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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 NTP-Server 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.

Die NTP oder Zeitcode synchronisierten digitalen Netzwerkuhren von Masterclock oder Lange-Electronic sind in verschiedenen Größen und Gehäuse- und LED-Farben und auch als doppelseitige digitale Zeitdisplays erhältlich.

Die LED-Zeitanzeigen werden ins Ethernet integriert und über NTP oder SNTP gesteuert oder an den Zeitcodeausgang einer Masterclock angeschlossen.

Die verschiedenen Größen der LED Ziffern können eine Sichtweite von einer angenehmen Helligkeit in kleineren Räumen bis zu mindestens 100 Meter abdecken.

Es sind Displays mit 4 Ziffern bis hin zu mehr als neun Ziffern erhältlich. Auch zusätzliche programmierbare Textzeilen sind möglich.

Montage

Es sind Befestigungen erhältlich für

  • die Montage direkt an die Wand,
  • für eine Deckenmontage oder
  • eine seitliche Wandmontage.
  • Auf den Befestigungsmöglichkeiten, kann das Display bei Bedarf gekippt oder geschwenkt montiert werden.
  • Auch 19" Rackmount Befestigungen sind für die digitalen Uhren bis zu dieser Breite erhältlich.
  • Zudem gibt es auch für die größeren digitalen Zeitdisplays feste Einbaurahmen für einen Einbau in eine Wand.

 

Zum Shop: Digitale NTP Uhren

Die analogen Netzwerkuhren von Masterclock liefern exakte Zeitangaben, die von einer Hauptuhr (Masterclock), einem NTP- oder SNTP-Zeitserver oder einer Timecode-Quelle referenziert werden.

Die Uhren sind in verschiedenen Größen und Farben und auch als doppelseitige analoge Uhren mit seitlicher Wandmontage erhältlich.

Über einen leisen Motor werden die Zeiger der Uhr schnell und automatisch auf einen Zeitserver synchronisiert.

Montage

Es sind Befestigungen erhältlich für die Montage direkt an die Wand, für eine Deckenmontage oder eine seitliche Wandmontage.

 

Zum Shop: analoge NTP Uhren

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

Sobald mehrere Systeme - Data Acquisition Systeme, Computer, Sensoren, Kameras - an der Durchführung und Auswertung eines Versuchsaufbaus beteiligt sind, müssen sie eine gemeinsame präzise Zeit nutzen. Sonst lassen sich die an unterschiedlichen Stellen anfallenden Daten nicht mehr in Verbindung bringen.

Der amerikanische SMPTE und der europäische EBU Zeitcode wurden entwickelt, um Geräte zeitlich zu synchronisieren, die an Filmproduktionen beteiligt sind.

Nicht überall, wo eine genaue Zeit benötigt wird, kann man ein Kabel zur Synchronisation legen - und der Antennenempfang ist noch häufiger nicht möglich.

Mit dem HaveQuick Frequenzy Hopping werden militärische Funknachrichten abhörsicher gemacht. Alle bekannten Teilnehmer einer Funkverbindung wechseln zeitgleich die Funkfrequenz, nach einem nur ihnen bekannten Muster.

Ein U-Boot benötigt eine sehr genaue Zeit. Da es nur ab und zu Antennenempfang hat muss die Central Timing Unit an Bord die verwendete Zeit zuverlässig selbst weiter generieren.

Bei Tests von Flugzeugen werden große Mengen Daten von unterschiedlichen Sensoren gesammelt, die später im Zusammenhang ausgewertet werden.

Um die Korrelation herstellen zu können, werden alle Daten mit einem Zeitstempel versehen.

Ein System, das eine gemeinsame Zeit benutzt, hat eine "Mutteruhr", eine Uhr, die die Zeitbasis vorgibt.

Die Grundlage für das Messen von Zeit ist ein gleichmäßiger Takt, also eine Schwingung oder Frequenz - bei mechanischen Uhren von einem Pendel oder einer Unruh erzeugt.

Auf diese Frequenz wird eine Zeitinformation moduliert.

Eine sehr präzise Uhr verfügt über eine genaue Ursprungszeit und wird darüberhinaus auf ihre Stabilität hin durch mindestens eine Referenz überprüft und korrigiert.

Der Zeitcode ist ein kontinuierliches Signal, das Zeit- und Datumsinformationen enthält.

Definition eines seriellen IRIG B Zeitcodes mit der "Zeit des Jahres", Control Function Bits und der "Zeit des Tages" in Sekunden:

 

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)

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.

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

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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