Analysis and modeling of the existing protocols used in time synchronization of the regional power-grid information systems

Full Text

В статье [1] было рассмотрено математическое моделирование средств формирования локальной шкалы времени, средств сравнения и коррекции шкал времени комплексной системы синхронизации времени (ССВ) информационных систем региональной электросетевой компании (РСК), предложенной в статье [2]. В предложенной ССВ задачу синхронизации предлагается решать с помощью методов пакетной синхронизации. В данной статье будет проведен сравнительный анализ основных существующих протоколов синхронизации времени, использующих в своих алгоритмах метки времени. Наибольшее распространение получили протоколы NTP (Network Time Protocol), SNTP (Simple Network Time Protocol) [3] и PTP (Precision Time Protocol) [4]. Далее подробно рассмотрены их характеристики и функциональные реализации. Анализ алгоритма работы протокола NTP Протокол NTP работает на прикладном уровне сетевой модели OSI и используется для передачи меток времени от серверов времени, расположенных на высшем уровне, до серверов и клиентов, расположенных на более низком уровне, через сети передачи данных с коммутацией пакетов [3]. Каждый уровень в иерархии определяется номером слоя (stratum). Серверам на высшем уровне присваивается stratum, равный 1. У серверов на последующих уровнях stratum на один больше, чем на предыдущем уровне. С каждым новым уровнем синхронизации точность уменьшается и зависит от топологии сети и стабильности локальных часов в узлах системы синхронизации. Работа протокола NTP основывается на определении самого короткого маршрута к первичным серверам по принципам распределенного алгоритма маршрутизации Беллмана - Форда. Алгоритм протокола NTP представлен на рис. 1. Рис. 1. Алгоритм работы протокола NTP В случае клиент-серверного режима работы протокола клиент отправляет пакеты с метками времени одному или нескольким серверам, а потом обрабатывает полученные от них ответные пакеты. Сервер получает пакет от клиента, изменяет адрес источника и получателя, номера портов, записывает свои метки времени в пакет и отправляет клиенту. При обмене пакетами обновляются параметры: - смещение () - максимально-вероятностное смещение генератора сервера относительно генератора клиента; - задержка - суммарная задержка сигнала синхронизации между клиентом и сервером туда и обратно; - дисперсия (ε) - максимальное рассогласование при измерении смещения; - джиттер (ζ) - номинальное рассогласование при оценке системного смещения. В результате проведенных измерений вычисляется расстояние синхронизации (synchronization distance): . (1) Значение (1) используется в алгоритмах выбора в системном процессе при определении сервера, с которым будет производиться синхронизация клиента. Управление частотой локального генератора клиента для поддержания ее постоянной относительно частоты генератора сервера производится в системном процессе обслуживания генератора. Для определения смещения частоты генератора клиент периодически направляет сообщения серверу с интервалом 2τ с, где τ выбирается из диапазона от 4 до 17, что равно 16 с и 36 ч соответственно. Обмен метками времени между клиентами и серверами осуществляется с помощью специальных сообщений, метки времени в которых представляются в двойном формате с битами, пронумерованными в обратном порядке [5]. При этом возможная точность оценки времени для короткого формата - не менее 15·10-6 с, формата метки - 2,32·10-10 с, формата данных - 0,05·10-18 с. Временные диаграммы, поясняющие процесс синхронизации узлов базовой модели А и В, показаны на рис. 2. Рис. 2. Временная диаграмма синхронизации по протоколу NTP В протоколе NTP применяются четыре метки для каждого из узлов, обозначенные на рисунке как t1, t2, t3 и t4 для узла А, t5, t6, t7, t8 для узла В. Существуют три параметра, описывающие состояние: org (начало метки), rec (получение метки) и xmt (отправка метки). Эти параметры копируются с меток времени при получении или отправке пакета. После определения значений меток времени T1-T6 (см. рис. 2) в каждом из устройств вычисляется смещение и задержка: ; (2) ; (3) ; (4) . (5) С помощью полученных значений (2), (4) производится компенсация смещения между частотами генераторов, а с помощью значений (3), (5) - синхронизация моментов отправки и получения сообщений. Простой протокол сетевого времени SNTP Протокол SNTP является упрощенной реализацией протокола NTP. Он полностью совместим с протоколом NTP, но при этом отличается от него отсутствием любых объединений. SNTP клиент может обращаться к любому NTP серверу как к серверу SNTP. При получении запроса от клиента сервер SNTP отправляет ответный пакет только тому же клиенту. Анализ алгоритма работы протокола РТР В системах синхронизации по протоколу РТР могут применяться устройства с поддержкой РТР и без поддержки РТР. Устройства с поддержкой РТР подразделяются на обычные (Ordinary), граничные (Boundary), из конца в конец прозрачные (End-to-end transparent), равноправные прозрачные (Peer-to-peer transparent) синхрогенераторы и узлы управления (management nodes). К устройствам без поддержки РТР относятся мосты, маршрутизаторы, коммутаторы и другие элементы информационной инфраструктуры. Все устройства образуют иерархию ведущий-ведомый (master-slave) с основным устройством, называемым гроссмейстером (grandmaster), со шкалой времени, определяющей эталонное время для всей ССВ. Обмен метками времени между устройствами производится, как и в случае с протоколом NTP, с помощью специальных сообщений, описанных в [4]. Синхронизация по протоколу PTP происходит в две фазы: 1) определение иерархии ведущий-ведомый; 2) процедура синхронизации локальных генераторов устройств. В первой фазе определяется одно из трех состояний (MASTER, SLAVE, PASSIVE) каждого порта обычных и граничных устройств. Во время этого процесса применяются два алгоритма: сравнения набора данных (Data set comparison algorithm) и решения состояния (State decision algorithm), которые анализируют получаемые сообщения Announce из сети. Первый алгоритм основывается на анализе информации, содержащей параметры принадлежности к определенным первичным генераторам, точность, число слоев и т. д. Второй алгоритм определяет, может ли заявленное состояние, полученное на выходе первого алгоритма, являться текущим состоянием. Работа второй фазы синхронизации приведена на временной диаграмме (рис. 3). В начальный момент шкала времени ведомого генератора отстает на величину начального сдвига : . Ведущее устройство проводит коррекцию сдвига шкалы времени с помощью специальных сообщений Sync и Follow-up. Sync содержит метку времени отправления сообщения , Follow-up - метку времени отправления сообщения Sync. Таким образом достигается минимизации ошибки при оценке момента . После получения сообщения Sync устройство с ведомым генератором фиксирует время t2. Затем оно отправляет сообщение Delay_request в момент t3. Устройство с ведущим генератором фиксирует момент времени получения этого сообщения t4 и передает его в ответном сообщении Delay_response. Приняв нестабильность между двумя генераторами за время в виде , метки времени отправления и получения сообщений можем записать в виде уравнений: ; . Рис. 3. Временная диаграмма синхронизации по протоколу PTP Временной сдвиг оценивается ведомым устройством при известных значениях моментов - , по формуле . (6) Если задержки между генераторами равны в обоих направлениях и значение нестабильности мало относительно величин и , уравнение (6) можно упростить: . (7) Величина (7) используется для первоначальной коррекции неточности генератора ведомого устройства. Процесс коррекции описывается следующим выражением: . (8) В результате коррекции (8) шкалы времени ведущего и ведомого генераторов приводятся к единой шкале времени с точностью до суммарного значения разности и нестабильности . Окончательно процесс завершается вторым опросом через интервал времени, длительность которого случайна и находится в диапазоне от 4 до 60 с. По результатам измерения второго опроса рассчитывается оценка пространственной задержки между двумя генераторами: . Поскольку генераторы в устройствах нестабильны, а задержки в канале могут изменяться, коррекцию генератора ведомого устройства необходимо периодически повторять. Из приведенного выше анализа можно сказать, что на точность синхронизации по протоколу РТР влияет несколько факторов: взаимная нестабильность частот генераторов (), частота генератора ведущего устройства (чем выше частота, тем точнее измерения), топология сети передачи данных и ее неравномерная загрузка. Применение протокола PTP позволяет добиться наибольшего эффекта в случае его реализации на граничных или транспортных коммутаторах, применяемых в сетях связи. Сравнительные характеристики протоколов синхронизации В таблице приведены сравнительные результаты анализа некоторых характеристик описанных выше протоколов синхронизации. Как видно из таблицы, все три протокола могут использоваться для задач синхронизации времени системных часов информационных систем. При этом точность синхронизации протоколов NTP и SNTP не всегда может быть достаточна. Более высокая точность синхронизации может быть достигнута при использовании протокола РТР, применение которого может быть и аппаратным, и программным. При этом следует учитывать, что точность синхронизации тем ниже, чем дальше от аппаратного уровня к уровню приложений реализованы синхрогенераторы. Проведенный анализ методов синхронизации времени, применяемых в сетевых протоколах синхронизации, которые работают в сетях с коммутацией пакетов, показывает, что задержки при передаче сообщения от ведущего устройства к ведомому и в обратном направлении будут равными только в случае соединения устройств прямой линией связи, что подтверждает положения, описанные в [1] при моделировании метода сравнения временных шкал узлов базовой модели методом двунаправленной передачи. В случае наличия в сети коммутаторов или маршрутизаторов задержки при передаче сообщений не будут равными в силу особенностей работы этого сетевого оборудования. При незначительной загрузке сети передачи данных влияние на точность синхронизации будет мало, но при высокой загрузке точность синхронизации времени может значительно уменьшиться. Сравнительные результаты Параметры Протокол синхронизации NTP SNTP PTP Применение Синхронизация времени на прикладном уровне от нескольких серверов. Работает в сетях TCP/IP v4, v6 Синхронизация времени на прикладном уровне от одного сервера. Работает в сетях TCP/IP v4, v6 Синхронизация времени на прикладном и физическом уровнях. Работает в сетях TCP/IP v4 Параметры измерения Смещение между генераторами Задержка времени Джиттер смещения Смещение системных часов Круговая задержка Смещение системных часов Круговая задержка Потенциальная точность 15·10-6 (Short) 2,32·10-10 (Timestamp) 2,32·10-10 1·10-8 Реальная точность 10-1-10-3 10-1-10-3 10-7-10-8 Реализация Сервер: аппаратная или программная Клиент: программная Сервер: аппаратная или программная Клиент: программная Ведомые: аппаратная Ведущие: аппаратная и программная Источник Несколько серверов Один сервер GPS, PRC Документация RFC 5905 RFC 5905 IEC 61588 Для исключения погрешностей, связанных с загрузкой сети, протокол PTP предлагает метод граничных часов, который реализуется на коммутаторах сети передачи данных. При этом необходимо учитывать, что для реализации такого метода коммутатор должен обладать специальными функциональными возможностями для поддержки протокола PTP. Синхронизация граничных часов на коммутаторе производится с часами ведущего устройства, а затем он сам становится ведущим устройством для всех ведомых устройств, подключенных к его портам. Использование такого метода позволяет осуществлять синхронизацию времени по схеме точка-точка и сохранять задержку одинаковой при передаче сообщения в прямом и обратном направлении. Выводы С целью определения соответствия принципам и алгоритмам работы ССВ, предложенной в [2], был проведен анализ широко известных протоколов синхронизации времени, применяемых в сетях передачи данных с коммутацией пакетов. Проведенный сравнительный анализ показывает, что хотя применение протокола PTP и обеспечивает значительно более высокую точность в процессе синхронизации, оба протокола PTP и NTP удовлетворяют требованиям концепции развития АСТУ РСК, предъявляемым к точности синхронизации времени. А учитывая то, что использование протокола PTP предъявляет повышенные требования к оборудованию в канале передачи данных, а также то, что предложенная в [2] ССВ будет работать в пределах локальной сети РСК, можно сделать предварительный вывод, что применение протокола NTP в качестве основного для организации ССВ в РСК позволит организовать комплексную ССВ с высокими показателями точности, доступности и информационной безопасности.

About the authors

Nikolay G Gubanov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Aleksey S Raguzin

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files