65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.
Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.
Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.
ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.
Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.
Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.
Как показывает опыт использования морского хронометра, единый контроль времени – это важнейшее преимущество, позволяющее с точностью рассчитать работу всех устройств системы.
В эпоху Великих географических открытий Британская Империя совершила резкий прорыв в мореходстве, и всё это благодаря нехитрому изобретению – морскому хронометру – устройству, способному точно измерять время даже в морских условиях. Путём настройки хронометра в соответствии со временем портового города Гринвича и сравниванием показателей устройства с положением солнца на небе, британские моряки определяли время своего плавания с высокой точностью. Хронометр для них был не чем иным, как уникальным открытием: большим шагом вперёд, который позволил британцам обойти всех своих современников. И пусть с тех пор прошло много времени, но и сегодня такой хронометр играет важную роль для всей планеты, ведь благодаря ему был установлен мировой стандарт времени по Гринвичу (GMT).
Возможность точно измерять время – большое преимущество при работе с промышленными сетями. Это особенно актуально в работе на энергетических станциях, где требуются сверхточные показания времени для управления, синхронизации и настройки сетевого оборудования. Высокий уровень точности в измерениях позволяет использовать резервы промышленных сетей, при помощи которых значительно повышается эффективность работы, стабильность, безопасность и возможность подстраивать систему под требования конечного пользователя.
Мы рассмотрим процесс синхронизации промышленных сетей, необходимый для работы с современными системами, в основном, на энергетических подстанциях.
Также будет рассмотрена система работы с технологиями измерения времени, NTP, GPS и протокол IEEE 1588 v2 для получения сверхточных данных, при помощи которого можно собрать полную информацию о работе всей сети.
История технологий синхронизации по времени.
В промышленности для синхронизации сетевого оборудования используются часы. На основании получаемых с них данных координируется работа всего задействованного оборудования. В настоящее время интеграторы сетей используют несколько способов для синхронизации времени. Каждый способ имеет как свои недостатки, так и свои преимущества, и не всякий подойдёт для работы с промышленными системами.
Организация Inter-range Instrumentation Group (IRIG) утвердила стандарт для работы в сетях с последовательной коммутацией устройств. Технологии кодировки времени, разработанные IRIG в 1956г, были основой для работы систем прошлого поколения. В настоящее время стандарт IRIGB 205-87 является новейшим вариантом обновления.
Сетевой Протокол Времени (NTP) : NTP – это протокол времени для данных сети, впервые появившийся в 1985г. Работа протокола NTP строится на иерархии уровней, при помощи которых поступает информация об общем для всей сети времени на данный момент. Иерархия NTP по своей сути представлена древом, что позволяет избежать повтора циклов в системе.
NTP делит сеть на разные уровни
(источник: B.D. Esham для Wikimedia Commons)
Система Глобального Позиционирования (GPS) : спутники GPS являются сверхточными атомными часовыми механизмами, расположенными на орбите нашей планеты. Их данные по времени способны передаваться со скоростью света на приёмники, расположенные на земле. Эти данные также корректируются по принципам относительности, что позволяет приёмнику получить сверхточные данные о текущем времени.
Возможные неполадки при синхронизации по времени
Множество ныне существующих систем синхронизации по времени или несовершенны, или слишком дороги.
Промышленные системы, такие как автоматизированные сети подстанции, основаны на точных данных синхронизации, что позволяет управлять процессом работы различных подсистем и устройств, входящих в них. Однако многие технологии, использующиеся в этой среде, не соответствуют требованиям, предъявляемым к передаче данных и контролю таких систем.
Точность: Для безупречной работы промышленных сетей важна каждая наносекунда, но большинство используемых технологий попросту не могут обеспечить работу систем на таком уровне. Например, автоматизированная сеть подстанции должна работать на наносекундном уровне с данными, чтобы лучше поддерживать работу особо важных приложений (запись ошибок, удалённое наблюдение, удалённое управление). Стандарты IRIGB и NTP не позволяют работать системе на уровне наносекундной точности. Даже при стандартных условиях работы погрешность стандарта NTP составляет сотни микросекунд.
Стоимость: GPS сеть обеспечивает очень высокую точность работы с информацией благодаря атомным часам, но чтобы такая же точность соблюдалась в работе всей системы, каждый её уровень должен работать с данными отдельных GPS-приёмников. Это подразумевает очень большие денежные вложения, так что такое решение нельзя назвать рациональным. Работа с данными GPS была бы идеальным вариантом, если бы удалось сократить количество требуемых GPS-приёмников на каждый узел сети, или более эффективно использовать изначальное малое количество таких устройств, которые могли бы обеспечивать работу со сверхточными данными GPS всей системы.
Протокол IEEE 1588v2 был специально разработан для того, чтобы промышленные системы могли работать с высочайшей точностью и не требовать дополнительных денежных затрат.
Технологии NTP, GPS, и IRIGB не соответствуют требованиям, предъявляемым к полноценной работе на подстанциях. Протокол точного времени (РТР) IEEE 1588v2 был специально разработан для применения в области промышленных сетей и систем управления. В сети, работающей согласно стандарту IEEE 1588v2, главные часы устанавливают время для всей остальной системы подстанции. Ethernet-коммутатор работает как определяющее время устройство, а объединители, устройства защиты, и др., как стационарные часы. Все устройства работают по принципу «master-slave», где вверху схемы расположено устройство, выполняющее функцию главных часов. На рисунке ниже продемонстрирован обмен пакета данными РТР между master- и slave- устройствами, и настройка стационарных часов, при помощи которой синхронизируется вся сеть. Связь с GPS необходима только главным часам, таким образом, все данные будут точно разосланы по остальным устройствам сети.
Чтобы работать с протоколом IEEE 1588v2, системе нужен лишь один приёмник GPS. Это обеспечит точную передачу данных всем устройствам в сети.
Ethernet коммутатор с поддержкой протокола IEEE 1588v2 обеспечивает точную передачу данных (до 1 микросекунды) и может быть использован в качестве главных часов. Чтобы передача данных получилась максимально точной, остальные устройства сети также должны поддерживать протокол IEEE 1588v2. В сети промышленной автоматизации компьютеры, поддерживающие протокол IEEE 1588v2, выполняют функцию стационарных часов, которые получают синхронизированные по времени данные от коммутатора Ethernet.
Для полной синхронизации все устройства сети должны поддерживать протокол IEEE 1588v2, включая встраиваемые компьютеры.
Когда все устройства сети поддерживают протокол IEEE 1588v2, система может передавать данные на наносекундном уровне, что обеспечивает точную синхронизацию. Возможность работы на таком уровне особенно подходит для использования оборудования на энергетических станциях, поэтому стандарт IEEE 1588v2 и является частью стандарта IEC 61850-2, отвечающего требованиям сетей промышленной энергетики. Международная Электротехническая Комиссия (IEC) включила протокол IEEE 1588v2 в стандарт, т.к. точная синхронизация по времени в сетях промышленной энергетики влияет качество исполнения следующих задач:
Стандарт IEEE 1588v2 не только помогает сэкономить средства на организации работы сети, но также обеспечивает высокую точность передачи данных на наносекундном уровне. Это позволяет подстанциям и другим системам энергетических сетей повысить планку конкурентоспособности и выглядеть на голову выше аналогичных организаций, не использующих в своей работе устройства, стандартизированные согласно IEEE 1588v2. Ведь система «умной сети» позволяет синхронизированным подстанциям быть намного производительнее, экономичнее, легче в управлении и надёжнее. Все эти преимущества позволяют организациям повысить рентабельность производства и максимально снизить вред, причиняемый окружающей среде.
Fast Ethernet коммутаторы МОХА модели PT-7728-PTP IEC 61850-3 поддерживают протокол PTP стандарта IEEE 1588v2, чем гарантируют точную синхронизацию по времени сети подстанции и её устройств.
Характеристика коммутатора :
Для полноценной работы в сети МОХА предлагает встраиваемые компьютеры серии / с поддержкой стандарта IEEE 1588v2.
Характеристика компьютеров:
Настройте протокол PTP IEEE 1588v2 для работы с компьютером DA-683 всего за несколько минут при помощи помощника автоматической установки
_______________________________________________________________________
Вы можете легко найти устройство, которое соответствует требованиям синхронизации по времени для вашей сети и уточнить его стоимость на официальном сайте IPC2U
Отказ от ответственности Данный документ предназначен только для ознакомления с общей информацией, его содержание может меняться без уведомления. Не гарантируется, что вся информация, представленная в данном документе касательно устройств, условий эксплуатации, их характеристики, условий продажи или иных аспектов указана без ошибок. Мы снимаем с себя всякие обязательства и не несём никакой ответственности за любые действия, предпосылкой к которым послужила информация, указанная в данном документе.
Протокол NTP (Network Time Protocol)
Этот протокол сетевой синхронизации времени в настоящее время является самым популярным. NTP - это общий метод синхронизации аппаратных часов в локальных и глобальных сетях. Основная концепция протокола NTP была опубликована в 1988 году, в так называемой "версии 1" RFC. Практические аспекты использования этого протокола в сети интернет привели к появлению в 1989 году "версии 2". В настоящее время используется "версия 3" (Mills90) ntp-протокола, на основе рекомендации RFC-1305.
Способ работы протокола NTP несколько отличается от большинства других протоколов. NTP не синхронизирует все подключенные в сеть часы, он организует иерархию серверов времени и клиентов. Каждый уровень в этой иерархии называется stratum. Stratum-1 - это наивысший уровень. Сервер времени на этом уровне синхронизирует себя от внешнего опорного источника синхросигнала: радиосигналы, сигналы от спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, встроенный высокостабильный генератор и т.д. Далее сигнал синхронизации распространяется по сети нескольким клиентам, которые находятся на более низком уровне иерархии stratum-2.
Протокол NTP позволяет сравнивать локальное аппаратное время и производить подстройку часов. Точность синхронизации по протоколу NTP в среднем составляет 10 мс. Часто можно достичь точности около 0,2 мс.
В 1956 году американской организации Inter Range Instrumentation Group (IRIG) было поручено провести стандартизацию форматов передачи временных кодов. Документ под номером 104-60 определил оригинальный формат протокола IRIG. В настоящее время последняя версия протокола IRIG соответствует стандарту 200-98.
Описание формата IRIG
Заголовок протокола IRIG состоит из одной буквы и трёх последующих цифр. Каждая буква или цифра отражает атрибут соответствующего IRIG-кода. Следующая таблица представляет стандартные типы форматов протокола IRIG в соответствии со стандартом 200-98:
| IRIG A | IRIG B | IRIG D | IRIG E | IRIG G | IRIG H |
|---|---|---|---|---|---|
| A000 | B000 | D001 | E001 | G001 | H001 |
| A003 | B003 | D002 | E002 | G002 | H002 |
| A130 | B120 | D111 | E111 | G141 | H111 |
| A132 | B122 | D112 | E112 | G142 | H112 |
| A133 | B123 | D121 | E121 | H121 | |
| D122 | E122 | H122 |
Форматы кодов составляются следующим образом:
| первая буква: Rate Designation |
A B D E G H |
1000 PPS 100 PPS 1 PPM 10 PPS 10000 PPS 1 PPS |
| первая цифра: Form Designation |
0 1 |
DC Level Shift (DCLS), width coded, no carrier Sine wave carrier, amplitude modulated |
| вторая цифра: Carrier Resolution |
0 1 2 3 4 |
No carrier(DCLS) 100 Hz / 10 millisecond resolution 1 kHz / 1 millisecond resolution 10 kHz / 100 microsecond resolution 100 kHz / 10 microsecond resolution |
| третья цифра: Coded Expressions |
0 1 2 3 |
BCD, CF, SBS BCD, CF BCD BCD, SBS |
принятые аббревиатуры:
BCD - Binary Coded Decimal, coding of time (HH,MM,SS,DDD)
SBS - Straight Binary Second of day (0....86400)
CF - Control Functions depending on the user application
Общая структура IRIG-кода:
(для увеличения щёлкните по рисунку)
Модулированные IRIG-коды
Модулированные IRIG-коды состоят из несущей частоты, которая модулируется кодом времени. Несущая частота определяется именем формата временного кода, как показано в предыдущей таблице.
Пример: B123
Также широко используется формат AFNOR NFS-87-500. Он не является разновидностью IRIG-кода, но очень на него похож.
Технологии передачи модулированных кодов:
Уровень сигнала IRIG-кода в стандарте IRIG 200-98 не определен.
Немодулированные IRIG-коды
Технологии передачи немодулированных кодов:
Компания "Прайм Тайм" предлагает широкий перечнь серверов точного времени, использующих в работе протоколы NTP, IRIG и AFNOR. Более подробная информация об изделиях
В 2005 году была начата работа по изменению стандарта IEEE1588-2002 с целью расширения возможных областей его применения (телекоммуникации, беспроводная связь и в др.). Результатом работы стало новое издание IEEE1588-2008, которое доступно с марта 2008 со следующими новыми особенностями:
В системах, где используется протокол PTP, различают два вида часов: ведущие часы и ведомые часы. Ведущие часы, в идеале, контролируются либо радиочасами, либо GPS-приемниками и осуществляют синхронизацию ведомых часов. Часы в конечном устройстве, неважно ведущие ли они или ведомые, считаются обычными часами; часы в составе устройств сети, выполняющих функцию передачи и маршрутизации данных (например, в Ethernet-коммутаторах), считаются граничными часами.
Рис. 1. Согласно протоколу PTP синхронизация устройств по времени осуществляется на основе схемы «ведущий - ведомый».
Процедура синхронизации согласно протоколу PTP подразделяется на два этапа. На первом этапе осуществляется коррекция разницы показаний времени между ведущими и ведомыми часами - то есть осуществляется так называемая коррекция смещения показаний времени. Для этого ведущее устройство осуществляет передачу сообщения для целей синхронизации времени Sync ведомому устройству (сообщение типа Sync). Сообщение содержит в себе текущее показание времени ведущих часов и его передача осуществляется периодически через фиксированные интервалы времени.
Однако поскольку считывание показаний ведущих часов, обработка данных и передача через контроллер Ethernet занимает некоторое время, информация в передаваемом сообщении к моменту его приема оказывается неактуальной. Одновременно с этим осуществляется как можно более точная фиксация момента времени, в который сообщение Sync уходит от отправителя, в составе которого находятся ведущие часы (TM1). Затем ведущее устройство осуществляет передачу зафиксированного момента времени передачи сообщения Sync ведомым устройствам (сообщение FollowUp). Те также как можно точнее осуществляют измерение момента времени приема первого сообщения (TS1) и вычисляют величину, на которую необходимо выполнить коррекцию разницы в показаниях времени между собою и ведущим устройством соответственно (O) (см. рис. 1 и рис. 2). Затем непосредственно осуществляется коррекция показаний часов в составе ведомых устройств на величину смещения. Если задержки в передачи сообщений по сети не было, то можно утверждать, что устройства синхронизированы по времени.
Рис. 3. Вычисление времени задержки сообщений в коммутаторах.
Задержка в передачи сообщения в обоих направлениях будет идентичной в том случае, если устройства соединены между собой по одной линии связи и только. Если в сети между устройствами имеются коммутаторы или маршрутизаторы, то симметричной задержка в передачи сообщения между устройствами не будет, поскольку коммутаторы в сети осуществляют сохранение тех пакетов данных, которые проходят через них, и реализуется определенная очередность их передачи. Эта особенность может, в некоторых случаях, значительным образом влиять на величину задержки в передаче сообщений (возможны значительные отличия во временах передачи данных). При низкой информационной загрузке сети этот эффект оказывает малое влияние, однако при высокой информационной загрузке, указанное может значительным образом повлиять на точность синхронизации времени. Для исключения больших погрешностей был предложен специальный метод и введено понятие граничных часов, которые реализуются в составе коммутаторов сети. Данные граничные часы синхронизируются по времени с часами ведущего устройства. Далее коммутатор по каждому порту является ведущим устройством для всех ведомых устройств, подключенных к его портам, в которых осуществляется соответствующая синхронизация часов. Таким образом, синхронизация всегда осуществляется по схеме точка-точка и характерна практически одинаковая задержка в передаче сообщения в прямом и обратном направлении, а также практическая неизменность этой задержки по величине от одной передачи сообщения к другой.
Хотя принцип, основанный на использовании граничных часов показал свою практическую эффективность, другой механизм был определен во второй версии протокола PTPv2 - механизм использования т. н. прозрачных часов. Данный механизм предотвращает накопление погрешности, обусловленной изменением величины задержек в передаче сообщений синхронизации коммутаторами и предотвращает снижение точности синхронизации в случае наличия сети с большим числом каскадно-соединенных коммутаторов. При использовании такого механизма передача сообщений синхронизации осуществляется от ведущего устройства ведомому, как и передача любого другого сообщения в сети. Однако когда сообщение синхронизации проходит через коммутатор фиксируется задержка его передачи коммутатором. Задержка фиксируется в специальном поле коррекции в составе первого сообщения синхронизации Sync или в составе последующего сообщения FollowUp (см. рис. 2). При передаче сообщений Delay Request и Delay Response также осуществляется фиксация времени задержки их в коммутаторе. Таким образом, реализация поддержки т. н. прозрачных часов в составе коммутаторов позволяет компенсировать задержки, возникающие непосредственно в них.
Если необходимо использование протокола PTP в системе, должен быть реализован стек протокола PTP. Это может быть сделано при предъявлении минимальных требований к производительности процессоров устройств и к пропускной способности сети. Это очень важно для реализации стека протокола в простых и дешевых устройствах. Протокол PTP может быть без труда реализован даже в системах, построенных на дешевых контроллерах (32 бита).
Единственное требование, которое необходимо удовлетворить для обеспечения высокой точности синхронизации, - как можно более точное измерение устройствами момента времени, в который осуществляется передача сообщения, и момента времени, когда осуществляется прием сообщения. Измерение должно производиться максимально близко к аппаратной части (например, непосредственно в драйвере) и с максимально возможной точностью. В реализациях исключительно на программном уровне архитектура и производительность системы непосредственно ограничивают максимально допустимую точность.
При использовании дополнительной поддержки аппаратного обеспечения для присвоения меток времени, точность может быть значительным образом повышена и может быть обеспечена ее виртуальная независимость от программного обеспечения. Для этого необходимо использование дополнительной логики, которая может быть реализована в программируемой логической интегральной схеме или специализированной для решения конкретной задачи интегральной схеме на сетевом входе.
Протокол PTP во многих областях уже доказал эффективность своего применения. Можно быть уверенным, что он получит более широкое распространение в течение следующих лет и что многие решения при его использовании смогут быть реализованы более просто и эффективно чем при использовании других технологий.
т е х н о л о г и и
С.Телегин
Протокол PTP для синхронизации сетей NGN
вопросы применения
В статье рассматривается задача синхронизации сетей передачи данных следующего поколения (NGN). В
качестве альтернативного метода передачи синхронизации автор предлагает использовать протокол PTP. Приведены характеристики систем синхронизации на основе протокола PTP (IEEE 1588) в сравнении с системами, использующими шину PXI, а также протокол NTP.
Проблема синхронизации в сетях NGN
Развитие телекоммуникационных технологий и сетей передачи данных постепенно приводит к построению операторами связи конвергентных сетей следующего поколения (NGN – Next Generation Networks). Основное отличие таких сетей от традиционных сетей с синхронной цифровой иерархией (SDH) – в них для магистральной передачи данных наряду с обычными синхронными каналами используются такие асинхронные технологии, как Ethernet (Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet). Главным требованием операторов связи к сетям следующего поколения является одновременная передача голоса, видео и данных по единой сети.
При переходе от традиционных сетей передачи данных, основанных на временном мультиплексировании, к сетям NGN особое внимание уделяется передаче сигналов синхронизации. Синхронизация оборудования необходима в первую очередь для безошибочной передачи данных реального времени – голоса и видеоизображений. Поскольку в сетях Ethernet используется коммутация пакетов, которая в силу статистических свойств распространения пакетов данных по асинхронным каналам передачи разрушает изначально синхронизированный поток данных, передача синхронизации в сетях NGN выделяется в отдельную задачу. Для передачи синхронных данных по сетям с коммутацией пакетов, как правило, используется эмуляция каналов с временным мультиплексированием, заключающаяся в инкапсуляции синхронных данных в UDP-датаграм- мы и последующем их восстановлении на узле назначения .
ПЕРВАЯ МИЛЯ 5–6/2009 |
|
Для безошибочного восстановления переданных данных на стыке асинхронного и синхронного каналов оборудование также должно получать синхросигнал. Требования к стабильности синхросигнала варьируются в зависимости от конкретного назначения сети передачи данных. Так, в операторских сетях по предоставлению услуг телефонии и доступа в Интернет требования к синхронизации являются достаточно мягкими – 50 ppm (единиц на миллион), а в сотовых сетях для бесшовного перехода мобильных абонентов от одной базовой станции к другой необходима стабильность 50 ppb (единиц на миллиард).
Способы синхронизации сетей NGN
В рекомендации ITU-T G.8261 рассмотрены три основных способа восстановления синхронизации на границах транспортной среды с коммутацией пакетов при передаче в ней группового сигнала с временным мультиплексированием в виде услуги эмуляции каналов. Для этого в оконечном станционном оборудовании должны быть предусмотрены функции межсетевого взаимодействия. Все абоненты транспортной среды с коммутацией пакетов могут получать тактовую частоту от сети синхронизации посредством обычного централизованного распределения (рис.1). Если абонентское оборудование работает на собственной тактовой частоте (рис.2), то на границе сети с коммутацией пакетов ее восстанавливают различными относительными способами, например, с помощью алгоритма согласования скоростей SRTS. В обоих случаях в узле межсетевого взаимодействия должен быть доступ к стыку с генератором первичной синхрони-
т е х н о л о г и и
зации (PRC). Для этого оператор сети NGN должен либо строить отдельную сеть синхронизации, либо арендовать ее у существующих операторов транспортной сети SDH.
Существует множество примеров локальной синхронизации оборудования. Так, например, в станционном помещении размещают недорогой источник первичной синхронизации (PRS) на основе GPS и распределяют от него тактовую частоту с помощью беспроводных технологий или по обычным выделенным кабелям, в физической среде Ethernet, а также c помощью других оригинальных схем . Если построение сети синхронизации (или использование стыков синхронизации) невозможно или нежелательно, то применяют самый простой, но проблематичный из соображений стабильности адаптивный способ согласования скоростей приема и передачи (рис.3).
Результаты проведенных исследований показывают, что адаптивный способ можно применять, если абонент не предъявляет строгих требований к стабильности своей тактовой частоты, в противном случае необходимо дополнительное аппаратное сглаживание восстановленного синхросигнала. Альтернативой адаптивному методу является использование протокола RTP при инкапсуляции данных с временным мультиплексированием в пакеты асинхронных данных (рис.4). Как показали эксперименты, в данном случае при высокой стабильности восстановленного синхросигнала оборудование оказывается слабочувствительным к изменению частоты на источнике синхронизации, что является необходимым, например, в сотовых сетях при переходе на резервный синхросигнал.
Протокол PTP
Следующей ступенью развития, по-видимому, станет отдельная передача сигналов синхронизации сети с коммутацией пакетов с
помощью специально разработанных протоколов (рис.5). На данный момент таковыми являются протоколы NTP и PTP . Эти протоколы изначально создавались для синхронизации времени в различных устройствах сети, но в случае успешной синхронизации часов также становится возможным реализация алгоритмов синхронизации тактовых частот для восстановления данных реального времени. Протокол NTP (Network Time Protocol) широко используется для синхронизации текущего времени на прикладном уровне. В отличие от него, протокол "точного времени" PTP (Precision Time Protocol) действует на втором уровне модели взаимодействия открытых систем (OSI). Протокол РТР описан в стандарте IEEE 1588. Ожидается, что в дальнейшем РТР может быть использован как для высокоточной синхронизации текущего времени, так и для тактовой синхронизации оборудования. Рассмотрим данный протокол более подробно.
Стандарт IEEE 1588 предполагает, что протокол РТР предоставляет стандартный метод синхронизации устройств в сети с точностью выше 1 мкс (до 10 нс). Данный протокол обеспечивает синхронизацию ведомых устройств от ведущего, удостоверяясь, что события и временные метки на всех устройствах используют одну и ту же временную базу. В протоколе предусмотрены две ступени для синхронизации устройств: определе-
Рис. 3 Адаптивная синхронизация
Рис.4 |
Передача синхронизации с помощью RTP |
Рис.5 |
Передача синхронизации с помощью PTP |
ПЕРВАЯ МИЛЯ 5–6/2009 |
|
Рис. 6 Алгоритм работы PTP
ние ведущего устройства (1) и коррекция разбега во времени, вызванного смещением отсчета часов в каждом устройстве и задержками в передаче данных по сети (2). При инициализации системы протокол PTP использует алгоритм "наилучших ведущих часов" для определения самого точного источника синхронизации в сети. Такое устройство становится ведущим, а все остальные устройства в сети – ведомые и подстраивают свои часы по ведущему устройству.
Разница во времени между ведущим и ведомым устройствами является комбинацией смещения отсчета часов и задержки передачи синхронизирующего сообщения. Поэтому коррекция временного сдвига должна выполняться в два этапа: вычисление задержек передачи и сдвига, а затем их коррекция. Рассмотрим последовательность синхронизации часов двух устройств (рис.6).
Ведущее устройство начинает коррекцию сдвига часов, используя сообщения Sync и Follow-up. В сообщении Follow-up указывается время отправления сообщения Sync (ТМ1 ), измеренное наиболее близко к среде передачи для минимизации ошибки во времени опорного источника. После того, как ведомое устройство получает первые сообщения Sync и Follow-up, оно использует свои часы для отметки времени прибытия сообщения Sync (TS1 ) и сравнивает данную отметку с той, что пришла от ведущего устройства в сообщении Follow-up. Разница между этими двумя метками отражает сдвиг часов T0 плюс задержку передачи сообщения от ведущего устройства к ведомому ∆TMS : TS1 – TM1 = T0 + ∆TMS .
Для вычисления времени задержки передачи сообщения и сдвига отсчета часов ведомое устройство отправляет сообщение Delay_request со своим временем TS2 . Ведущее устройство отмечает прибытие данного сообщения и отправляет в ответ сообщение Delay_response меткой TM2 . Разница между двумя метками – это задержка передачи от ведомого устройства к ведущему ∆TSM минус сдвиг в отсчете ведомого устройства: TM2 – TS2 =∆TSM – T0 .
При вычислении задержки передачи сообщения принимается, что средняя задержка передачи данных в канале рав-
на среднему арифметическому задержек распространения в разные стороны канала:
T MS + T SM |
|||
Зная времена TS1 , TM1 , TM2 и TS2 , ведомое устройство вычисляет усредненную задержку распространения в канале передачи данных:
T = (TS1 − TM1 ) + (TM2 − TS2 ) . 2
Финальная синхронизация часов выполняется после отправки ведущим устройством второго набора сообщений Sync (TS3 ) и Follow-up (TM3 ). Ведомое устройство вычисляет сдвиг своих часов по формуле T0 = TS3 – TM3 – ∆T.
После этого ведомое устройство подстраивает свои часы в соответствии с вычисленными значениями. Поскольку опорные источники синхронизации в каждом устройстве нестабильны, а задержки в канале могут меняться со временем, необходимо периодически повторять коррекцию часов ведомого устройства.
Особенности реализации протокола PTP
Большинство реализаций PTP имеют отклонение меньше 1 мкс, однако реальная точность работы зависит от приложения. Протокол PTP в устройствах реализуют тремя способами: программным, программно-аппаратным и аппаратным. Программные реализации РТР позволяют передавать сигналы синхронизации с точностью порядка 100 мкс. Чтобы достичь более высокой точности, необходимо использовать аппаратные средства. Каждый компонент, который обрабатывает пакет PTP после его получения из физической среды передачи, увеличивает ошибку синхронизации. Программная часть вносит наибольшую ошибку, поскольку загрузка процессора и задержка, связанная с обработкой прерывания, влияют на скорость обработки запроса синхронизации.
При программно-аппаратной реализации наиболее чувствительные функции протокола, такие как запись временной метки PTP-пакета, реализуются на физическом уровне Ethernet , например, в отдельной микросхеме программируемой логики. Такие методы сегодня наиболее оптимальны, так как требуют не слишком много ресурсов и времени на разработку устройства, позволяя добиться точности порядка 20 нс. В случае же полной аппаратной реализации протокола PTP достижима точность порядка 10 нс.
Кроме способа реализации на точность работы протокола РТР влияет ряд других факторов. Например, стандарт IEEE 1588 не специфицирует частоту синхронизации ведущего и ведомого устройств. В результате синхросигналы с более низкой частотой будут иметь менее точное временное разрешение, приводящее к менее точным временным меткам в синхронизирующих сообщениях. Стабильность частоты опорных генераторов также влияет на качество реализации протокола. Синхросигналы, полученные при использовании термостатированных и термокомпенсированных кварцевых генераторов, будут более стабильны (от-
ПЕРВАЯ МИЛЯ 5–6/2009 |
|
т е х н о л о г и и |
||||||
клонение в миллиардные доли), нежели кварцевые генераторы |
шую альтернативу для синхронизации распределенных сис- |
|||||
без термостабилизации (отклонение в миллионные доли). |
тем с субмикросекундной точностью. |
|||||
На качество синхронизации устройств влияет также топо- |
Таким образом, протокол PTP является альтернативным |
|||||
логия сети и равномерность трафика. В сети с большим чис- |
способом синхронизации сетей, который может получить рас- |
|||||
лом устройств и высокой загрузкой каналов передачи данных |
пространение в сетях NGN. По сравнению с используемыми в |
|||||
точность трансляции синхронизации будет хуже. Поэтому для |
настоящее время средствами синхронизации, данный метод |
|||||
передачи сигналов синхронизации предпочтительно использо- |
обладает рядом преимуществ: |
|||||
вать отдельную сеть передачи данных. |
Не требуется доступ оборудования напрямую к стыку синхро- |
|||||
низации PRC, что позволит операторам оптимизировать за- |
||||||
Сравнительные характеристики |
траты на построение сети. При этом протокол РТР может обес- |
|||||
систем синхронизации |
печить передачу синхронизации с субмикросекундной точнос- |
|||||
Рассмотрим характеристики систем синхронизации, использую- |
тью, а значит, достижима стабильность лучше, чем 1 ppm; |
|||||
щих протокол PTP, в сравнении с системами с синхронизацией |
В отличие от адаптивного метода, для восстановления синх- |
|||||
по шине PXI (физическая линия синхронизации) и по протоко- |
ронизации необходим высокостабильный опорный генератор |
|||||
лу NTP (см. таблицу). В отличие от систем с физической линией |
только в ведущем устройстве; |
|||||
синхронизации, где точность событий определяется точностью |
Для задач синхронизации можно использовать асинхрон- |
|||||
синхросигнала, в протоколе PTP определяющим факторов явля- |
ный канал со сравнительно небольшой пропускной способ- |
|||||
ется дрожание фазы (джиттер), связанное со случайным измене- |
ностью, что значительно уменьшает стоимость реализации. |
|||||
нием межпакетных интервалов. Большинство реализаций прото- |
Предпочтительно, чтобы этот канал был выделенным. |
|||||
кола PTP обеспечивает точность менее 1 мкс. |
Принимая во внимание простоту развертывания сетей |
|||||
Еще одна важная величина, отличающая разные способы |
Ethernet, субмикросекундную точность и функционирование |
|||||
синхронизации, – время ожидания синхронизирующего собы- |
с минимальными затратами на обработку сообщений, прото- |
|||||
тия. Это время между отправкой события ведущим устройс- |
кол PTP все чаще используется во многих отраслях, особенно |
|||||
твом и получением его ведомым. Поскольку протоколы PTP и |
в промышленной автоматике, в метрологии и т.п. Ожидает- |
|||||
NTP для передачи синхронизирующих сообщений использу- |
ся, что в будущем возможности протокола PTP расширят его |
|||||
ют пакеты данных, ожидание события определяется временем |
применение и в телекоммуникациях для синхронизации уст- |
|||||
ожидания пакета плюс время передачи и обработки заголовка |
ройств по сетям с коммутацией пакетов. |
|||||
пакета и, как правило, составляет несколько миллисекунд. В |
||||||
отличие от них системы с физической линией синхронизации |
Литература |
|||||
ожидают синхронизирующего события в течение нескольких |
1. Stein Y., Schwartz E. Circuit Extension over IP: The |
|||||
наносекунд. Время ожидания синхронизирующего события оп- |
Evolutionary Approach to Transporting Voice and Legacy |
|||||
ределяет такую характеристику, как максимально возможная |
Data over IP Networks. – RAD Data Communications, 2002. |
|||||
частота подстройки синхросигнала. |
2. ITU-T G.8261/Y.1361 Timing and synchronization |
|||||
Системы синхронизации с единой шиной синхронизации, |
aspects in packet networks. – ITU_T, April 2008. |
|||||
такие как PXI, идеально подходят для высокоточного и скоро- |
3. Rodrigues S. Technology options for sync delivery in |
|||||
стного восстановления синхронизации и могут быть расши- |
Next Generation Networks. – 3rd International Telecom |
|||||
рены на расстояния до сотен метров с помощью специальных |
||||||
модулей синхронизации, размещаемых в кассетах. Стандар- |
4. Телегин С.А. Применение TDMoIP мультиплекси- |
|||||
тная синхронизация по сети Ethernet с помощью NTP предо- |
рования для передачи данных в транспортных сетях |
|||||
ставляет миллисекундную синхронизацию, подходящую для |
GSM. – Нелинейный мир, 2007, т.5, №5, с. 270–271. |
|||||
низкоскоростных приложений, не очень критичных к качеству |
5. IEEE Std. 1588–2008 IEEE Standard for a Precision |
|||||
синхронизации. Протокол же PTP представляет собой хоро- |
Clock Synchronization Protocol for Networked |
|||||
Сравнительные характеристики систем синхронизации |
Measurement and Control Systems. – IEEE, July 2008. |
|||||
6. IETF RFC1305 Network Time Protocol (Version 3). |
||||||
Синхронизирующие |
Протокол |
Протокол |
||||
Specification, Implementation and Analysis. – IETF, |
||||||
модули на шинах PXI |
||||||
Временное |
||||||
<1·107 |
7. Tan E. IEEE 1588 Precision Time Protocol Time |
|||||
разрешение |
||||||
событий, нс |
Synchronization Performance. Application Note 1728. – |
|||||
National Semiconductor, October 2007. |
||||||
ожидания |
||||||
8. Hamdi M. Neagoe T. A Hardware IEEE-1588 |
||||||
Implementation with Processor Frequency Control. – |
||||||
подстройки |
Arrow Electronics, August 2006. |
|||||
ПЕРВАЯ МИЛЯ 5–6/2009 |
|
