Wie funktioniert die Netzwerk-Zeitsynchronisation über GPS/GNSS?

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

Um sicherzustellen, dass Server, Sicherheitssysteme, Medienrekorder und andere Geräte synchron miteinander arbeiten, gibt es etablierte Standards. Glücklicherweise müssen Sie keine Uhren manuell einstellen oder eigene Timing-Tools und Shell-Scripts zusammenstellen.

Weithin akzeptierte Protokolle ermöglichen es den Herstellern, miteinander kompatible Systeme anzubieten und nachweisbar eine dem Anwendungsgebiet entsprechend genaue gemeinsame Zeit zu verwenden. 

Werfen wir einen Blick auf zwei der am häufigsten verwendeten Zeitprotokolle: das Network Time Protocol NTP und das Precision Time Protocol PTP.

 

NTP (Network Time Protocol)

Der NTP-Standard basiert auf Servern, die den Clients, z. B. den Computern in Ihrem Netzwerk, die aktuelle "Coordinated Universal Time" (UTC) als Antwort auf deren individuelle Anfrage bereitstellen. Die Clients können prinzipiell von vielen verschiedenen Servern im Netzwerk die aktuelle Uhrzeit abfragen. Einige Geräte liefern aufgrund ihrer eigenen Stabilität und aufgrund von Systemverzögerungen und Latenz genauere Daten als andere.

Die Server in diesen Netzwerken, die die Zeit bereitstellen, sind in verschiedenen Schichten angeordnet, die auch als "Stratum" bezeichnet werden. Die genauesten Geräte gibt es in Stratum 0. Sie umfassen Atomuhren, Funkuhren und andere hochpräzise Uhren, wie sie beispielsweise in NIST-Laboratorien und GPS-Satelliten zu finden sind. Stratum 1-Server, auch als primäre Zeitserver bezeichnet, sind direkt mit Stratum 0-Geräten verbunden.

NTP:

  • ermöglicht den Clients die Verbindung zu mehreren NTP-Servern für Redundanz, erhöhte Genauigkeit und Testzwecke
  • korrigiert die Kommunikationslatenz und die individuelle Drift der Uhr
  • verwendet ein standardisiertes 64-Bit-UDP-Paket, das theoretisch Pikosekunden (Trillionstelsekunden) und ein Datum innerhalb eines Zeitraums von 136 Jahren ermitteln kann
  • ermöglicht Peer-to-Peer-Kommunikation, Broadcasting, Multicasting, Kalibrierung und sichere MD5-Hash-Algorithmen

Eine andere Variante dieses Protokolls, bekannt als SNTP oder Simple Network Time Protocol, verwendet dasselbe Paket- und Nachrichtenformat. Der Hauptunterschied besteht darin, dass SNTP deutlich ungenauer ist. Da die Clients keine Timing-Daten aus mehreren Quellen abrufen oder MD5-Prüfsummen verwenden können, sind sie anfällig für allgemeine Ungenauigkeiten im Netzwerk und böswillige Akteure, die absichtlich falsche Zeitstempel bereitstellen.

 

PTP (Precision Time Protocol)

PTP IEEE 1588 ermöglicht Anwendungen, für die NTP nicht ausreichend genau ist. Durch die Verwendung hardwarebasierter Zeitstempel wird eine genauere Synchronisation ermöglicht.

Bei Verwendung von PTP sind es nicht die Clients, die Timing-Informationen anfordern, sondern die Zeitserver initiieren den Kontakt, indem sie den Clients Zeitinformationen senden. Durch den Zeitstempel des abgesendeten Zeitpaketes und die Zeitstempel der Rückfragen des Clients kann die Verzögerung durch die Laufzeiten zwischen dem Grandmaster und dem Client errechnet werden.

Diese Funktion gibt IEEE 1588-kompatiblen Geräten folgende Möglichkeiten:

  • Ekennen der durch die lokalen Netzwerkbedingungen verursachten Latenz und Korrektur der internen Zeit, um diese Verzögerungen zu berücksichtigen
  • Verwenden eines Algorithmus, der als Best Master Clock (BMC) bezeichnet wird, um die geeignetste Zeitquelle aus der vorhandenen Reihe von Kandidaten auszuwählen
  • Zuverlässiges Erfassen der Zeit bis hin zu Nanosekunden (oder Milliardstel Sekunden) und Pikosekunden
  • Aktivieren verschiedener Netzwerktopografien, z. B. alle Slave-Uhren, die eine Verbindung zu einer einzelnen Grand-Master-Zeitreferenz herstellen, oder der Grandmaster, der Timing-Daten an Boundary-Uhren sendet, die dann andere Slaves synchronisieren.

 

Warum GPS / GNSS und Zeitsynchronisation Hand in Hand gehen

Durch die Verwendung zusätzlicher Hardware können PTP-Netzwerke die Latenzzeiten minimieren, die durch schlecht kalkulierbare Faktoren entstehen können, beispielsweise durch zu wenig lokale Systemressourcen oder tageszeitliche Unterschiede in der Auslastung des Netzwerkes.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, solche Hürden zu überwinden. Eine davon ist es, den Zeitserver auf eine zusätzliche externe Uhr zu synchronisieren, um eine zusätzliche Zeitreferenz einzubringen. Besonders geeignet ist hierfür die Zeit, die die hochgenauen GNSS Satellitensysteme liefern.

 

GNSS Systeme (Global Navigation Satellite Systems)

GNSS Systeme wie das Global Positioning System (GPS) sind nicht nur dazu geeignet, Anwendern den Weg zu zeigen. GNSS Systeme bestehen aus Satelliten, die in einer festen Konstellation die Erde umkreisen. Jeder Satellit hat:

  • eine stabile Stratum 0 Atomuhr
  • die Möglichkeit seine eigene Position sehr genau zu verfolgen
  • Sender, die ständig ihre Position und Uhrzeit ausstrahlen

Die Navigations-Satelliten sind alle auf dieselbe Uhrzeit synchronisiert und haben aufgrund ihrer geosynchronen Umlaufbahnen bekannte Positionen. Sobald für einen Empfänger mindestens drei Satelliten sichtbar sind, kann dieser mit Hilfe der Trilateration - ein Messverfahren zu Positionsberechnung - seine eigene Position und Zeitabweichung bestimmen.

 

Verlorene Zeit aufholen

Obwohl das globale Positionierungssystem sehr genau ist, ist die Nutzung nicht ganz ohne Tücken. Das Satellitennetzwerk verwendet seinen eigenen Zeitstandard, und dieser passt nicht ganz zu dem, den wir hier auf der Erde verwenden.

Die Geschwindigkeit, mit der sich unser Planet dreht, variiert. Dieses Phänomen beruht auf Faktoren wie:

  • Massive Meeresströmungen verursachen eine Beschleunigung der Gezeiten, die die Rotation unserer Welt verlangsamt und ihre Tage allmählich verlängert
  • Die Bewegungen des flüssigen metallischen Kerns innerhalb der Erde
  • Änderungen der atmosphärischen Strömungen.

Um diese Faktoren zu berücksichtigen, führt Coordinated Universal Time eine Schaltsekunde ein, die an die Zeit angefügt wird, um sie mit der Atomzeit präzise zu synchronisieren. Im Gegensatz zum lange vorhersagbaren Schaltjahr werden diese zusätzlichen Sekunden, so genannte Schaltsekunden, nach Bedarf hinzugefügt, um sicherzustellen, dass UTC und die mittlere Sonnenzeit (UT1) niemals mehr als 0,9 Sekunden voneinander abweichen.

GPS bietet diese zusätzlichen Sekunden nicht an, daher ist es immer noch an die Zeit von UTC im Jahr 1980 gebunden. Daher müssen Satelliten zusätzliche Offset-Informationen ausstrahlen, damit die Empfänger wissen, um wie viel sie ihre Kalkulationen berichtigen müssen.

 

Realisierung: Worauf sollten Benutzer bei GPS-NTP-Serverhardware achten?

Die verschiedenen Möglichkeiten der Zeitsynchronisation in Netzwerken haben alle ihre Vor- und Nachteile. Während eine hohe Genauigkeit zwar definitiv positiv ist, kann es jedoch zu teuer sein, jeden Ihrer vernetzten Computer mit einer direkten Verbindung zu einer Stratum 1-Quelle auszustatten. Oder Sie stellen fest, dass Ihre Systemsteuerung der lokalen Synchronisierung einen höheren Wert einräumt als dem Abgleichen auf externe UTC-Quellen.

Wie können Sie also eine Timing-Lösung finden, die für Sie passt? Dedizierte GPS-NTP-Server bieten zahlreiche Vorteile.

 

Rechtssichere rückverfolgbare Zeitberechnung

Die Rückverfolgbarkeit legt dar, wie sich die Ergebnisse Ihrer Zeitberechnung auf eine bestimmte Referenz beziehen. In der Welt der Netzwerkzeitmessung können Sie beispielsweise eine Rückverfolgungskette aufbauen, die Ihre Zeit-Messungen mit den jeweiligen Quellen verknüpft. Sie können diese Kette dann verwenden, um gesetzliche Anforderungen zu erfüllen.

Sie können beispielsweise Stakeholdern und Benutzern genaue Schätzungen der Gesamtunsicherheit Ihrer Messungen liefern, indem Sie die Unsicherheiten der einzelnen Quellen hinzufügen, die Sie zur Berechnung verwendet haben. Diese Genauigkeit ist von entscheidender Bedeutung, wenn Ihr Timing zeitkritische Anwendungen betrifft, wie beispielsweise

  • Finanztransaktionen
  • Fertigungssteuerungen oder den
  • Netzwerkbetrieb

Netzwerkzeitserver, die eine gesetzlich nachverfolgbare Zeit bieten, wie z. B. die Zeit, die von einem mit GPS synchronisierten NTP- oder PTP-Server bereitgestellt wird, versetzen Sie in eine sichere rechtliche Lage. Rückverfolgbare Zeitberechnungen ermöglichen es Ihnen, ein zusätzliches Maß an Präzision in Form von Unsicherheitsberechnungen zu bieten, damit Sie nicht für Verluste durch unvermeidbare Ungenauigkeiten haftbar gemacht werden können.

 

Widespread Standards Compliance (die Einhaltung von weit verbreiteten Standards)

Die effektivsten Server verwenden nicht nur NTP. Sie sind auch mit PTP und anderen Standards vertraut. Dies bedeutet, dass Sie sie nahtlos in eine Reihe von Netzwerkkonfigurationen integrieren können.

Diese Flexibilität erstreckt sich auch auf die verwendbaren Zeitquellen. Moderne Zeitserver können auch andere Navigationssatelliten-Systeme, wie etwa das russische GLONASS-System zusätzlich zu dem US Global Positioning System, verwenden. Das bietet erhebliche Vorteile, weil Systeme, die eine größere Anzahl von Datenpunkten verwenden, schnellere, genauere Zeit- und Positionsschätzungen erzeugen können. Sie können auch verschiedene Synchronisationssignale über Ethernet akzeptieren. Daher ist es möglich, eine benutzerdefinierte Implementierung zu erstellen, die Ihren Zwecken dient und Ihren Budgetbeschränkungen entspricht.

Welche Datenformate sollte Ihr Server unterstützen? Achten Sie auf

  • MD5-Hash-Authentifizierung
  • SSH für sichere Kommunikation
  • IPv4 / IPv6-Kompatibilität

 

Wichtige Funktionsmerkmale

Je mehr Unternehmens-, Non-Profit- und Consumer-Computing-Operationen auf die Cloud und andere Netzwerkarchitekturen verlagert werden, muss auch die verwendete Hardware weiterentwickelt werden. Auch wenn Zeitserver typischerweise in Innenräumen eingesetzt werden, müssen sie ein gewisses Maß an Robustheit bieten.

Sind Sie beispielsweise sicher, dass Ihre Server in einem heißen, automatisierten Lager der Luftfeuchtigkeit standhalten können, wenn mitten im Sommer die Lüftung ausfällt? Was, wenn Versorgungsbereiche  Ihres Rechenzentrums ausfallen? Ihre Geräte sollten für einen erweiterten Bereich von Umgebungs- und Stromversorgungsbedingungen ausgelegt sein, um sicherzustellen, dass unerwartete Schwankungen keine Ausfälle verursachen.

Denken Sie auch daran, dass die erwartete "Robustheit" nicht nur physischer Natur sein darf. Zuverlässige Server müssen auch weiterhin ordnungsgemäß funktionieren, wenn aus irgendeinem Grund keine Satellitenverbindung besteht. Im Falle eines Signalverlusts verwenden sie hochgenaue interne Oszillatoren, um weiterhin die gleiche genaue Zeit zu liefern, bis der Signalempfang der GNSS-Satelliten oder anderen Quellen wiederhergestellt wurde.

Andere Funktionen machen es einfacher, einzigartige Netzwerke aufzubauen, die mehr tun, als sich nur auf die Zeit zu synchronisieren. Zum Beispiel verfügen einige Server über programmierbare Relais, die sie benützen können, um Schaltungen nach individuellen Tageszeitplänen zu aktivieren.

 

Implementieren Sie eine bessere Netzwerkzeitsteuerung

Sie haben verschiedene Möglichkeiten, eine effektive Netzwerkzeitsynchronisation einzurichten, darauf verzichten können Sie nicht. Auch wenn Hardwarekosten immer eine Rolle spielen, sparen Sie auf lange Sicht Geld, wenn Sie in Zeit-Server investieren.

  • Minimieren Sie Ihre Haftungsrisiken
  • Halten Sie die Synchronizität leichter aufrecht
  • Arbeiten Sie präziser
  • Bieten Sie Ihren Kunden eine erhöhte Genauigkeit

Die Auswahl eines Netzwerkzeitservers ist beim Erstellen eines Netzwerks möglicherweise nicht Ihre einzige Sorge, aber sie ist definitiv eine der wichtigen. Unabhängig davon, ob Sie sich auf IEEE 1588 verlassen oder sich für gesetzlich nachverfolgbare NTP-Implementierungen entscheiden, Ihr Server muss die bewährte Zuverlässigkeit, Robustheit und Flexibilität bieten, die Ihre Abläufe vorantreiben können.

Möchten Sie mehr über GPS-NTP-Serveroptionen erfahren? Sprechen Sie noch heute mit einem Masterclock-Spezialisten. Mit Geräten wie dem NTP100-GPS, der GMR 1000 Master Clock und der GMR 5000 Master Clock in Ihrem Netzwerk wird es einfach, synchron zu bleiben!

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