎng)絡的授時架構，旨在滿足現(xiàn)代關鍵基礎設施不斷增長的需求。vPRTC的概念十分簡單。它將成熟的授時技術融合到集中式受保護源位置，然后利用商業(yè)光纖網(wǎng)絡鏈路和高級IEEE? 1588 PTP邊界時鐘，將100 ns PRTC授時分配給可能數(shù)百公里外有需求的端點。

正如基于GNSS衛(wèi)星的授時系統(tǒng)使用露天傳輸將授時分配給端點一樣，vPRTC使用地面（通常是光纖）網(wǎng)絡分配授時。不同之處在于，運營商擁有完全的網(wǎng)絡控制權，并可以根據(jù)需要保護網(wǎng)絡。這種基于網(wǎng)絡的授時稱為可信時間。它可以作為主要授時源進行分發(fā)，也可以作為GNSS授時解決方案的備份部署。

然而，即便vPRTC方法在可靠性和安全性方面擁有諸多優(yōu)勢，僅依賴地面時間也可能形成單點故障，就像僅依賴GNSS的策略一樣。因此，關鍵基礎設施運營商正在部署同時使用GNSS和地面時間的架構。為了有效地做到這一點，運營商發(fā)現(xiàn)他們需要對兩個關鍵時間源進行集中管理和可視化。此外，要兌現(xiàn)授時彈性的承諾，統(tǒng)一的管理系統(tǒng)需要包含可提供網(wǎng)絡安全解決方案的功能，其中包括跨授時網(wǎng)絡所有節(jié)點的預防-響應-恢復DHS安全指南。

統(tǒng)一時間管理 

擁有授時網(wǎng)絡所有節(jié)點的鳥瞰圖對于提供授時安全性和彈性至關重要。當在GNSS異?；虻孛鏁r間不穩(wěn)定的情況下發(fā)生問題時，最緊急的事項是快速確定該事件是否孤立于特定位置、是否影響某個區(qū)域，或者在某些情況下是否由全球情況引起。集中管理和監(jiān)測系統(tǒng)提供綠色、黃色和紅色威脅狀態(tài)指示，不同顏色代表了關注的不同位置。這是運營商了解其授時基礎設施整體健康狀況的一種簡單方法。 

圖2. 全球數(shù)據(jù)中心的授時網(wǎng)絡視圖示例

當問題出現(xiàn)時，關鍵基礎設施運營商接下來需要對能夠快速隔離根本原因的“可觀測數(shù)據(jù)”進行可視化。由于當今的授時網(wǎng)絡同時依賴于GNSS時間和地面時間，因此能夠以統(tǒng)一的方式查看代表兩種授時源的可觀測數(shù)據(jù)至關重要。

GNSS可觀測數(shù)據(jù) 

提到GNSS漏洞時，常用的術語包括多路徑干擾、氣候異常、干擾和欺騙。不過，要深入了解（可視化）細節(jié)以識別根本原因，則需要對信號進行更具體的表征。 

對GNSS接收質量的可視化通過監(jiān)測GNSS可觀測數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。表1提供了可以跟蹤和監(jiān)測的關鍵GNSS可觀測數(shù)據(jù)的示例。

表1. 關鍵地面時間GNSS可觀測數(shù)據(jù)示例

地面時間可觀測數(shù)據(jù) 

表征地面時間的質量需要在單個位置（局內）或跨網(wǎng)絡節(jié)點（局間）的設備互連之間進行時間測量——例如，比較設備輸入和輸出或比較不同站點的信號。此外，隨著PTP的標準化，需要能夠評估網(wǎng)絡授時數(shù)據(jù)包指標的能力，以驗證從一個位置到另一個位置的時間傳輸。地面時間性能要求使一組不同的可觀測數(shù)據(jù)可視化并受到監(jiān)測。表2提供了關鍵地面時間可觀測數(shù)據(jù)的示例。 

在管理大型地理區(qū)域時，如果能夠同時測量多個位置的GNSS時間與地面時間之間的相位差，那么運營商便可對這兩種時間源進行比較。如前文所述，最好使用兩種時間源來實現(xiàn)關鍵基礎設施運營商最終需要的彈性。通過在多個位置對比測量這兩個時間源，可以得知各個獨立時間源是完全一致的，這有助于建立最高級別的信任。

表2. 必須可視化并受到監(jiān)測的關鍵地面時間可觀測數(shù)據(jù) 

圖3. GNSS時間和地面時間之間的相位差測量 

結論 

在行業(yè)、標準組織和DHS等政府組織的合作下，授時服務已成為關鍵基礎設施運營的公認基礎技術。利用行業(yè)標準的網(wǎng)絡安全模型將有助于強化和增強授時設備。 

盡管設備彈性至關重要，但獲得整個網(wǎng)絡授時性能的鳥瞰圖是提供完整網(wǎng)絡可視化的起點，這對于提供授時安全性和彈性至關重要。要兌現(xiàn)跨關鍵基礎設施的授時彈性承諾，運營商需要采用統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對GNSS和地面時間可觀測數(shù)據(jù)的簡單且完整的可視化。通過對這兩種時間源的統(tǒng)一管理，運營商可以獲得一種可應用“預防-響應-恢復”模型來應對授時威脅，并實現(xiàn)最高級別的彈性和網(wǎng)絡安全保護的平臺。