企業内で均一な時間の安価で信頼性の高いシステムを作成する方法

今日では、すべてのスペシャリストが正確なタイムサーバーを技術的に複雑なデバイスとして分類できるわけではありません。独自のハードウェアNTPサーバーを作成する方法については、インターネット上に多くの記事があります。それにもかかわらず、産業用アプリケーションで使用され、グローバルメーカーによって提供されるソリューションは、予算とは言い難いものです。企業の精密時間サブシステムの品質と信頼性を損なうことなく、これらのコストを最適化することは可能ですか？

正確な時間は何時ですか？

タイムサーバーが実行できる機能のうち、対応するログ、ログ、アーカイブ情報、建物の傾向、グラフなどを維持するための制御システムでのイベントの時系列の正しい形成に名前を付けることができます。



ビデオ監視システムでは、タイムサーバーはキャプチャされたビデオレコードの天文学的な時間へのリンクを提供します。また、このデバイスを使用すると、企業のさまざまな情報システムからの情報を正確に比較できます。たとえば、ACS、リレー保護システム、独立した遠隔力学システムなど



のビデオ監視システムやセキュリティシステムなどがあります。多くの情報交換プロトコルは、送信されたデータパケットの一部としてタイムスタンプを直接使用します。これらのプロトコルには、最新のテレメカニクスシステムで使用されているIEC-101 / 104が含まれます。



多くの産業用アプリケーションの重要な要件の1つは、時間同期機能を実行するためのインターネットアクセスを除外する情報セキュリティ要件です。



その単純さと時間同期の問題を解決するための多くの歴史的な理由により、NTPプロトコルが最も広く使用されています。サーバー、制御システムのアーカイブおよびオペレーターステーション、コントローラー、HMIパネルに加えて、通信システムのネットワーク機器（マネージドスイッチ、ルーターなど）は、企業内のNTPクライアントとして機能できます。

NTPプロトコル

ネットワークタイムプロトコル（NTP）は、可変遅延（遅延）を使用してパケットスイッチデータネットワークを介してコンピュータシステムのクロックを同期するためのネットワークプロトコルです。このプロトコルの人気が高いのは、イーサネットベースのシステムが活発に開発されているためです。このプロトコルの主な利点の1つは、データネットワークを介してタイムスタンプを直接送信できることです。これにより、1PPSやIRIG-Bシステムなどの個別のタイムバスが不要になります。このプロトコルは1985年に開発され、現在使用されている最も古いインターネットプロトコルの1つです。



NTPは、ほとんどのアプリケーションで許容可能なタイミング精度を提供します。このプロトコルは、理想的な条件下で、インターネットでは数十ミリ秒、ローカルネットワークでは最大0.2ミリ秒の精度で時間をサポートできます。非対称のデータパスとネットワークの輻輳は、100ミリ秒以上のエラーにつながる可能性があります。



NTPは、デバイスをCoordinated Universal Time（UTC）に同期します。この場合、プロトコルは、地球の不均一な回転の結果としての1秒の跳躍の出現を考慮に入れますが、ローカルタイムゾーンまたは日光節約時間に関する情報を送信しません。

システム構造

NTPは、正確なタイムソースの階層システムを使用します。階層の各レベルはStratum（stratum、layer）と呼ばれ、階層の最上位にある参照クロックに0から始まる番号が割り当てられます。 N層のタイムサーバーは、N-1レベルのサーバーから同期されます。数値Nは、基準クロックからの距離を表し、同期中のサイクリングを防ぐために使用されます。層は必ずしも品質や信頼性の尺度ではありません。たとえば、レイヤー2のタイ​​ムソースよりも高品質のタイムソースをレイヤー3で見つけることができます



。Stratum0



Stratum 0の基準クロックは、衛星ナビゲーションシステム（GLONASS、GPSなど）、原子クロック、または無線送信機です。 1秒に1回、パルス信号（1PPS）を生成して割り込みをトリガーし、接続されたデバイスでタイムスタンプを生成します。レイヤー0デバイスは、参照クロックとも呼ばれます。 NTPサーバーは、システム内でStratum 0として自分自身を配置できません。データパケットでStratumフィールドが0に設定されている場合、これは未定義のレイヤーを示します。





NTP



Stratum1に基づく同期システムの論理構造



このレイヤーには、システム時間が基準クロックから数マイクロ秒以内に同期されているデバイスが含まれています。この層のタイムサーバーは、他のStratum 1サーバーとピアツーピアモードで動作して、冗長性と正確性を検証できます。プライマリタイムサーバーとも呼ばれます。



Stratum 2



これらは、Tier1サーバーからネットワークを介して同期するデバイスです。多くの場合Tier2デバイスは複数のTier1サーバーをポーリングします。Stratum2コンピューターは他のStratum2コンピューターとピアツーピアで接続して、ピアグループ内のすべてのデバイスにより安定した信頼性の高い時間を提供することもできます。ノード。



理論上の最大レイヤー数は15です。Stratum 16は、デバイスが同期していないことを示すために使用されます。システム内の各デバイスのNTPメカニズムが相互作用して、すべてのクライアントのStratum1サーバーへの最短パスを作成します。これにより、データ送信の累積遅延が最小限に抑えられ、タイミングの精度が向上します。最小パス長でスパニングツリーを構築するためのアルゴリズムは、Bellman-Fordアルゴリズムに基づいています。

タイムスタンプ

NTPは元々64ビットのタイムスタンプを使用していました。これは秒単位の32ビット部分と数分の1秒単位の32ビット部分で構成され、³²秒（136年）ごとにスクロールし、理論上の解像度が^2〜32秒になるタイムラインを提供します。（233ピコ秒）。カウントダウンは1900年1月1日に開始されたため、最初のエポックは2036年2月7日に終了します。



NTPv4プロトコルの最新バージョンでは、128ビットの時間形式が導入されています。64ビットは秒、64ビットは数分の1秒で、5840億年以上のタイムラインと、0.05アト秒の解像度が得られます。さらに、32ビットの時代番号フィールドが導入され、各時代の終わりの理論的な問題さえも排除されました。

クロック同期アルゴリズム

NTPクライアントは、1つ以上のサーバーを定期的にポーリングします。そうすることで、タイムオフセットとラウンドトリップ遅延を計算します。時間オフセットθは、サーバーとクライアントのクロック間の絶対時間の差であり、次の式によって決定されます。







ラウンドトリップ遅延δは、信号が通信回線を介してクライアントからサーバーに送信され、サーバーに戻ってくる時間として定義されます。これは、信号を送信するのに要する時間である、プラス信号はにより得られたことを確認するために必要な時間：







T ₀ -マーク時間クライアント要求パケットを送信するため、

T ₁ -タイムスタンプ受信サーバ要求パケット、

T ₂ -のラベルサーバー時間応答パケット送信、

t ₃-応答パケットを受信するクライアントのタイムスタンプ。





時間オフセットとラウンドトリップ遅延を計算するためのアルゴリズム



θとδの計算値はフィルターを通過し、統計分析にかけられます。全サンプルの異常値は破棄され、残りの値に基づいてタイミングバイアスが推定されます。タイムオフセットとラウンドトリップ遅延を知っているクライアントは、θがゼロになるように自身の時間を調整します。



正確な同期は、クライアントとサーバー間のインバウンドルートとアウトバウンドルートが対称である場合、つまり同じレイテンシーである場合に実現されます。ルートが非対称である場合、パケットがクライアントからサーバーに送信されてからサーバーに返送される時間の差の半分の体系的なバイアスがあります。

伝達メカニズム

ほとんどの場合、NTPプロトコルは、クライアントが要求を送信し、しばらくするとサーバーから応答を受信するという、従来のクライアントサーバーモデルの操作を使用します。ただし、このプロトコルでは、2つのピアがお互いを潜在的なタイムソースと見なすピアツーピア操作が可能です。この動作モードは対称とも呼ばれます。ネットワーク通信の場合、NTPはUDPプロトコルを使用し、デフォルトではポート123で動作します。データ送信の場合、ユニキャスト、ブロードキャスト、マルチキャスト、メニーキャストなどのさまざまなメカニズムを使用できます。



ユニキャストモード



NTPは、ほとんどの場合、データ転送にユニキャストモードを使用します。このモードでは、データは1つのネットワークデバイスから別のネットワークデバイスに個別に転送されます。ユニキャストパケットは、パケットの対象となるデバイスの特定のアドレスを宛先IPアドレスとして使用します。



ブロードキャスト



モードこのモードは、少数のNTPサーバーが多数のクライアントにサービスを提供する場合に便利です。このモードでは、サーバーはブロードキャストサブネットアドレスを使用して定期的にパケットを送信します。この方法で同期するように構成されたクライアントは、サーバーのブロードキャストパケットを受信し、それと同期します。



このモードには多くの機能があります。まず、ブロードキャストモードでは、ユニキャストよりもタイミング精度が低くなります。次に、ブロードキャストパケットは同じサブネット内でのみ送信できます。さらに、侵入者から保護するために認証方法を使用することをお勧めします。



マルチキャストモードマルチキャスト



モードは、ブロードキャストと同じように機能します。違いは、ブロードキャストサブネットアドレスではなく、マルチキャストグループアドレスがパケット配信に使用されることです。クライアントとサーバーには、時刻同期に使用するマルチキャストIPアドレスが割り当てられます。これにより、それらを接続するルーターがIGMPをサポートし、マルチキャストトラフィックを送信するように構成されている場合、異なるサブネットにあるマシンのグループを同期することができます。



メニーキャストモード



このモードは、NTPプロトコルの最新バージョン（v4）の新機能です。メニーキャストモードは、NTPサーバーのIPアドレスが不明な場合にのみマルチキャストモードとして機能します。マルチキャストメッセージを送信することにより、クライアントはメニーキャストサーバーネットワークを検索し、各ネットワークから時間サンプルを受信して​​、同期する3つの「最良の」メッセージを選択します。サーバーの1つに障害が発生した場合、クライアントはリストを自動的に更新します。



メニーキャストモードで動作するクライアントとサーバーも、マルチキャストグループアドレスを使用して時間サンプルを送信します。同じアドレスを使用するクライアントとサーバーは、1つの関連付けを形成します。アソシエーションの数は、使用されるマルチキャストアドレスの数によって決まります。

プロトコルバージョン

1985年の登場以来、プロトコルは活発に開発され始め、1992年までに4つのバージョン（NTPv0からNTPv3）に変更されました。新しいバージョンごとに機能が追加され、作業が最適化されましたが、データ形式は変更されず、異なるバージョンの互換性が維持されました。プロトコルの最後の4番目のバージョンは2010年のものです。NTPは今日も進化を続けており、より正確なPTP（Precision Time Protocol）と技術的に類似したソリューションを作成するための作業が進行中です。

SNTP

NTPv3と同時に、プロトコルのより単純なバージョンであるSNTP（Simple NTP）が1992年に導入されました。 SNTPは、NTPと同じ送信および表示形式を使用します。同時に、SNTPはサーバーのアルゴリズムには関係しませんが、クライアントのアルゴリズムを簡素化します。そのため、このプロトコルは、高精度を必要としない組み込みシステムやデバイスで最も頻繁に使用されます。



NTPとSNTPの違いは、同期に最適なサーバーを決定する方法と時間補正の方法にあります。そのため、NTPを使用すると、クライアントは数学交差アルゴリズム（Marzulloのアルゴリズムの再設計バージョン）を使用して、ネットワーク上で最適なサーバーをいくつか選択し、それらの時間をスムーズに調整できます。SNTPは、同期に1つの事前定義されたNTPサーバーを使用しますが、他のサーバーは、メインデバイスとの通信が失われた場合にのみバックアップになります。この場合、SNTPを使用しているクライアントは、サーバーからの応答を受信した後、ジャンプでのみ時間を調整できます。

同期システムの典型的な図とその欠点

従来、産業施設のタイムシステムは、ネットワーク機器と同じキャビネットに取り付けられたヘッドユニットと、屋外に設置され、同軸ケーブルを使用してサーバーに接続されたリモートアンテナで構成されるNTPサーバーに基づいて構築されていました。同時に、ヘッドユニットには、1つまたは複数のネットワークでクライアントを接続するための複数のネットワークインターフェイス（イーサネットまたはRS-232 / 485）があります。





典型的な精密時間システム



このソリューションを詳しく見ると、いくつかの欠点があります。まず、そのようなシステムには完全な冗長性がありません。ヘッドユニットには複数のネットワークインターフェイスがあり、複数のネットワークで正確な時刻を提供できるという事実にもかかわらず、その障害または障害は、サイト全体の正確な時刻のソースの損失につながります。このようなソリューションでヘッドユニットを完全に冗長化すると、すでに高価な同期システムがさらに高価になります。



2番目の欠点は、キャビネットにタイムサーバーをインストールする必要があることです。これは大規模なプロジェクトにとっては不利ではありませんが、小規模なローカル制御システムにとっては深刻な問題になる可能性があります。



また、デメリットには、リモートアンテナと同軸ケーブルを使用する必要があることが含まれます。どうして？まず第一に、長いケーブルとげっ歯類に対する保護を備えた高品質のGPS / GLONASSアンテナのコストは、簡単に10,000ルーブルを超える可能性があります。2020年の価格で。この場合、同軸ケーブルは衛星システムから信号を送信するための制限された長さを持っています。50 mを超えると、信号が大幅に減衰します。これは、大きな建物では重大な制限要因になります。



同期システムを作成するための従来のアプローチの主な欠点は、コストが高いこと（多くの場合150,000ルーブル以上）であり、小規模なプロジェクトだけでなく、非常に大規模なプロジェクトの見積もりにも大きな影響を与えます。

システムをより安く、より信頼できるものにする方法

現代のテクノロジーの無条件の傾向は、よりコンパクトでユーザーフレンドリーな電子デバイスの作成です。この点で、タイムサーバーも例外ではありません。フェニックスコンタクトのFLTIMESERVERで



行われているように、GPS / GLONASSアンテナを含む同期ソリューション全体は、小さなボックスに収まります。このデバイスは、スマートアンテナの原理に基づいて作成されています。つまり、タイムサーバーとGPS / GLONASSレシーバーアンテナの機能を直接組み合わせています。そのデザインは、通常のソリューションと区別する唯一のものです。FL TIMESERVERNTPタイムサーバー











実際に示すように、このデバイスは建物内でも衛星システムとの通信を提供できますが、防塵・防湿レベルIP68のケースで製造されており、-40〜 + 70 Cの広い温度範囲で動作できるため、信号をより確実に受信するために屋外でも動作できます。この場合、タイムサーバーは従来のアンテナとして取り付けられ、24 V DC回路からおよび/またはイーサネットケーブル（PoE）を介して冗長電源が供給され、SNMPを使用して診断されます。屋外設置の場合、密閉されたケーブルグランドを使用して、高レベルの防塵および防湿を維持します。



機能に関しては、違いはありません。デバイスは、衛星ナビゲーションシステム（GLONASS、GPS）からタイムスタンプと地理位置データを受信し、この情報をイーサネットネットワーク上のクライアントにブロードキャストできます。





フェニックスコンタクトソリューションに基づく精密時間システム



このソリューションにより、同期システムは大幅に簡素化され、従来のアプローチの欠点が解消されます。FLタイムサーバーイーサネットポートは1つしかありませんが、複数のインターフェイスを使用する必要がある場合は、スイッチに接続するか、複数のスマートアンテナを使用するだけです。この場合、ネットワークインターフェイスだけでなく、タイムサーバーの本格的なバックアップを取得します。この場合、最終的なソリューションは、既存の多くの類似物よりも安価です。 FL TIMESERVERは、ネットワークまたは自動化キャビネットの外部に移動できるため、内部のスペースを節約できます。このソリューションは個別のアンテナを必要としません。ここではすでに組み込まれており、通常のイーサネットケーブルでエンタープライズネットワークに接続できます。これにより、信号がフェードすることを恐れずに、タイムサーバーを主要機器から最大100mの距離に移動できます。このようなソリューションの最も重要な利点は、まったく異なる価格注文です。1回限りのサーバーのコストは300ユーロ未満であるため、小規模プロジェクトと大規模プロジェクトの両方で使用すると便利です。