Warum ist Synchronisation notwendig?

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

Ein Masterclock Blog-Beitrag - übersetzt aus dem Englischen

Egal, ob Sie versuchen, Menschen pünktlich in ein Meeting zu bekommen oder eine Cloud-basierte Software zu verwalten, die zeitliche Synchronisation ist von entscheidender Bedeutung. Möchten Sie viele Personen und/oder Maschinen unter einen Hut bringen, schaffen Sie das nur, wenn sich alle Beteiligten im gleichen Zeitplan bewegen.

Bei vernetzter Hardware können Sie sich Zeitunterschiede gar nicht leisten. Sie brauchen eine effektive Netzwerkzeitsynchronisierung.

Netzwerkzeitsynchronisierung: Kurze Einführung in Timing-Protokolle

Aus dem Englischen von Masterclock

1.1 ZIELSETZUNG

Dieses Dokument spezifiziert ein kabelgebundenes Zeit-/Uhrensystem, das sich auf die Genauigkeit des GPS-Systems (Global Positioning Satellite) stützt, um Uhren und Netzwerkgeräte auf die zur Verfügung gestellte Zeit mittels Network Time Protocol (NTP) zu synchronisieren. Ein solches Zeitsystem basiert auf einem oder mehreren NTP-Timeservern mit integriertem GPS-Empfänger, die als Masterclocks (Hauptuhren) dienen, und praktisch unbegrenzt viele Uhren und Zeitanzeigen im Netzwerk, die die Clients darstellen. Darüber hinaus können andere Netzwerk-Clients von der Verfügbarkeit der NTP-Zeitserver profitieren. Daten und die DC-Versorgung können mithilfe der PoE-Technologie (Power over Ethernet) über dasselbe Netzwerkkabel verteilt werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Einschränkungen entstehen in erster Linie durch die Netzwerkkonfiguration und -implementierung, da das System zu einem vorhandenen Netzwerk hinzugefügt oder als unabhängiges Netzwerk konfiguriert werden kann, um eigenständiges synchronisiertes Zeitsystem bereitzustellen.

 

Verkabelungsbeispiel

 

1.2 ALLGEMEINES

Mithilfe von NTP-Servern (Network Time Protocol) können Uhren von Rechnern im Netzwerk, Alarmgeber, digitale und analoge NTP-Uhren und andere Arten von Netzwerkgeräten auf die Weltzeit UTC (Universal Time Coordinated) synchronisiert werden.

NTP-Server mit integriertem GPS-Empfänger in einem LAN (Local Area Network) stützen sich direkt auf die hohe Genauigkeit des GPS-Satellitensystems, wenn sie die UTC-Referenzzeit bereitstellen, so dass keine Internetverbindung erforderlich ist. Durch Platzieren eines oder mehrerer NTPs in Ihrem lokalen Netzwerk hinter der Firewall Ihrer Anlage werden Zuverlässigkeit, Redundanz, Genauigkeit und Sicherheit verbessert.

Die Verwendung von NTP ermöglicht die automatische Synchronisierung aller an das Netzwerk angeschlossenen Geräte. Die Ungenauigkeiten und Kosten eines manuellen Einstellens der Uhren entfallen.

Anwender konnten beobachten, daß die Installation von NTP-Uhren einfacher geworden ist, die Synchronisierung besser und zuverlässiger, und darüberhinaus führt eine rückverfolgbare Zeitquelle für wichtige Netzwerkfunktionen zu niedrigeren Gesamtkosten.

NTP stellt ein vereinfachtes Protokoll namens SNTP (Simplified Network Time Protocol) bereit, mit dem Clients sich auf die NTP-Zeitserver synchronisieren können. SNTP V4 ist Teil der NTP V3-Version und wird von einer Vielzahl möglicher Clients akzeptiert.

POE (Power over Ethernet) ist eine anerkannte und immer beliebter werdende Methode, die Installationskosten erheblich zu senken und Netzwerkgeräte mit Niederspannungs-Gleichstrom zu versorgen, indem der Strom über das nicht verwendete Draht-Paar eines Standard-Netzwerkkabels verteilt wird. Die geringen zusätzlichen Kosten für den Kauf von POE-Geräten, die dem IEEE 802.3af-Standard entsprechen, kompensieren die Installationskosten und Sicherheitsprobleme, die mit der Verwendung und Verteilung von Wechselstrom zusammenhängen.

Ein GPS-synchronisiertes Uhrensystem mit NTP und POE bietet gegenüber herkömmlichen Uhrensystemen erhebliche Vorteile bei der Installation und Wartung.

 

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)

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.

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