Способы дистрибуции точного времени в компьютерных сетях
Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Бородин Андрей Викторович, Зубьяк Дарья Романовна
Текст научной работы на тему «Стохастическое моделирование в задачах синтеза оптимальных топологий сетей дистрибуции точного времени»
СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНЫХ ТОПОЛОГИЙ СЕТЕЙ ДИСТРИБУЦИИ
Бородин Андрей Викторович
канд. эконом. наук, профессор кафедры информатики и системного программирования Поволжского государственного технологического университета, РФ, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола
E-mail: bor@mari-eL com Зубьяк Дарья Романовна
студент группы ПС-31 факультета информатики и вычислительной техники Поволжского государственного технологического университета, РФ,
STOCHASTIC SIMULATION IN TASKS OF SYNTHESIS OF OPTIMUM
TOPOLOGY OF NETWORKS OF DISTRIBUTION OF EXACT TIME
сandidate of Science, professor of Informatics and System Programming department of Volga State University of Technology Russia, Republic of Mari El, Yoshkar-Ola
student of PS-31 Group of Faculty of Informatics and ADP Equipment of Volga State University of Technology Russia, Republic of Mari El, Yoshkar-Ola
Рассмотрена задача синтеза систем дистрибуции точного времени, оптимальных по критерию совокупной стоимости владения. Обоснована актуальность проблемы. Предложены модели отказов единичных компонент системы. Разработана методика интеграции моделей отдельных компонент системы в модель всей системы. Представлена формальная постановка задачи выбора оптимальной топологии сети дистрибуции точного времени на дискретном множестве решений.
The paper deals with the task of synthesis of systems of distribution of exact time, optimum by criterion of total cost of ownership. It is shown that relevance of a problem. Much attention is given to failure patterns of single components of system. It is given the technique of integration of models of separate components of system in model of all system. It is formulated the formal problem definition of a choice of
optimum network topology of distribution of exact time on the discrete set of decisions.
Ключевые слова: точное время; NTP; PTP; GPS; NMEA; топология сети; имитационное моделирование; сеть Петри; случайная величина; совокупная стоимость владения; риск; мера риска; оптимизация.
Keywords: exact time; NTP; PTP; GPS; NMEA; network topology; simulation; Petri net; random variable; total cost of ownership; risk; risk measure; optimization.
Аэропорты, железнодорожные и автовокзалы, биржи и кредитные учреждения — перечень социально значимых объектов, для которых служба точного времени является инфраструктурно-значимой подсистемой. Для операторов связи и многих научно-исследовательских учреждений, относящихся к отраслям гидрометеорологии, сейсмологии, гелиофизики и т. п., эта служба вообще является системообразующей. Отказы подсистемы точного времени означают для названных структур либо индивидуальные потери, либо коллективные потери, включающие последствия природных катастроф. В этих условиях риски, связанные с функционированием подсистемы точного времени, формируют отраслевые и социоприродные риски. Оптимизация этих рисков (идентификация угроз и минимизация соответствующих потерь, представленных в той или иной форме) представляется в этой связи чрезвычайно актуальной проблемой.
Для дистрибуции точного времени в современных инфраструктурных решениях используются протоколы NTP (Network Time Protocol) [7] и Precision Time Protocol (PTP) [6]. Основная масса клиентского оборудования, использующего синхронизацию времени, поддерживает сегодня лишь протокол NTP. Использование протокола PTP, обеспечивающего более высокую точность дистрибуции точного времени, пока ограничено необходимостью использования специальных аппаратных решений и их весьма значительной стоимостью. Основными игроками на рынке разработки и производства NTP-
Учитывая перечисленные выше соображения, была поставлена задача разработки методики выбора оптимальных технических решений по синхронизации времени. В основу синтезируемых технических решений могут быть положены как решения на основе протокола NTP в вычислительных сетях, формирующих инфраструктуру тех или иных организаций, так и источники точного времени в виде потока NMEA-данных, терминируемые стандартными хостами сети с установленным специализированным программным обеспечением синхронизации времени (локальные решения, NTP-, PPS-серверы). Методика должна учитывать возможность использования комбинированных решений.
Для решения поставленной задачи были разработаны модели отказов различных типов источников точного времени в виде конечных вероятностных пространств. Для построения вероятностных пространств, моделирующих источники точного времени, используется подход, основанный на использовании сетей Петри со случайной маркировкой [3]. В частности для специализированных серверов времени с раздельными портами управления и сервиса носитель вероятностного пространства содержит 4 элементарных исхода (см. рис. 1): нормальное функционирование, отказ в обслуживании на порту управления, отказ в обслуживании для сервисной функции, отказ оборудования. Для специализированных серверов с совмещенным портом
носитель содержит 3 исхода (см. рис. 2): нормальное функционирование, отказ в обслуживании и отказ оборудования. Для КМБЛ-устройств — два (см. рис. 3): нормальное функционирование и отказ оборудования.
Изучение технологий дистрибуции точного времени в сетях передачи данных, основанных на протоколе NTP. Примеры организации подсетей-клиентов системы дистрибуции точного времени. Оптимальный вариант логической организации подсистемы синхронизации времени.
Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
Предмет | Проектирование компьютерных систем |
Вид | статья |
Язык | русский |
Прислал(а) | Бородин А.В. |
Дата добавления | 07.03.2019 |
Размер файла | 1,8 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Бородин Андрей Викторович, Зубьяк Дарья Романовна
Рассмотрена задача синтеза систем дистрибуции точного времени, оптимальных по критерию совокупной стоимости владения . Обоснована актуальность проблемы. Предложены модели отказов единичных компонент системы. Разработана методика интеграции моделей отдельных компонент системы в модель всей системы. Представлена формальная постановка задачи выбора оптимальной топологии сети дистрибуции точного времени на дискретном множестве решений.
Текст научной работы на тему «Синхронизация времени в распределенных информационно-управляющих системах»
СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕНИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ
Применение распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) в различных областях становится все более популярным. Используются современные высокоскоростные проводные и беспроводные технологии связи, электронные компоненты с высокой вычислительной мощностью, операционные системы реального времени и другие технологические приемы, однако в решении вопроса синхронизации времени в РИУС не поставлена точка. В статье обсуждаются основные проблемы обеспечения точного астрономического времени в РИУС, предлагаются способы их решения.
Примеры задач, решаемых РИУС, для которых синхронизация времени необходима: определение местоположения объекта, скорости его движения, слежение за параметрами окружающей среды (свет, температура, влажность, давление), идентификация узлов. С одной стороны, для выполнения такого рода задач к РИУС предъявляются более высокие требования по точности времени (иногда порядка микросекунд) по сравнению с распределенными универсальными системами, масштабируемости используемых методов синхронизации, надежности и безопасности, пониженного энергопотребления. С другой стороны, РИУС уступают распределенным универсальным системам в технологической оснащенности, выражающейся в применении достаточно скромных технологий программирования, инструментальных средств в сочетании с ограниченными ресурсами.
В данной статье обсуждаются проблемы обеспечения точного времени в РИУС и методы их разрешения.
Не всегда бывает достаточно временных меток, определяющих очередность событий [4]. В некоторых ситуациях нужно реальное время, поэтому появилась концепция физических часов. Основная проблема состоит в невозможности идентичной работы часовых генераторов в различных узлах распределенной системы. Корректность по-
казании локальных часов определяется в результате сравнения их с источниками точного времени (опорные часы, эталонные часы). Под точным реальным временем обычно понимается всеобщее скоординированное время (UTC).
В узлах распределенной системы имеют место часовые ошибки двух видов: разница рабочих частот (skew) и разность во времени между локальными и опорными часами в любой момент времени (offset), что обусловлено разной частотой и сдвигом во
времени установки часов. Таким образом, skew = d) . Под стабильностью (stability) обычно подразумевается степень постоянства задающей частоты часов. При этом стабильность может быть двух видов: краткосрочная и долгосрочная. Краткосрочная нестабильность или дрейф (drift) чаще всего вызвана изменениями условий окружающей среды (температура, давление, влажность, механические изменения). Можно сказать, что drift = d(skew) . Долгосрочная нестабильность связана с эффектом старения dt
кварцевого резонатора часов. Обычно единицей измерения дрейфа часов являются миллионные доли (ppm - part-per-million). Например, если дрейф часов равен ±20 ppm, то это значит, что в месяц часы замедляются или убыстряются на „ с ^^мин ч дней . 20 . „ с ^
60--60--24--30--(-) = 51,84-. Под точностью локальных
мин ч день месяц 1000000 месяц
часов (accuracy) понимается степень соответствия их показаний времени опорных часов. Разрешение (precision) - минимальная единица времени, которую отсчитывают часы [6]. Синхронизация часов - синхронизация частоты и времени по эталонным часам.
В общем случае время T(t), которое показывают часы в момент реального времени t, можно определить следующим образом:
T (t) = T (t 0) + R(t 0 )[t -10] + ^ D(t 0 )[t -10]2, (1)
где T(to) - время, которое показывали часы в предыдущий момент времени to, R(to) -частота часов в момент времени t0, D(t0) - дрейф [1].
В корректировке физических часов есть три проблемы [4].
1. Выявление эталонных часов: атомные часы, GPS, радиочасы и т. д. Применение таких опорных часов для синхронизации времени обеспечивает очень высокую точность локальных часов. С другой стороны, непосредственное использование таких источников в распределенной системе неэкономично, а в некоторых случаях невозможно (GPS-приемники не могут быть использованы под водой, в закрытых помещениях). Поэтому для выполнения функции синхронизации времени были определены серверы времени в качестве опорных часов и алгоритмы корректировки физических часов в узлах распределенной системы по данным источникам (протокол синхронизации времени NTP/SNTP).
2. Если часы спешат или опаздывают, то установка в один момент правильного времени приведет к нарушению временного порядка следования событий в узле и системе в целом, так как это связано с немедленным переводом часов назад или вперед соответственно. Таким образом, следует использовать процессы замедления или убыстрения часов.
Такие проблемы характерны и для распределенных универсальных систем, и для РИУС. Только первого вида системы столкнулись с этими проблемами раньше в силу своего возраста, и предложенные решения уже прошли этап апробации. Применение данных решений в РИУС требует их изменения в связи с более высокими требованиями точности, надежности, безопасности, гибкости. Кроме того, в РИУС отсутствует из-
быточность опорных источников и связей между узлами, что характерно для распределенных универсальных систем.
Протокол синхронизации времени NTP
Одним из самых популярных протоколов синхронизации времени в распределенных универсальных системах является Network Time Protocol (NTP). Назначение протокола состоит в синхронизации клиента или сервера с сервером или источником точного времени (радиочасы, атомные часы, GPS и др.). Синхронизируется не только текущее значение времени, но и частота отсчета таймера. Обеспечивается точность до миллисекунды в пределах локальной сети и десятков миллисекунд в пределах глобальной сети. Предусмотрена криптографическая защита, одновременное подключение к нескольким серверам на случай аварии, алгоритмы усреднения и т.д. Главные серверы (напрямую присоединенные к опорному источнику) образуют первый слой, присоединенные непосредственно к ним - второй слой, и т.д. Для обмена информацией между клиентом и сервером используется протокол UDP (порт 123). Применяются довольно сложные алгоритмы фильтрации, селекции и комбинации пакетов на принципах максимальной вероятности. Протокол обеспечивает поддержку множества резервных серверов и путей передачи (выбор лучшего на основе алгоритма взвешенного голосования). Типичный интервал опроса - от 1 минуты (в начале работы) до 17 минут (если все хорошо) [1]. Сервер непрерывно корректирует ход локальных часов, используя вычисленную информацию об отклонениях их частоты от истинной. Это позволяет уменьшить частоту опроса и удерживать отклонения показаний часов от истинных при временных сбоях сети. Подстройка частоты обеспечивает удовлетворительную точность
часов даже при модемном соединении с Интернет. При больших отклонениях местного времени от времени выбранного сервера коррекция производится скачком, иначе - путем подстройки частоты местных часов.
Протокол NTP предоставляет различные классы обслуживания, которые позволяют определить, кто (сервер или клиент) инициирует процедуру синхронизации и, собственно, как эта процедура организована. Возможны следующие классы обслуживания.
• Procedure-call: в условиях, когда нужна высокая точность, а Multicast недоступен, NTP-клиент посылает NTP-запрос на сервер, который обрабатывает его и немедленно посылает ответ (рис. 1).
Рис. 1. Класс обслуживания Procedure-call
0 = T -Tl) + (Tj -T4), ô = (T2 -Ti)-(T3 -T4) (2)
Доверительный интервал настоящей величины во составляет
где 0 - рассчитываемая величина временного сдвига.
Интересно концепцию NTP применить в РИУС, при этом не следует пренебрегать дрейфом часов. В следующем разделе обсуждаются методы решения описанных ранее проблем синхронизации времени в конкретной РИУС.
Пример распределенной информационно-управляющей системы
Примером системы, в которой задача синхронизации времени является важной, может послужить система управления наружным освещением (СУНО). СУНО предназначена для удаленного централизованного управления электротехнической аппаратурой наружного освещения населенных пунктов и для сбора диагностической информации о текущем режиме работы и состоянии аппаратуры уличного освещения. Система включает в себя центральный диспетчерский пункт (ЦДП), состоящий из сервера сбора данных и автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора; пункты включения (ПВ), содержащие контроллер ПВ с модемом и электросчетчик. Канал связи между ЦДП и ПВ - это GPRS/GSM. СУНО поддерживает работу в автоматическом режиме или по командам оператора.
Задачи, для которых необходимо точное астрономическое время, - это автоматическое управление («Таймер») контроллера ПВ, ведение журнала событий, работа электросчетчика, подсоединенного к контроллеру ПВ. В режиме автоматического управления включение и отключение светильников наружного освещения осуществляется по годовому графику от встроенного таймера с часами реального времени. Именно от правильности времени включения и выключения освещения по графику зависит безопасность людей, расход электроэнергии. Годовой график включения и отключения светильников наружного освещения хранится в энергонезависимой памяти контроллера ПВ, его корректность определяется контрольной суммой. В журнале событий должна присутствовать информация о действиях оператора, работающего в ЦДП, телеметрия, полученная из ПВ, информация об авариях, произошедших на ПВ, и, конечно, к каждому этому событию дата и время. От точности настройки часов в электросчетчике зависит производимый им энергоучет в соответствии с тарифным планом.
Чтобы обеспечить точное время для решения всех этих задач, нужно сначала определить максимально допустимую величину временного сдвига (offset) для каждой задачи. Годовой график освещения может задаваться с минимальной дискретностью величиной в минуту. Тарифный план для электросчетчиков тоже задается с минутной точностью. События в журнале событий должны фиксироваться с точностью до 1 секунды. Таким образом, необходимо обеспечить секундную точность. Возможно ли это?
Источниками реального времени в системе можно назвать сервер сбора данных и АРМ, часы реального времени в контроллере ПВ, модеме ПВ и электросчетчике. Из них опорными источниками являются сервер сбора данных и АРМ при наличии связи с ПВ. В АРМе реализуется функция синхронизации времени в ПВ, при этом источником точного времени могут быть системные часы АРМа или сервера сбора данных (второй вариант предпочтительнее по точности), в свою очередь, данные системные часы могут быть синхронизированы по протоколу NTP с серверами времени.
Задача обеспечения надежной работы часов в ПВ связана, в первую очередь, с определением правильности хода часов реального времени в контроллере ПВ. Можно предложить следующие решения данной задачи.
1. Интервал времени (минута или несколько минут) замеряется на секундном (или более точном) таймере процессора ПВ и сравнивается с интервалом времени, отсчитанным за эту минуту (несколько минут) часами реального времени. Такое сравнение имеет смысл, если кварцевый резонатор процессора точнее кварцевого резонатора часов реального времени. Таким образом, можно определить дрейф часов
(сек./мин.), и если он превышает заданное значение, то показания часов признаются некорректными, и их нужно синхронизировать.
2. Должно производиться периодическое сравнение показаний часов реального времени контроллера ПВ, модема и электросчетчика при условии, что последние два источника точного времени тоже корректируются в течение процедуры синхронизации времени с ЦДП. При этом модем должен работать в мультиплексированном режиме, т.е. воспринимать и передаваемые по каналу GPRS/GSM данные, и at-команды. За точное время могут приниматься показания часов, выбранных по мажоритарному принципу: совпадение времени с определенным допуском у двух из трех часов. Если присутствует сильное расхождение показаний всех трех источников, то выполняется процедура синхронизации времени с ЦДП.
3. Определяется системная переменная, хранящая текущее время в секундах, начиная с базового времени (например, 1 января 2000 года 00:00:00). Данная переменная инициализируется при запуске системы по часам контроллера ПВ при условии, что часы на тот момент скорректированы. Каждую минуту (или другой интервал времени) показания часов реального времени, переведенные в секунды, сравниваются с этой переменной, в которой хранятся показания часов предыдущей проверки. Если разница между этими значениями не является положительным числом, то произошел сбой часов, и они требуют синхронизации времени.
Наличие нескольких источников точного времени в ПВ является необходимым условием обеспечения надежной работы ПВ. Топология СУНО является централизованной («звезда»), поэтому в случае отсутствия связи между ЦДП и ПВ предложенное ранее решение № 2 становится самым подходящим.
Как ранее было определено, задача синхронизации часов распадается на две подзадачи: синхронизация частоты и синхронизация времени (формула (1)). Задачу синхронизации частоты тоже можно разделить на два уровня. Первый уровень - корректировка стабильности частоты с использованием калибровочных коэффициентов с целью минимизации влияния факторов окружающей среды, главным образом, температуры, на работу часов. Второй уровень - уменьшение отклонения частоты локальных часов от опорных (skew). Последнее является достаточно сложной задачей из-за трудности измерения частоты часов в рабочем режиме.
Проблема резкости установки времени в часах является тоже актуальной для данной системы. Такая проблема вызывает нарушение хронологии событий, фиксируемых в журнале событий, и ошибочный учет электроэнергии электросчетчиком. Как говорится, время никогда не должно идти назад. В распределенных универсальных системах данную проблему решают при помощи замедления или убыстрения хода системных часов путем увеличения или уменьшения интервала системных вызовов прерываний таймера (например, если для работы системных часов прерывания вызываются каждые 17 мс, а часы отстают от точного времени, то 17 мс сменяются на 15 мс). Такую возможность предоставляет протокол NTP. В нашем же случае для замедления или убыстрения можно использовать калибровочные коэффициенты. Этот вариант тоже не всегда годится, так как данные коэффициенты позволяют откорректировать дрейф часов лишь в некотором диапазоне (например, ±130 ppm = ±5,6 мин./месяц, что составляет примерно ±10 с/день). При этом дрейф часов можно определить при помощи способа № 1, описанного ранее и проверяющего правильность хода часов. Другим решением этой проблемы является реализация системных часов как в персональном компьютере на основе системного секундного таймера, описанного ранее в способе № 3, по проверке правильности хода часов. Как и в протоколе NTP, можно влиять на эту переменную, т. е. замедлять или убыстрять ее инкремент. Таким образом, источником точного времени в контроллере ПВ становится этот системный таймер, и все алгоритмы синхронизации нужно применять именно к нему в первую очередь. Конечно же, периодическое
сравнение показаний системных часов и трех остальных источников точного времени в ПВ должно осуществляться. Если расхождение во времени настолько велико, что предложенные способы подстройки частоты часов не решают проблемы, то следует просто установить точное время в часах, полученное с использованием алгоритма синхронизации.
Еще большего эффекта в смысле повышения точности корректировки часов можно добиться от описанных алгоритмов синхронизации, если сделать процедуру синхронизации автоматически повторяющейся с некоторым периодом. Так как между моментами установки точного времени часы ПВ рассинхронизируются под действием описанных ранее факторов, то для определения величины периода синхронизации часов следует оценить порядок рассинхронизации. К тому же следует учитывать трафик, вызываемый автоматической синхронизацией, и его стоимость. Поэтому менее затратным является вызов процедуры синхронизации по требованию ПВ при обнаружении большой неточности часов в результате проверки правильности их хода.
Из всех изложенных фактов следует, что требование минутной точности работы часов контроллера ПВ можно выполнить, а секундной - проблематично и требует более детальных дальнейших исследований.
1. Mills D. L. Improved Algorithms for Synchronizing Computer Network Clocks. 1994.
2. Elson J., Girod L., Estrin D. Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts. 2002.
3. Lamport L. Time, Clocks and the Ordering of Events in Distributed Systems. 1978.
4. Krzyzanowski P. Clock Synchronization. Lectures on distributed systems. 2000-2002.
STOCHASTIC SIMULATION IN TASKS OF SYNTHESIS OF OPTIMUM TOPOLOGY OF NETWORKS OF DISTRIBUTION OF EXACT TIME
The paper deals with the task of synthesis of systems of distribution of exact time , optimum by criterion of total cost of ownership . It is shown that relevance of a problem. Much attention is given to failure patterns of single components of system. It is given the technique of integration of models of separate components of system in model of all system. It is formulated the formal problem definition of a choice of optimum network topology of distribution of exact time on the discrete set of decisions.
Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ковязина Д.Р.
Применение распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) в различных областях становится все более популярным. Используются современные высокоскоростные проводные и беспроводные технологии связи, электронные компоненты с высокой вычислительной мощностью, операционные системы реального времени и другие технологические приемы, однако в решении вопроса синхронизации времени в РИУС не поставлена точка. В статье обсуждаются основные проблемы обеспечения точного астрономического времени в РИУС, предлагаются способы их решения.
Подобные документы
Проектирование схемы сбора информации со ста двадцати восьми датчиков на основе микроконтроллера. Разработка листинга программы для контроллера, обрабатывающей поступающие данные с накоплением их во Flash-памяти с учетом точного времени и текущей даты.
курсовая работа [891,8 K], добавлен 24.12.2012
Встроенные структуры данных, связанные с датами и временем. Системное время в секундах. Представление текущего времени в строку. Изменение даты и времени модификации файла. Установка системной даты и времени по секундам. Работа с системными часами.
методичка [28,2 K], добавлен 06.07.2009
Разработка приложения, которое будет выполнять функции показа точного времени и точной даты. Определение дополнительных функций разработанного приложения. Рассмотрение основных этапов создания программного продукта. Результаты тестирования приложения.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 14.04.2019
Системы сбора и передачи информации. Обоснование выбора кода, способа передачи и синхронизации. Выбор длины посылки, формата кодового перехода. Расчет помехоустойчивости и времени запаздывания. Разработка структурной схемы передающего устройства.
курсовая работа [412,8 K], добавлен 24.06.2013
Значение астрофизических исследований. Международные космические проекты. Инфокоммуникационные технологии удаленного доступа к компьютеру. Основные возможности и достоинства Team Viewer. Порядок работы с астрофизическим комплексом в реальном времени.
Abstract: The article deals with processes of design and creation of the secure wide area network (SWAN). Object of research is the subsystem of distribution of exact time of SWAN. Existence of the specified subsystem is the basic requirement from the point of view of safety of functioning of a network. Means of registration of events in SWAN, systems of the analysis of protocols of events, intruder detection systems is only a small list of subsystems of SWAN which can't exist without service of exact time. On the other hand, the specified service can be considered as the SWAN client service. In this quality the service of exact time in computer networks from year to year becomes more and more demanded. At the same time it is not a secret that as the sources of exact time in modern SWAN the production of the western countries are used. Thus, in view of categories hi-tech of the specified products, the corresponding production isn't taken out to the countries of Asia. Respectively today in this sphere there are certain difficulties at selection and the order of the equipment. Considering above told, author in detail considers such aspects of import substitution regarding creation of services of exact time of SWAN, as existence of available basic sources of exact time in the Russian Federation, presence of domestic producer of the equipment in the relevant market, economic aspects of consequences from realization of possible import substitution. The special attention is paid to the standard configurations of sources of exact time in SWAN which are based on the equipment of a domestic production. The article is based on set of results of the researches of the domestic market of radio electronics conducted by author. As sources of information the Internet publications and phone calls to the sales departments of a number of producers were used. When forming the purposes of market researches the standards in the field of protocols of distribution of exact time over the Internet-protocol and also some researches of the author were used. The main conclusion of the conducted research is ascertaining of possibility of use as sources of exact time in SWAN of the complexes constructed on the equipment of domestic producers. A special contribution of the author to the research of a subject is development of recommendations for domestic producers regarding correction of their market behavior. Novelty of the research is in the use of the concept of total cost of ownership when comparing various scenarios of creation of subsystems of distribution of exact time in the computer networks which are based on the Internet-protocol.
Keywords: accurate time server, RBU, clock synchronization, RTZ, GLONASS, GPS, NMEA, network, NTP, total cost of ownership
This article written in Russian. You can find full text of article in Russian here .
Borodin, A. V. Stoimost' vladeniya kak kriterii arkhitektury pervichnogo NTP-servera na osnove GPS-priemnikov kommercheskoi tochnosti [Tekst] / A. V. Borodin // Obozrenie prikladnoi i promyshlennoi matematiki. – 2009. – T. 16. – V. 3. – S. 507–508.
Domrachev, A. P. Postroenie raspredelennoi NTP-podsistemy regional'noi seti peredachi dannykh na baze serverov vremeni Symmetricom Truetime NTS-90 [Tekst] / A. P. Domrachev, A. V. Borodin // Chelovek, obshchestvo, priroda v epokhu global'nykh transformatsii: bezopasnost' i razvitie. Semnadtsatye Vavilovskie chteniya: materialy postoyanno deistvuyushchei mezhdunarodnoi mezhdistsiplinarnoi konferentsii. Ch. 2. – Ioshkar-Ola: Povolzhskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2014. – S. 248–249.
Borodin, A. V. Stokhasticheskoe modelirovanie v zadachakh sinteza optimal'nykh topologii setei distributsii tochnogo vremeni [Tekst] / A. V. Borodin, D. R. Zub'yak // Tekhnicheskie nauki — ot teorii k praktike. Sbornik statei po materialam XXXIV mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. № 5 (30). – Novosibirsk: Izdatel'stvo «SibAK», 2014. – S. 7–15.
Glazyrina, T. V. Programmnyi kompleks rasshirennogo monitoringa sostoyaniya NTP-serverov kompanii Symmetricom serii NTS-90 i NTS-100 [Tekst] / T. V. Glazyrina, N. A. Lukinykh, A. V. Borodin // Chelovek, obshchestvo, priroda v epokhu global'nykh transformatsii: bezopasnost' i razvitie. Semnadtsatye Vavilovskie chteniya: materialy postoyanno deistvuyushchei mezhdunarodnoi mezhdistsiplinarnoi konferentsii. Ch. 2. – Ioshkar-Ola: Povolzhskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2014. – S. 246–248.
Samofeeva, N. Yu. Postroenie zashchishchennogo NTP-istochnika tochnogo vremeni na baze servera vremeni Symmetricom Truetime NTS-90 [Tekst] / N. Yu. Samofeeva, A. V. Borodin // Chelovek, obshchestvo, priroda v epokhu global'nykh transformatsii: bezopasnost' i razvitie. Semnadtsatye Vavilovskie chteniya: materialy postoyanno deistvuyushchei mezhdunarodnoi mezhdistsiplinarnoi konferentsii. Ch. 2. – Ioshkar-Ola: Povolzhskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2014. – S. 260–261.
Gryazin, N. L. Sovokupnaya stoimost' vladeniya kak kriterii optimal'nosti arkhitektury sluzhby distributsii tochnogo vremeni v sistemakh SDR-svyazi na baze oborudovaniya kompanii Symmetricom [Tekst] / N. L. Gryazin, A. V. Borodin // Informatsionnye tekhnologii v ekonomike, obrazovanii i biznese: materialy V mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (23 dekabrya 2013 g.). – Saratov: Izdatel'stvo TsPM «Akademiya Biznesa», 2013. – S. 39–41.
Shalagin, M. A. Ispol'zovanie NTP-serverov kompanii Symmetricom v sistemakh SDR-svyazi novogo pokoleniya: stoimostnoi aspekt [Tekst] / M. A. Shalagin, E. N. Mokeev, A. V. Borodin // Chelovek, obshchestvo, priroda v epokhu global'nykh transformatsii: bezopasnost' i razvitie. Semnadtsatye Vavilovskie chteniya: materialy postoyanno deistvuyushchei mezhdunarodnoi mezhdistsiplinarnoi konferentsii. Ch. 2. – Ioshkar-Ola: Povolzhskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2014. – S. 262–263.
Borodin, A. V. O zadache sinkhronizatsii vremeni na osnove GPS-priemnikov kommercheskoi tochnosti s ispol'zovaniem protokola NMEA [Tekst] / A. V. Borodin // Obozrenie prikladnoi i promyshlennoi matematiki. – 2008. – T. 15. – V. 6. – S. 1046–1047.
Аннотация: Предметом исследования являются процессы проектирования и создания защищенных мультисервисных сетей передачи данных (ЗМСПД). Объектом исследования является подсистема дистрибуции точного времени ЗМСПД. Наличие указанной подсистемы является базовым требованием с точки зрения обеспечения безопасности функционирования сети. Средства регистрации событий в ЗМСПД, системы анализа протоколов событий, системы защиты от вторжений – это лишь небольшой перечень подсистем ЗМСПД, которые не могут существовать без службы точного времени. С другой стороны, указанная служба может рассматриваться как клиентский сервис ЗМСПД. В этом качестве служба точного времени в вычислительных сетях год от года становится все более востребованной. В то же время не секрет, что в качестве источников точного времени в современных ЗМСПД используется продукция западных стран. При этом, ввиду высокотехнологичности указанных изделий, часто соответствующее производство не вынесено в страны Азии. Соответственно сегодня в этой сфере возникают определенные сложности при подборе и заказе оборудования. Учитывая выше сказанное, автор подробно рассматривает такие аспекты импортозамещения в части создания служб точного времени ЗМСПД, как наличие доступных опорных источников точного времени в Российской Федерации, присутствие отечественного производителя оборудования на соответствующем рынке, экономические аспекты последствий от реализации возможного импортозамещения. Особое внимание уделяется типовым конфигурациям источников точного времени в ЗМСПД, базирующимся на оборудовании отечественного производства. Работа основывается на совокупности результатов маркетинговых исследований отечественного рынка радиоэлектроники, проведенных автором. В качестве источников информации использовались сеть Internet и прямые (по телефону) контакты с отделами продаж ряда производителей. При формировании целей маркетинговых исследований использовались стандарты в области протоколов дистрибуции точного времени поверх Internet-протокола, а также некоторые исследования автора. Основным выводом проведенного исследования является констатация возможности использования в качестве источников точного времени в ЗМСПД комплексов, построенных на оборудовании отечественных производителей. Особым вкладом автора в исследование темы является выработка рекомендаций для отечественных производителей в части корректировки их рыночного поведения. Новизна исследования заключается в использовании концепции совокупной стоимости владения при сравнении различных сценариев построения подсистем дистрибуции точного времени в вычислительных сетях, базирующихся на Internet-протоколе.
Ключевые слова: NMEA, GPS, ГЛОНАСС, РТЗ, эталон времени, РБУ, дистрибуция точного времени, сеть передачи данных, NTP, совокупная стоимость владения
Abstract: The article deals with processes of design and creation of the secure wide area network (SWAN). Object of research is the subsystem of distribution of exact time of SWAN. Existence of the specified subsystem is the basic requirement from the point of view of safety of functioning of a network. Means of registration of events in SWAN, systems of the analysis of protocols of events, intruder detection systems is only a small list of subsystems of SWAN which can't exist without service of exact time. On the other hand, the specified service can be considered as the SWAN client service. In this quality the service of exact time in computer networks from year to year becomes more and more demanded. At the same time it is not a secret that as the sources of exact time in modern SWAN the production of the western countries are used. Thus, in view of categories hi-tech of the specified products, the corresponding production isn't taken out to the countries of Asia. Respectively today in this sphere there are certain difficulties at selection and the order of the equipment. Considering above told, author in detail considers such aspects of import substitution regarding creation of services of exact time of SWAN, as existence of available basic sources of exact time in the Russian Federation, presence of domestic producer of the equipment in the relevant market, economic aspects of consequences from realization of possible import substitution. The special attention is paid to the standard configurations of sources of exact time in SWAN which are based on the equipment of a domestic production. The article is based on set of results of the researches of the domestic market of radio electronics conducted by author. As sources of information the Internet publications and phone calls to the sales departments of a number of producers were used. When forming the purposes of market researches the standards in the field of protocols of distribution of exact time over the Internet-protocol and also some researches of the author were used. The main conclusion of the conducted research is ascertaining of possibility of use as sources of exact time in SWAN of the complexes constructed on the equipment of domestic producers. A special contribution of the author to the research of a subject is development of recommendations for domestic producers regarding correction of their market behavior. Novelty of the research is in the use of the concept of total cost of ownership when comparing various scenarios of creation of subsystems of distribution of exact time in the computer networks which are based on the Internet-protocol.
accurate time server, RBU, clock synchronization, RTZ, GLONASS, GPS, NMEA, network, NTP, total cost of ownership
Современные крупномасштабные защищенные мультисервисные сети передачи данных (ЗМСПД) немыслимы без таких подсистем, как подсистема безопасности, службы мониторинга и диагностики неисправностей, и, в ряде случаев, подсистема динамической ремаршрутизации. Важно обратить внимание на то, что ни одна из названных подсистем не может функционировать без наличия в ЗМСПД службы точного времени.
Для дистрибуции точного времени в ЗМСПД чаще всего используется протокол NTP (Network Time Protocol) [1] . NTP использует для своей работы протокол UDP. Система NTP чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи данных. NTP использует алгоритм Марзулло (предложен Кейтом Марзулло из Университета Калифорнии, Сан-Диего), включая такую особенность, как учёт времени передачи. В версии 4 протокол способен обеспечивать точность дистрибуции точного времени до 10 мс при работе через Internet, и до 0,2 мс и лучше внутри локальных сетей [2] .
Основными игроками на рынке разработки и производства специализированных NTP-серверов, базирующихся на синхронизации времени в рамках американской системы глобального позиционирования GPS [3] , являются американские компании Symmetricom (с недавнего времени - Microsemi) и Spectracom, а также отчасти Trimble и Communication Systems Solutions, немецкий рынок NTP-решений представлен компанией Meinberg. Безусловный лидер на этом рынке – Symmetricom, Inc. Следует отметить, что стоимость специализированных серверов времени названных копаний достаточно высока и сопоставима между собой при близких технических характеристиках, однако их использование часто оказывается целесообразным [4] . Учитывая значительный масштаб большинства региональных ЗМСПД, приходится использовать не один источник точного времени, а несколько, распределенных по узлам ЗМСПД. В этих условиях актуальной становиться задача снижения совокупной стоимости владения подсистемой дистрибуции точного времени, как составной части совокупной стоимости владения ЗМСПД [5] . Еще большую остроту эта задача приобрела в последнее время в связи с вводом ограничений технологически развитыми странами на экспорт технологий в Российскую Федерацию.
Целью настоящей статьи является исследование возможности реализации схем импортозамещения технологий и оборудования, а также формирование рекомендаций для российских производителей, которые бы обеспечили создание условий эффективного решения задач дистрибуции точного времени в отечественных ЗМСПД.
Альтернативой, достаточно широко используемым в Российской Федерации источникам точного времени на основе приема спутниковых сигналов американской системы глобального позиционирования GPS, могут стать источники, использующие аналогичную отечественную систему глобальной навигации ГЛОНАСС [6] , а также источники Эталонных Сигналов Частоты и Времени (ЭСЧВ), функционирующие на базе радиостанции РБУ, расположенной в Москве и использующей частоту 66.(6) кГц, и радиостанции РТЗ, расположенной в Иркутске и использующей частоту 50.0 кГц.
Дивизион космического базирования системы ГЛОНАСС в последние годы был в значительной степени усилен, что позволило добиться высоких показателей доступности, см. рис. 1.
Рис. 1. Мгновенная доступность системы ГЛОНАСС по состоянию на 14.05.2012 г. (доступные данные на момент подготовки статьи)
Геометрический фактор PDOP (Position Dilution of Precision) показывает, насколько геометрически удачно расположены спутники в небе относительно пользователя в данный момент времени [7] . Чем ниже значение геометрического фактора, тем лучше. Величину PDOP = 6 принято считать граничным значением, при котором, результаты вычисления дают приемлемую точность. Мгновенная доступность рассчитывается на текущий момент времени.
Среднесуточные значения несущих частот ЭСЧВ, излучаемых радиостанциями РБУ и РТЗ, согласуются с размером единиц частоты, воспроизводимой Государственным эталоном времени и частоты [8] с относительной погрешностью не более `2xx10^-12` . При этом зона обслуживания сигналами точного времени радиостанций РБУ и РТЗ не превышает 1000 км [9] , см. рисунки 2 и 3.
Рис. 2. Расположение радиостанции РБУ и примерная зона ее охвата
Рис. 3. Расположение радиостанции РТЗ и примерная зона ее охвата
Одним из ключевых показателей качества синхронизации времени можно считать точность этого процесса. Для оценки легко достижимых показателей точности синхронизации на основе приема спутниковых сигналов системы глобального позиционирования GPS при использовании оборудования американского производства был собран стенд, см. рис. 4. Использованная система синхронизации времени содержит два первичных источника времени нижней ценовой категории: NTP-сервер с выделенным портом управления Truetime NTS-90 компании Symmetricom (в настоящее время снят с производства) и получивший достаточное распространение в виду низкой стоимости простейший NTP-сервер TM1000A компании Communication Systems Solutions. Данная система синхронизации использует физически выделенную сеть для доступа к первичным источникам времени с целью снижения влияния нецелевого траффика на точность синхронизации. Для дистрибуции точного времени потребителям, находящимся в сети общего назначения, используется вторичный NTP-сервер, построенный на базе операционной системы (ОС) Windows XP и службы NTPD, портированной немецкой компанией Meinberg с использованием исходных кодов одноименного демона Unix-подобных ОС (в стенде была использована версия 4.2.4). В качестве основных принципов построения данной системы синхронизации были использованы идеи, изложенные в ряде работ [10, 11, 12] .
Рис. 4. Топология вычислительной сети стенда для иссдедования процессов синхронизации времени на основе приема спутниковых сигналов системы глобального позиционирования GPS в условиях использовании оборудования компаний Symmetricom и Communication Systems Solutions.
Достаточно длительный (более двух с половиной месяцев) мониторинг работы описанного стенда позволил собрать статистику, представленную на рис. 5. (Для обработки и отображения статистики использовалось программное обеспечение NTP Time Server Monitor by Meinberg версии 1.04.) Обработка данных позволила получить следующие выборочные характеристики случайной величины точности синхронизации:
- рекордные значения: `min quadDelta t = -12.422` мс, `max quad Delta t = 10.778` мс;
- стандартное отклонение: `sigma = 4.453` мс.
Рис. 5. Статистика синхронизации времени от спутникоаого дивизиона GPS в рамках использования исследовательского стенда на основе двух эталонных источников времени: Truetime NTS-90 компании Symmetricom и TM1000A компании Communication Systems Solutions.
Полученные характеристики сдучайной величины точности синхронизации в дальнейшем могут служить ориентиром для оценки альтернативных технических решений.
Исследование отечественного рынка радиоэлектронной продукции соответствующего назначения, включая анализ продуктовой линейки производителей, позволил выделить две компании, чья продукция позволяет решить задачу синхронизации времени в ЗМСПД на основе использования протокола NTP сразу, без привлечения изделий сторонних производителей.
Одним из игроков отечественного рынка оборудования для частотно-временных измерений является нижегородская компания «Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро «Стабихрон», основанная в 1996 году и имеющая богатый опыт разработки радиоизмерительных приборов и аппаратуры тактовой синхронизации для цифровых сетей связи. Клиентами компании являются Министерство связи РФ, ОАО "Ростелеком", операторы региональных сетей связи, центры стандартизации, сертификации и метрологии и многие другие.
На сайте компании [13] представлено достаточно подробное описание линейки продукции, достаточное для принятия решения о составе и конфигурации тестовых стендов, предназначенных для испытания изделий компании в условиях обеспечения практических потребностей в источниках точного времени для мультисервисных сетей передачи данных.
В частности, в перечне продукции компании присутствуют следующие изделия.
1) Радиочасы РЧ-011, предназначенные для приема ЭСЧВ, передаваемых радиостанцией РБУ или РТЗ (в зависимости от исполнения) и выдачи информации о времени в объеме, соответствующем ГОСТ 8.515-84. Эти радиочасы при использовании фирменной программы TimeSync обеспечивают синхронизацию векового таймера компьютера относительно эталонной шкалы времени UTC с погрешностью не более 60 мс.
2) Радиочасы РЧ-011 повышенной точности используют те же источники синхронизации. При работе с внутренним кварцевым генератором аппаратурная погрешность синхронизации сигналов 1 сек и 1 мин составляет не более 10 мс. При работе с внешним высокостабильным генератором возможна синхронизация сигналов 1 сек, 1 мин и 5 мин с погрешностью не более 50 мкс.
3) Антенна магнитная активная, предназначенная для приема сигналов радиостанций РБУ на частоте 66,(6) кГц и РТЗ на частоте 50 кГц и ориентированная на работу с радиочасами РЧ-011. Полоса пропускания данной антенны по уровню 3 дБ – 2 кГц. Выходное сопротивление симметричного выхода – 120 Ом. Габаритные размеры – 36x200 мм.
4) Антенна электрическая активная, предназначенная для приема сигналов в диапазоне частот от 30 до 100 кГц и ориентированная на работу с радиочасами РЧ-011. Изготавливается в двух исполнениях: с коаксиальным выходом и выходным сопротивлением 50 Ом, и с симметричным выходом и выходным сопротивлением 120 Ом. Габаритные размеры антенны – 36x510 мм.
5) Блок интерфейсный предназначен для приема информации о дате и времени с радиочасов РЧ-011 и выдачи информации о дате и времени по протоколам NTP версий 2, 3 и 4. Информация о времени и дате может так же выдаваться в персональный компьютер по интерфейсам RS-232 и USB. Интерфейсный блок построен на базе процессора семейства ARM7 и операционной системы для встроенных решений проекта uClinux [14] .
6) Спутниковые радиочасы РЧ-021, предназначенные для выдачи информации о текущей дате и времени, синхронизированных по шкале спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Часы поддерживают три режима работы: ГЛОНАСС, GPS, ГЛОНАСС+GPS. Погрешность синхронизации сигнала 1 сек обеспечивается данным оборудованием на уровне 1 мкс.
Технические решения по построению NTP-серверов на базе оборудования компании «Конструкторское бюро «Стабихрон» представлены на рис. 6 и в таблице 1, а также на рис. 7.
Рис. 6. Структурная схема подсистемы синхронизации времени на основе протокола NTP, построенной на базе радиочасов серии РЧ-011 конструкторского бюро «Стабихрон»
Таблица 1. Варианты конфигураций подсистемы синхронизации времени на основе протокола NTP, построенной на базе радиочасов серии РЧ-011 конструкторского бюро «Стабихрон»
ТОЧНОЕ ВРЕМЯ / ТОПОЛОГИЯ СЕТИ / ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / СЕТЬ ПЕТРИ / СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА / СОВОКУПНАЯ СТОИМОСТЬ ВЛАДЕНИЯ / РИСК / МЕРА РИСКА / ОПТИМИЗАЦИЯ / EXACT TIME / NTP / PTP / GPS / NMEA / NETWORK TOPOLOGY / SIMULATION / PETRI NET / RANDOM VARIABLE / TOTAL COST OF OWNERSHIP / RISK / RISK MEASURE / OPTIMIZATION
Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Ковязина Д.Р.
Перспективные требования к сетевой синхронизации и распределению сигналов точного времени в системе связи РФ
Читайте также: