Причины, вызывающие ошибки синхронизации
Источники частотного рассогласования
• Эффект Допплера
• Нестабильность генераторов
• Частотно-селективные замирания в канале связи
В зависимости от характеристик канала требования по полосе подстройки несущей частоты могут отличаться
Ошибки синхронизации:
Зависание
Проскальзывание
Ложная синхронизация
Проскальзывание:
В случае, если скачок фазы превышает 2π, происходит проскальзывание цикла контура, т.е. мгновенная потеря и восстановление синхронизации
Зависание:
Необходимо условие фазовой синхронизации
Достаточное условие
Зависание – нахождение фазовой ошибки в точке, удовлетворяющей необходимому условию синхронизации, но не удовлетворяющей достаточному условию
Ложная синхронизация:
В случае, когда частота рассогласования приближается к тактовой частоте (ширина полосы в узкополосной системе), возможна ложная синхронизация, т.к. спектральные составляющие рассогласования и информации будут похожи
Установление общего времени в системе связи
Для установления общего времени в системе связи используют два основных протокола синхронизации времени: ptp и ntp.
Оба протокола — PTP и NTP, используются для обеспечения синхронизации устройств в сетях с пакетной коммутацией. Описание протоколов определяет формат пакетов данных, передаваемых между ведущими (Master) и ведомыми (Slave) часами в PTP, и сервером и клиентом в NTP. Выбор того или иного протокола зависит от потребностей системы и её аппаратной реализации.
NTP — это стандартный сетевой протокол, изначально разработанный Дэвидом Л. Миллсом в 1985 году, который очень широко используется до сих пор. Он обеспечивает простой способ синхронизации устройств как в локальных компьютерных сетях, так и в общедоступном Интернете. Точность синхронизации, обеспечиваемая NTP, вполне достаточна для синхронизации вторичных часов, многих вычислительных систем, систем контроля доступа и другого подобного оборудования. Для обеспечения надёжной синхронизации наилучшим решением является размещение в локальной сети собственного сервера NTP, подключенного к приёмнику данных, передаваемых глобальными спутниковыми навигационными системами (ГНСС). Основные преимущества NTP – его надёжность и возможность реализации с использованием стандартного IT-оборудования.
Для синхронизации собственных часов с удалённым сервером, клиент NTP должен вычислить время приёма-передачи (RTD / round-trip delay — время, затраченное на отправку запроса и получение ответа), и смещение (offset, разница между собственным временем и временем сервера). Время приёма-передачи δ вычисляется как
δ=(t4 − t1 ) + (t3 − t2 )
где
t1 — значение времени клиента в момент отправки запроса серверу
t2 — значение времени сервера в момент получения запроса
t3 — значение времени сервера в момент отправки ответа клиенту
t4 — значение времени клиента в момент получения ответа
Значение (t4 − t1) — это время, прошедшее с момента отправки запроса до получения ответа. Значение (t3 − t2) — это время, которое потребовалось серверу для формирования и отправки ответа. Значение смещения θ между временем сервера и клиента вычисляется как
θ=((t2 − t1 ) + (t3 − t4 ))/2
При использовании NTP наиболее высокая точность синхронизации достигается в том случае, когда величины задержек при пересылке пакетов в обоих направлениях (отправка запроса и получение ответа) одинаковы. Загруженность каналов передачи данных и коммутирующего оборудования, использование сложной системы маршрутизации (как, например, при передаче данных в публичных сетях) могут значительно ухудшить эту точность.
NTP использует иерархическую систему источников синхронизации. Каждый уровень такой иерархии называется стратумом и ему присваивается последовательный номер, начинающийся со значения 0 для самого верхнего уровня. Стратум определяет «дистанцию» от сервера в данном уровне до эталонного источника синхронизации. Важно понимать, что уровень стратума сам по себе никак не является показателем точности и / или надёжности конкретного сервера как источника синхронизации. Определение стратума в NTP также отличается от понятия «страта часов», используемого в телекоммуникационных системах.
Обычно в качестве эталонных часов, имеющих нулевой стратум, используются часы ГНСС. В этом случае сервер NTP, использующий в качестве источника синхронизации подключенный к нему приёмник сигналов ГНСС, будет иметь стратум 1.
Протокол PTP также используется для синхронизации устройств в сетях с пакетной коммутацией. PTP позволяет обеспечить высокоточную и надёжную синхронизацию в локальных или глобальных сетях для различных систем и приложений. Реализация PTP определяется стандартом IEEE 1588.
Синхронизация шкалы времени подчинённых часов со шкалой времени основных часов выполняется в два этапа. На первом этапе подчинённые часы подстраивают частоту собственного генератора так, чтобы она совпадала с частотой генератора подстройки частоты собственного генератора. Разница между двумя последовательными временными метками t1 позволяет подчинённым часам определить период рассылки сообщений sync основными часами. Сравнивая отметки t1 с собственными отметками времени t2, подчинённые часы вычисляют отклонение частоты собственного генератора и компенсируют его. Этот процесс выполняется регулярно и позволяет устранить изменения частоты, вызванные внешними условиями – например, изменением температуры окружающей среды.
Синхронизация
После выполнения подстройки частоты выполняется синхронизация – совмещение собственной шкалы времени со шкалой основных часов. Этот процесс начинается при получении сообщения sуnc (и сообщений follow up в двухэтапном режиме). Далее подчинённые часы отправляют запрос определения задержки delay request и получают ответ delay response. В результате этого процесса подчинённые часы получают значения меток времени t1 – t4, позволяющие рассчитать величину смещения шкалы времени и устранить её.
В целом, процесс синхронизации PTP довольно схож с аналогичным процессом NTP, однако PTP позволяет обеспечить гораздо более высокую точность. Это достигается за счёт обязательного использования специализированного оборудования, способного аппаратно проставлять метки времени в передаваемых пакетах времени непосредственно перед моментом передачи их в канал связи.
Синхронизация клиента PTP
Стандарт не описывает, каким образом клиент PTP выполняет процесс совмещения собственной шкалы времени со шкалой основных часов на этапе синхронизации. Этот процесс может быть реализован двумя способами:
Плавная подстройка – клиент ускоряет или замедляет собственную шкалу времени, до того момента, пока она не совпадёт со шкалой времени основных часов.
Немедленная установка – клиент одномоментно, за один шаг, устанавливает значение текущего времени в соответствии с полученными от основных часов данными.
Выбор способа зависит от типа приложений, требующих выполнения синхронизации. Например, для многих служб протоколирования последовательных событий (например, ведение журналов ошибок) скачки в собственной шкале времени являются недопустимыми или нежелательными. В этом случае следует использовать плавную подстройку. В других случаях, когда критически важны точные значения текущего времени, предпочтительным является немедленная установка значений – после обнаружения смещения правильное текущее время будет установлено сразу же.
Сравнение NTP и PTP
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: приведенная ниже информация не может являться истинной во всех случаях. Результаты сравнения зависят от условий в каждом конкретном случае и могут отличаться в реальных приложениях. Ниже сделана попытка противопоставления и оценки основных факторов, которые сравнивались друг с другом, чтобы показать преимущества соответствующего протокола. Важно понимать, что не существует чёткой «разделительной линии» – используемые приложения должны определять выбор протокола.
Серверы NTP и PTP используются для синхронизации компьютеров, микропроцессорных систем и других устройств в сетях Ethernet.
NTP, используемый для синхронизации на уровне приложений
Нет высоких требований к точности
Нет требований к гарантии синхронизации
Пример: файлы журналов ошибок с отметками времени
PTP, используемый для точной синхронизации
Критически важные приложения
Выделенное оборудование для минимизации проблем синхронизации в сети
Высокопроизводительные алгоритмы для устранения джиттера в сети и оборудования
Объём передаваемых данных
Нагрузка на сеть в обоих протоколах в основном зависит от используемых настроек.
Количество клиентов
NTP
В режиме Multicast, теоретически, нет никаких ограничений на количество клиентов. В этом режиме сервер отправляет пакет, который доставляется всем клиентам, входящим в группу, поэтому количество клиентов никак не влияет на загрузку сервера NTP.
В режиме Unicast сервер NTP должен быть способен ответить на каждый запрос от каждого из клиентов в сети. Современные серверы NTP обычно способны обслуживать до нескольких тысяч запросов в секунду без ухудшения точности.
Для самих клиентов количество других клиентов никак не отражается на их работе.
PTP
PTP в основном использует многоадресную (Multicast) передачу данных, поэтому нагрузка на сеть будет увеличиваться с каждым подключенным устройством. Каждое устройство должно быть способно обрабатывать все передаваемые многоадресные сообщения в сети.
В этой конфигурации максимальное количество клиентов зависит от всех подключенных устройств, а не только от основных часов. Если используется одноадресный (Unicast) режим, это ограничение снимается, и ограничение определяется только основными часами. Основные часы способны отвечать на несколько тысяч запросов в секунду без снижения точности. В целом, количество поддерживаемых клиентов сильно зависит от настроенных интервалов.
Выбор протокола
Как PTP, так и NTP обеспечивают синхронизацию времени в сетях с коммутацией пакетов. Но они не предназначены для одних и тех же приложений. Какой из протоколов будет являться предпочтительным, зависит от требований системы.
NTP — это хороший выбор в тех случаях, когда достаточно точности синхронизации в диапазоне миллисекунд. Для таких применений NTP является самым простым и экономичным решением. Он надежен, стабилен и прост в настройке, и не требует каких-либо специальных конфигураций или оборудования в базовой сети.
Типичными примерами использования NTP являются синхронизация часов, ведение журналов (лог-файлов) и т. п.
PTP необходим там, где требуется более высокий уровень точности:
Телекоммуникации – синхронизация базовых станций
Транспорт, управление трафиком – синхронизация различного управляющего оборудования или различных служб / подразделений
Трансляция – синхронизация аудио- и видеооборудования
Энергетика – синхронизация оборудования подстанций
Банковское дело – синхронизация для высокоскоростной торговли
С помощью PTP возможна суб-микросекундная и даже наносекундная точность синхронизации. Ключевой особенностью PTP, позволяющей добиться такой точности, является аппаратное проставление временных отметок, выполняемое непосредственно перед отправкой пакета данных в канал связи. Недостатком PTP является необходимость в специализированном (и обычно более дорогостоящем) оборудовании, способном обеспечить поддержку PTP и тщательно спроектированной сети.
Билет 7