Dienstag, 06 November 2018 11:26

Synchronisationsgenauigkeiten

 

Anwendung

Zeitquelle

Genauigkeit

Level 1

Lokales Netzwerk ohne größere Anforderungen

NTP

Je nach Entfernung zum Master 1 - 200ms

Level 2

Größere Netzwerke in Firmen mit höherem Datendurchsatz

PTP
lokaler GNSS Zeitempfänger, Masterclock

100ns - 100µsec

 

Level 3

Dezidierte Anwendungen (Netzwerke mit großen Bandbreiten, Banken, Börsen, Testlabore)

GPS/GNSS Zeitempfänger,

30ns - 5µs

Level 4

Dezidierte Anwendungen (Telekommunikation, große Bandbreiten in zeitkritischen Anwendungen,)

High-Quality GNSS Empfänger in Kombination mit internem oder externem Rubidium Oscillator, Caesium oder High-Quality OCXO

1 - 30ns

Level 5

Dezidierte Anwendungen (kurzfristig verfügbarer Messdatenempfang von mehreren Stationen, Zeitlabore)

Redundante multiple Systeme (Level 4),
Real Time Clock

Besser als 1ns

1 Sekunde (s) = 1000 Millisekunden (ms)
1 Millisekunde (ms) = 1000 Mikrosekunden (µs)
1 Mikrosekunde (µs) = 1000 Nanosekunden (ns)
1 Nanosekunde (ns) = 1000 Picosekunden (ps)

Optimierte Zeitpakete im LAN

Clients in einem WAN oder LAN können sich über das Network Time Protocol NTP auf einen Zeitserver synchronisieren, der seinerseits auf einen 1PPS (1 Puls pro Sekunde) eines Zeitlabors synchronisiert ist. Das amerikanische National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado (NIST) führte eine Untersuchung der Genauigkeit unterschiedlicher NTP-Server durch, die im LAN eingesetzt werden. Dabei fielen regelmäßige Zeitsprünge bei den Messungen bestimmter Zeitserver auf, die weitere Tests verursachten. Durch eine Zusammenarbeit mit dem Hersteller konnten nicht nur die Fehler beseitigt werden, sondern auch die Genauigkeit der Zeitpakete konnte insgesamt erheblich verbessert werden.

Im WAN (Wide Area Network) hat die Asymmetrie des Weges vom Server zum Client und zurück große Auswirkungen auf die Synchronisationsgenauigkeit. Die Genauigkeit der durch Zeitlabore zur Verfügung gestellten Zeitserver im WAN ist hoch und fällt auch deshalb weniger ins Gewicht, weil die Clientsoftware eine Auswahl an im WAN verfügbaren NTP-Servern treffen, und den errechnet zuverlässigsten heranziehen kann.

Das amerikanische NIST untersuchte nun die Genauigkeit von Zeitservern, die für die Zeit-Synchronisation im LAN (Local Area Network) verwendet werden. Die Verbindungswege zwischen Client und Zeitserver sind hier berechenbar. Neben der Auslastung des Netzwerkes liegt ein besonderes Augenmerk auf der Präzision der vom Zeitserver verschickten Zeitpakete. Eine hohe Synchronisationsgenauigkeit ist bei vielen Anwendungen entscheidend.

Der Messaufbau offenbarte in einer bestimmten Netzwerkkonstellation Zeitsprünge bei Zeitservern des amerikanischen Herstellers Masterclock. Zwar bewegte sich die Genauigkeit innerhalb der Spezifikation von besser als einer Millisekunde, aber der Fehler war dennoch auffällig. Um auf die Ursache zu kommen, entwickelte NIST eine Clientsoftware, die sehr schnelle User Datagram Protocol (UDP)-Anfragen an den NTP-Server richtet. Die Auswertung ergab ein deutliches Sägezahnmuster, mit dem der Hersteller konfrontiert wurde. Auch Masterclock erstellte einen eigenen Versuchsaufbau und konnte einen Rundungsfehler im Server Code ausfindig machen.

Masterclock nahm die Chance zur Überarbeitung der Server Firmware wahr und konnte die Genauigkeit der Zeitpakete signifikant steigern. Die beanstandeten Pakete wiesen einen Offset von bis zu 211.3 μs zu UTC auf, in einem Bereich von ~400 μs, also bereits erheblich präziser als die geforderte Genauigkeit von besser als 1 Millisekunde. Die Korrektur des Rundungsfehlers erhöhte die Synchronisationsgenauigkeit auf 118.0 μs, weitere Verbesserungen der Firmware ergaben schließlich 29.4 μs Synchronisationsgenauigkeit, der Noise-Bereich konnte auf 14 μs verringert werden.

Ein Fachvortrag zum Thema wurde auf dem Precise Time and Time Interval Meeting (PTTI) 2018 von NIST und Masterclock gemeinsam vorgestellt:
https://www.researchgate.net/publication/323600571_Improving_packet_synchronization_in_an_NTP_server

Time differences from an NTP server compared to UTCNIST obtained from rapid packet

Die Genauigkeit der Zeitpakete vor dem Update.

 

Publiziert in Pressemitteilungen

Warum ist Synchronisation notwendig?

  • Datenpakete werden mit Zeitstempeln versehen.
  • Die Zeitstempel haben eine Relation zu UTC (Universal Time Coordinated)
    oder zur Zeit des verwendeten Rechnernetzwerkes.
  • Je größer der Datenstrom oder je zeitkritischer die Anwendung,
    umso wichtiger wird die Genauigkeit der verwendeten Zeit.

 

Präzise Zeit und Frequenz ist die Basis für die exakte Steuerung von Abläufen

Wir beschäftigen uns seit über vierzig Jahren mit genauen Zeitcodes und Zeitsignalen, deren Generierung, Verteilung und Überwachung

  • 1 PPS
  • 1, 5 oder 10 MHz
  • IRIG Zeitcodes
  • SMPTE/EBU Time Codes
  • Have Quick, STANAG Time Codes
  • NTP/PTP
Publiziert in Zeit und Frequenz
Donnerstag, 26 Juli 2018 09:44

NTP/PTP Netzwerk Zeit Server

Kritische Infrastrukturen wie beispielsweise intelligente Netze von Stromversorgern (Smart Grids) können durch unzureichende Vorsorge bei der Zeit-Synchronisation anfällig für Angriffe und damit teure Ausfälle sein. Auch Rechnernetze im Bereich der Telekommunikation, dem Wertpapierhandel oder in Forschung und Entwicklung benötigen eine präzise zeitliche Zuordnung von Datenpaketen.

Die Versorgung mit Zeit über einen öffentlichen NTP Zeitserver ist hier nicht mehr ausreichend. Abhilfe schafft ein eigener, ins LAN integrierter Zeitserver. Auch da gibt es qualitativ große Unterschiede. Das in Deutschland beliebte DCF-77 Signal kann nur eingeschränkt für hochwertige Synchronisation in kritischen Bereichen sorgen. Daher basieren unsere Zeitserver auf genauen inneren Oscillatoren in Kombination mit einem oder - redundant aufgebaut - zwei Multi-GNSS-Empfängern.

Beim amerikanischen Hersteller Masterclock ist der Name bereits Programm. Masterclocks Zeit- und Frequenzgeneratoren stehen im LAN als stabile Hauptuhren (Masterclocks) zur Verfügung. Optional kann die Zeit über PTP (Precision Time Protocol) oder diverse Zeitcode-Ausgänge direkt verteilt werden.

Einen Schritt weiter geht die ursprünglich 1992 in den Niederlanden gegründete und seit 1998 in Polen ansässige Firma Elproma. Mit internationalen Innovationspreisen ausgezeichnet, hat die ISO 9001 und IQnet zertifizierte Firma schon mehrfach als Spezialist für die Ethernet Zeitsynchronisations-Protokolle NTP und PTP-IEEE1588 an Forschungs- und Entwicklungsprojekten teilgenommen, so zum Beispiel an CERN White Rabbit und DEMETRA Horizon 2020. Im Rahmen des 2017 abgeschlossenen DEMETRA Projektes wurden Zeitsynchronisations-Services untersucht, einige davon auf Basis des europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO. Dabei wurden auch einige Schwächen aufgedeckt.

Die Forschungsergebnisse finden in den Elproma Zeitservern ihre Anwendung. Bei Bedarf können die Systeme redundant aufgebaut werden, so dass sie die Zeit über zwei Multi GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfänger beziehen können, zusätzlich sind sie abgesichert über interne hoch-genaue Oszillatoren. Erreicht wird dadurch eine Genauigkeit von besser als 15 Nanosekunden relativ zu UTC (Universal Time Coordinated). Bei der Verteilung der Zeit im LAN ermöglicht der modulare Aufbau der Geräte Abstufungen. Mit den Modulen für das Network Time Protocol NTP (LAN 1 und LAN2) und Software Time Stamping werden besser als 10 µsec erreicht. Erheblich genauer – besser als 200 Nanosekunden - wird die Synchronisation bei Verwendung von PTP und den optionalen ARM-basierten PTP-Modulen für LAN3 bis LAN10 mit eigenen IP-Stacks und Hardware Time Stamping.

 

Wenn der nächste öffentliche NTP Server nicht ausreicht

Während sich der heimische Rechner über eine per NTP (Network Time Protocol) und öffentlichem NTP-Server automatisch gestellte Uhr im zwei bis dreistelligen Millisekundenbereich freut, reicht diese Genauigkeit in sensiblen Netzwerken bei weitem nicht aus. Wo die Bandbreiten groß sind, der Zeitstempel auf dem Datenpaket entscheidend oder die Sicherheitsansprüche erhöht, muss ein vermehrtes Augenmerk auf die Zeitsynchronisation im Netzwerk gelegt werden.

Helfen kann hier die seit über 40 Jahren mit dem Thema „präzise Zeit“ beschäftigte Firma Lange-Electronic GmbH aus Bayern, die sich die beiden Netzwerk Timing Profis Masterclock (USA) und Elproma (Polen) ins Boot geholt hat, um den deutschsprachigen Raum mit zuverlässiger und hoch-genauer Zeit im Ethernet zu versorgen.

Beim amerikanischen Hersteller Masterclock ist der Name bereits Programm. Spezialisiert auf digitale und analoge Zeitanzeigen, die per NTP auf dem richtigen Stand gehalten werden, bietet Masterclock auch Zeit- und Frequenzgeneratoren an, die als stabile Hauptuhren (Masterclocks) im Netzwerk per NTP zur Verfügung stehen. Optional kann die Zeit über PTP (Precision Time Protocol) oder diverse Zeitcode-Ausgänge direkt verteilt werden.

Einen Schritt weiter geht die ursprünglich 1992 in den Niederlanden gegründete und seit 1998 in Polen ansässige Firma Elproma. Mit internationalen Innovationspreisen ausgezeichnet, hat die ISO 9001 und IQnet zertifizierte Firma schon mehrfach als Spezialist für die Ethernet Zeitsynchronisations-Protokolle NTP und PTP-IEEE1588 an Forschungs- und Entwicklungsprojekten teilgenommen, so zum Beispiel an CERN White Rabbit und DEMETRA Horizon 2020. Im Rahmen des 2017 abgeschlossenen DEMETRA Projektes wurden Zeitsynchronisations-Services untersucht, einige davon auf Basis des europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO. Dabei wurden auch einige Schwächen aufgedeckt. Kritische Infrastrukturen wie beispielsweise intelligente Netze von Stromversorgern (Smart Grids) können durch unzureichende Vorsorge bei der Zeit-Synchronisation anfällig für Angriffe und damit teure Ausfälle sein.

Die Forschungsergebnisse finden in den Elproma Zeitservern ihre Anwendung. Bei Bedarf können die Systeme redundant aufgebaut werden, so dass sie die Zeit über zwei Multi GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfänger beziehen können, zusätzlich sind sie abgesichert über interne hoch-genaue Oszillatoren. Erreicht wird dadurch eine Genauigkeit von besser als 15 Nanosekunden relativ zu UTC (Universal Time Coordinated). Bei der Verteilung der Zeit im LAN ermöglicht der modulare Aufbau der Geräte Abstufungen. Mit den Modulen für das Network Time Protocol NTP (LAN 1 und LAN2) und Software Time Stamping werden besser als 10 µsec erreicht. Erheblich genauer – besser als 200 Nanosekunden - wird die Synchronisation bei Verwendung von PTP und den optionalen ARM-basierten PTP-Modulen für LAN3 bis LAN10 mit eigenen IP-Stacks und Hardware Time Stamping. Eine Erweiterung für DCF-77 wäre erhältlich, allerdings genügt hier die mögliche Genauigkeit den Ansprüchen der Geräte eigentlich nicht, es würde sich also maximal um eine zusätzliche Ausfallabsicherung handeln.

Diese hohe Genauigkeit wird benötigt um Rechnernetze beispielsweise im Bereich Telekommunikation, Stromversorgung, Wertpapierhandel oder Forschung und Entwicklung zeitlich zu synchronisieren.

Publiziert in Pressemitteilungen

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