Time sensitive networking security:issues of precision time protocol and its implementation

Time Sensitive Networking(TSN)will be an integral component of industrial networking.Time synchronization in TSN is provided by the IEEE-1588,Precision Time Protocol(PTP)protocol.The standard,dating back to 2008,marginally addresses security aspects,notably not encompassing the frames designed for management purposes(Type Length Values or TLVs).In this work we show that the TLVs can be abused by an attacker to reconfigure,manipulate,or shut down time synchronization.The effects of such an attack can be serious,ranging from interruption of operations to actual unintended behavior of industrial devices,possibly resulting in physical damages or even harm to operators.The paper analyzes the root causes of this vulnerability,and provides concrete examples of attacks leveraging it to de-synchronize the clocks,showing that they can succeed with limited resources,realistically available to a malicious actor.

基于ARIMA-TCN混合模型的高速铁路时间同步方法

列控系统作为高速铁路的核心系统,保持其系统的时间同步对于行车安全至关重要。针对现有时间同步方法易受时变上下行传输时延、随机时钟跳变等影响,导致主从时钟偏移估计不准确的问题,提出一种基于差分自回归移动平均-时域卷积神经网络(ARIMA-TCN)混合模型的高速铁路时间同步方法。首先,根据上下行链路传输速率的不对称比,建立高速铁路时钟的数学理论和实际观测模型。然后,使用拉依达准则识别处理跳变异常值,完成实际时间序列的预处理。再次,使用ARIMA模型平滑时间序列中不确定时延带来的噪声抖动,获得平稳的时间序列。最后,通过提出的注意力增强TCN模型进行预测补偿,完成时钟偏移的补偿校正。通过实验仿真,得到基站区间内位置、基站间距以及车速对高速铁路时间同步的影响性分析。实验结果表明:与对比方法相比,所提方法补偿后的均方根误差较最小二乘法减少了75%、较最大似然估计方法误差减少了44.4%,较BP神经网络方法误差减少了16.7%,验证所提方法具有更低的同步误差和更高的同步精度。

IP时代的电视系统同步技术综述

随着电视系统由传统的串行数字接口(Serial Digital Interface,SDI)架构逐渐向网际互连协议(Internet Protocol,IP)架构转变,网络时钟协议(Network Time Protocol,NTP)、精确时间协议(Precision Time Protocol,PTP)、实时传输协议(Real-time Transport Protocol,RTP)时间戳(Timestamp)、电影和电视工程师协会(The Society of Motion Picture and Television Engineers,SMPTE)ST 2059等信号取代了传统SDI架构中的黑场(Black Burst,BB)信号,成为IP化电视系统的设备同步、流同步信号。基于此,详细介绍PTP的同步原理、RTP数据包的重要数据格式、RTP时间戳在视音频流同步中的原理及SMPTE ST 2059的定义及相关应用。

下一代高速铁路LTE-R时间同步网协议脆弱性分析

铁路无线通信系统时间同步网络,是保障行车安全和提高铁路运营效率的重要基础。针对下一代高速铁路LTE-R自身全IP化架构在使用精确时钟PTP时间同步协议过程中易受到ARP攻击的问题,提出基于随机Petri网(SPN)的LTE-R时间同步网协议脆弱性分析方法。建立了ARP攻击状态下LTE-R时间同步网协议脆弱性分析SPN模型;通过马尔科夫链同构的方法,得到ARP攻击下LTE-R三级时钟节点实施速率与PTP协议同步正常、异常之间的关系曲线;定量得到了影响LTE-R时间同步网协议脆弱性的关键因素。研究结果为GSM-R时间同步网络向LTE-R安全演进提供了一定的理论参考依据。

基于卡尔曼滤波的高速铁路时间同步网时间补偿

LTE-R作为下一代高速铁路无线通信系统,保持时间同步对于高速铁路行车安全至关重要。针对现有时间同步方法仅考虑随机噪声,而忽略LTE-R无线信道多径衰落、多普勒频移等对时钟同步过程的影响,导致主从时钟偏移估计不准确的问题,提出一种基于卡尔曼滤波的高速铁路时间同步网时间补偿方法:建立LTE-R下主从时钟之间相位、频率偏移的状态转移方程;构建引入伯努利随机变量的时钟相位、频率偏移观测方程;利用改进的卡尔曼滤波算法得到最优时钟偏移估计值;使用本方法实现对LTE-R时间同步误差的补偿;通过实验仿真,得到LTE-R下信道多径衰落、多普勒频移、信噪比、列车车速等对高速铁路时间同步的影响,并实现对不同高铁运行场景下时间同步偏差的定量分析。结果表明:本方法能够有效消除LTE-R无线信道时钟偏差,与其他补偿方法相比,具有更好的稳定性和鲁棒性。

基于软件无线电的双向时间同步系统设计与实现

针对全球导航卫星系统建设成本高,信号易被干扰和欺骗等问题,本文基于Zedboard+AD9361软件定义无线电平台设计出一套小型化、高精度的无线时间同步系统.整个系统分为双向时间同步模块和无线通信模块:双向时间同步模块处理主从机时间戳的标定、偏差的计算;无线通信模块将数据进行伪码扩频、数字上变频、部分匹配滤波-快速傅里叶变换捕获,实现主从机之间的无线通信.通过主从机输出到示波器上的1 PPS信号比对测试,主从机之间的时间同步误差均方根值(RMS)为18.6 ns.

基于精确时间协议的工业无线传感器网络时间同步方法

针对工业无线传感器网络(IWSNs)中复杂链路环境、温度波动等造成的链路时延动态变化、时钟计时干扰、时间戳获取不确定等问题,提出一种基于精确时间协议(PTP)的IWSNs时间同步方法。首先,融合PTP双向时间同步过程的时钟计时干扰、非对称链路时延噪声,建立时钟状态空间模型和观测模型;其次,构建反向自适应卡尔曼滤波算法以滤除噪声干扰;然后,利用反向估计和正向估计的时钟状态归一化新息比值来评估噪声统计模型的合理性;最后,在设定检测阈值后,动态调整时钟状态过程噪声,以实现时钟参数的精确估计。仿真结果表明,相较于经典卡尔曼滤波算法和PTP,在不同时钟计时精度下,反向自适应卡尔曼滤波算法估计的时钟偏移和偏移率均有较小且更稳定的误差标准差,有效解决了噪声不确定等原因造成的卡尔曼滤波发散问题,提高了时间同步的可靠性。

基于FPGA的IEEE 1588时钟同步系统的设计与实现

IEEE 1588精密时钟协议用于分布式系统中各节点上独立时钟的同步,纯软件实现的IEEE 1588精密时钟协议的时间戳只能标记在数据链路层,受网络传输延迟以及网络抖动的影响,时钟同步精度一般只能达到微秒级。本文设计了一种基于FPGA的IEEE 1588协议的时钟同步系统,采用EP4CE6E22C8和RTL8201CP芯片,通过编程实现IEEE 1588报文识别、时钟偏移补偿算法等。该方法进一步降低了网络传输延迟的不确定性,提高了时间戳捕获的精度。通过实验对主从时钟同步精度的一致性进行测试,满足设计要求。

IP化4K超高清播出技术探讨

4K超高清信号的高分辨率、高帧频对播出系统的带宽要求较高。IP化可以有效解决数字分量串行接口(Serial Digital Interface,SDI)架构的带宽瓶颈,代表着今后电视制播业务的发展方向。基于此,分析IP化的诸多优势,探讨SDI over IP的技术标准、关键技术以及IP化4K超高清播出系统的基本架构和播出流程。

虚拟化电视播出系统的PTP同步应用实践

随着计算机性能的不断提高和计算机网络技术的进步,广播电视专业视音频节目的制作、播出逐渐具备了在虚拟化系统中部署的条件,可以在虚拟化平台上构建基于SMPTE ST2110系列标准的播出系统。而精确时间协议(Precision Time Protocol,PTP)时间同步在基于ST 2110系列标准的播出系统中非常关键。为此,讨论在虚拟化平台上为播出系统各虚拟机实现PTP高精度同步的工具和方法。

基于自适应AUTOSAR的时间同步模块研究与实现

随着智能网联汽车开发工作的深入开展,汽车电子控制单元的功能复杂度逐渐增加,对不同电子控制单元之间的时间同步功能也提出了更高的要求。本文构建了基于自适应AUTOSAR的时间同步方案,利用广义精确时间同步协议,实现了周期性时间同步和立即时间同步,为智能汽车电子控制单元的时间同步需求提供了有效方案。

基于LAN的数字变电站时间同步误差研究

针对基于局域网(LAN)的数字变电站协同保护,研究了时间同步误差对保护算法的影响。建立了基于IEC 61850的智能变电站协同保护模型,利用IEEE 1588精密时间协议(PTP)设计了基于电流差动的协同保护系统,通过测量数据分析时间同步误差对距离保护算法的影响,研究了时间同步误差对电流差动保护和距离保护两种典型保护算法的影响。以具有14个测量点的简化220 kV变电站为例,对基于电流差动的变电站保护算法进行了仿真。结果表明,时间同步误差导致电流差动保护和距离保护算法分别出现错误的故障检测和错误的故障距离估计。

远程遥控装载机的延时补偿控制研究

为了解决现有工程车辆远程遥控系统因网络延时导致控制系统不稳定问题,设计了一套针对装载机的延时补偿控制系统,在无线局域网中,采用精准时间协议计算延时时间;将装载机的动臂等效成一个二连杆结构进行运动学和动力学建模;利用Smith预估器进行延时补偿。通过OPNET进行网络环境模拟仿真、Simulink进行控制系统仿真,仿真结果表明:精准时间协议能够准确地计算出延时时间,在10 ms的延时下Smith预估器取得了良好的控制效果,为工程车辆远程遥控延时补偿提供了一种低成本方案。

基于IEEE1588的时钟同步算法软件实现

基于工业以太网通信技术,本文给出了一种精准时间协议的软件实现方法。它基于划分时隙的以太网确定性调度通信机制,有效地消除了以太网冲突的影响,并通过硬件定时、中断补偿等手段,大大提高了时钟同步的精度。经测试的结果表明,它可以达到亚微秒级的时钟抖动精度,满足大部分工业系统的要求。

面向交换式电力监测网的NTP同步精度提高方法

针对交换式电力监测网中NTP同步精度较低的问题,提出一种理论上可使同步精度提高到原来的17倍且不增加硬件的改进协议。SN-NTP利用了交换机的IEEE802.1p优先级调度功能,首先由NTP客户端向NTP服务器不间断地发送具有高优先级的短包,使所经路径被短包抢占,交换机中其他数据包处于等待状态;然后发送优先级高于短包的NTP请求包,使NTP请求包在传输路径上抢占短包优先权,从而使请求包在交换机中的最大等待时间变为原来的1/17,以此提高同步精度。基于船电监测网的SN-NTP协议性能试验显示,该方法可使同步精度提高到原来的15~24倍,与理论值基本吻合。

以太网时间同步技术的研究进展及其应用

精确的时间同步是网络化测试和控制的一项关键技术。分析比较了几种主要的以太网时间同步协议,并重点介绍了IEEE 1588协议(精确同步时钟协议)如何实现以太网的时间同步,分析了该协议在武器装备领域的应用前景。

基于GPS和高精度实时时钟的时间同步方法

时间同步在航天测控、卫星遥感、军事靶场、视觉测量、电力运输等领域有重要意义.针对计算机时间系统分辨率低的问题,提出使用全球定位系统(GPS)接收机的整秒脉冲信号和串口时间信息,作为高精度的时间源,具有高频率稳定性的时间模块与该时间源同步;计算机通过RS232串口从时间模块获取时间信息,利用模拟精密时间协议时间同步方法的过程,测量串口通信过程中的延时并补偿,完成计算机高精度时间同步.通过整秒脉冲比对的方法测试时间同步的精度.实验表明,时间同步方法的同步精度优于500μs.

分布式声学测量设备中精确时钟同步研究

为了解决分布式网络化测量不同传感器之间的时间同步问题,改变依赖全球卫星定位系统和高精度时钟源所带来的安全和成本问题,根据现有同步方式和分布式测量的同步需求,研究了简单网络时间协议等和IEEE1588精确时钟同步原理,基于测量的需求选择了IEEE1588。由于该协议未提供时钟漂移的补偿方法,为了解决频率补偿问题,提出了一种简单可靠的时钟频率偏移计算补偿方法,实验验证了该方案能够满足工业噪声与振动的测量要求。

面向测量与控制的精确时间同步实现方法

IEEE1588协议的不同实现方法对时间同步精度具有重要影响。该文分析了PTP引擎模块体系结构,实现PTP协议状态机、最佳主时钟算法、时钟变量算法、本地时钟同步算法,优化PTP报文发送与接收的控制过程。测试表明,该精确时间同步实现方法可使同步精度达到10微秒级,能有效满足测量与控制领域对时间同步的高精确度要求。

以太网精确时钟协议的研究与实现

分析了面向测量和控制系统的精确时钟同步协议IEEE1588标准,研究了通过以太网实现精确时钟协议的思想、原理和算法,以及数据包时间戳的生成方式;设计了精确时钟协议的具体实现方式,使用DP83640芯片,实现了以太网硬件辅助生成时间戳,分析了系统的原理、组成和功能;最后通过以太网搭建了测试系统,对不同的网络负载情况进行了主从时钟的同步精度测试;测试结果验证了通过以太网传输和同步时钟,能够容易达到微秒级的同步精度,能够满足系统对时钟精度的应用需求,也进一步拓宽了以太网的应用范围。