Синхронизация точного времени. Стандарт IEEE 1588.

Синхронизация времени в промышленных сетях необходима для согласования работы устройств и приложений, осуществляющих обработку данных в режиме реального времени. Помимо этого, синхронизация требуется в системах мониторинга и управления с целью протоколирования возникающих событий и своевременного реагирования на них.

В зависимости от решаемых задач, могут потребоваться разные уровни точности синхронизации времени. Так одной из наиболее чувствительных к точности времени систем является система автоматизации на энергетических подстанциях. Современная система автоматизации подстанции описана в стандарте МЭК 61850, в котором указано, что точность синхронизации времени на шине процессов должна быть не хуже 1 мкс.

Существует несколько методов синхронизации времени.

1. Односторонний метод

Часы Master отправляют информацию о времени на часы Slave. Последние используют полученные данные, учитывая задержку на передачу информации, для синхронизации времени. Задержка может быть измерена или рассчитана. Данный метод может быть использован только в тех системах, где сеть передачи данных и путь от часов Master к часам Slave не меняются, в противном случае при синхронизации времени будет неверно учтена задержка. При использовании этого метода следует учесть, что в любой системе могут возникнуть какие-либо помехи и шумы, которые повлияют на время передачи информации от мастера, но, так как связь односторонняя, отследить дополнительные задержки невозможно.

2. Двусторонний метод

Данный метод использует двустороннее соединение между часами Master и Slave. Это необходимо, чтобы динамически определять задержку на передачу данных при синхронизации по сети. Master и Slave обмениваются сообщениями с метками времени, после чего рассчитывается задержка, которая учитывается при синхронизации времени на устройствах.

Помимо отличий в методах синхронизации, разделяют еще и типы сетевых инфраструктур.

 Выделенная и конвергентная сети

В выделенной сети для синхронизации времени используют выделенную линию передачи данных. В такой сети используют методы синхронизации времени 1PPS и IRIG-B.

В конвергентной сети синхронизация времени происходит по тем же каналам, по которым передается весь остальной трафик системы. Для подобных систем используют протоколы синхронизации времени NTP, SNTP и PTP.

Кроме того, в отдельную группу можно отнести системы синхронизации от орбитальных спутников – например, GPS/ГЛОНАС.

Технологии синхронизации времени

Рассмотрим, что представляет собой каждый из способов синхронизации времени.

• GPS (Global Positioning System) – Глобальная система позиционирования. Синхронизация времени осуществляется во время определения местонахождения устройства, оснащенного GPS-приёмником. Для этого устройство ловит сигнал со спутников, установленных на околоземной орбите. Каждый из спутников имеет атомные часы, за счет чего система GPS обеспечивает хорошую точность. Минусом данного метода является необходимость в GPS-антенне, сигнал от которой может быть нестабильным.
• 1PPS (1 pulse per second) – Сигнал 1PPS не содержит метки времени. Master-устройство посылает 1 импульс в секунду по отдельной сети: оптоволоконной линии, витой паре или коаксиальному кабелю. Часы Slave используют этот импульс только для синхронизации начала каждой секунды. Устройства не могут с помощью 1PPS получить информацию по дате и времени, поэтому его чаще всего используют совместно с другими протоколами синхронизации, например NTP.
• NTP (Network Time protocol) – Протокол сетевого времени широко распространен в сетях Ethernet и Интернет. Принцип работы NTP основан на многоуровневой системе с множеством источников времени.
• IRIG-B (Inter Range Instrumentation Group) – С помощью данной технологии передается информация о дате и времени вместе с импульсным сигналом синхронизации. IRIG-B используют выделенную сеть для передачи информации. Сеть может быть построена на оптическом волокне, витой паре или коаксиальном кабеле.

Каждый уровень системы NTP называется слоем и содержит источники времени.

• Слой 0 — Эталонные часы (например, атомные часы или часы GPS)
• Слой 1 — Серверы времени, подключённые напрямую к эталонным часам. Часы этого слоя считаются лучшими источниками времени в системе
• Слой 2 — Серверы времени, которые синхронизируются с часами слоя 1

Всего слоев может быть до 16 (часы 16 слоя считаются не синхронизированными). Устройства предыдущего слоя всегда выступают в качестве серверов времени для устройств более низкого слоя. Каждое устройство в такой иерархической системе может получать данные о времени с устройств своего слоя и предыдущего. Полученные данные сравниваются по определенному алгоритму и выбирается наиболее точное время. Подобная развернутая многоуровневая система также позволяет оптимизировать трафик и нагрузку на устройства в сети.

• SNTP (Simple Network Time Protocol) – Простой протокол сетевого времени. Применяется в локальных сетях для некритичных ко времени приложений. Формат сообщений, которыми между собой обмениваются устройства в системах SNTP и NTP, идентичен, поэтому протоколы совместимы друг с другом. В отличии от NTP, у SNTP нет сложных алгоритмов сравнения и выбора наилучшего сервера времени, поэтому устройство может быть синхронизировано только с одним сервером времени, и, если данные на сервере ошибочные, то конечное устройство не узнает об этом.

Более подробно познакомимся с протоколом синхронизации точного времени - PTP.

Стандарт IEEE 1588 v2

Для систем, которым не хватает точности синхронизации, предоставляемой протоколами NTP/SNTP, был разработан стандарт IEEE 1588 v2. Данный стандарт описывает протокол точного времени - PTP (Precision Time protocol). PTP предназначен для использования в локальных сетях и гарантирует высокую точность синхронизации.

Протокол PTP может быть реализован на программном или аппаратном уровне устройства. Наиболее точной является реализация на аппаратном уровне. Точность достигается за счет проставления меток времени сообщений PTP на аппаратном уровне интерфейсов Ethernet.

В стандарте определены алгоритмы выбора главных часов, определения задержек и их компенсация, а также процесс обмена сообщениями.

Типы устройств в системе РТР:

• Гроссмейстерские часы (Grandmaster) – основные часы, по которым синхронизируется время в системе
• Ведущие часы (Master) – часы, которые выступают в качестве источников точного времени для конечных устройств
• Ведомые часы (Slave)– конечные устройства, на которых необходимо осуществить синхронизацию времени по протоколу PTP
• Граничные часы (Boundary Clock)– сетевое оборудование (коммутаторы), которое будет выступать в качестве ведомого устройства для гроссмейстерских часов, и источником точного времени для конечных устройств. При этом коммутаторы также должны поддерживать РТР
• Прозрачные часы (Transparent Clock) – коммутатор, который только измеряет время прохождения сообщений синхронизации сквозь себя и предоставляет информацию устройствам, которые участвуют в процессе синхронизации времени

Выбор Гроссмейстера

В системе PTP может быть несколько источников точного времени, но активным может быть только один. Для выбора гроссмейстера у PTP есть специальный механизм - Best Master Clock Algorithm (BMCA), который гарантирует отказоустойчивость системы PTP. Как только предыдущий гроссмейстер не может выполнять свою роль (например, потеря связи по GPS, сбой в работе самого мастера или потеря связи с системой PTP), то следующие часы, претендующие на роль основного мастера по критериям BMCA, автоматически станут источником точного времени для конечных устройств. Для этого все ведущие часы системы постоянно находятся в режиме прослушивания сообщений, отправленных на широковещательный адрес PTP, и, в случае необходимости, присваивают себе роль гроссмейстера.

Критерии BMCA

• Priority 1 Field – поле первого приоритета. Значения от 0 до 255, устанавливается пользователем. Мастер выбирается по наиболее низкому приоритету (обычно ведущим часам присваивается приоритет ниже 128, а 255 для ведомых устройств)
• Clock Class — класс часов. Например, часы с GPS-приемником имеют лучший приоритет в сравнении с часами, выставленными вручную
• Clock Accuracy – точность синхронизации.
• Clock Variance – изменения часов (джиттер и отклонения, определяются сложным логарифмическим путем)
• Source Port ID – идентификатор порта источника (обычно МАС-адрес)
• Priority 2 Field – поле второго приоритета. Также устанавливается пользователем

Диаграмма состояний часов в системе

Механизмы обмена сообщениями в PTP

Основные типы сообщений PTP

• Announce – сообщения содержащие параметры для определения основного мастера системы по алгоритму BMCA
• Sync — сообщения от ведущих часов, которые передают информацию о времени
• Follow Up – отправляются ведущими часами сразу после отправки сообщения типа sync. Данные сообщения содержат метку времени отправки сообщения sync и корректирующее значение. Используются для корректировки значения времени.
• Delay – сообщения, которыми обмениваются ведомые и ведущие устройства, для определения задержки распространения сообщений синхронизации по линиям связи между ними

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

PTP может рассчитывать задержку двумя методами:

1. Метод one step (одношаговый)

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

Метка времени t2 – это время получения сообщения ведомым устройством.

Данный режим работы позволяет уменьшить трафик PTP системы за счет отсутствия сообщений типа follow up.

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

2. Метод two step (двухшаговый)

Механизм работы такой же как одношаговый, но метка времени t1 отправляется вторым сообщением follow up сразу после сообщения синхронизации.

Режимы работы PTP

Есть два режима вычисления задержек в системе PTP: End-to-End и Peer-to-Peer. В одной системе лучше использовать одинаковый режим работы для более корректной синхронизации устройств.

1. End-to-End

В данном режиме сетевое оборудование (коммутаторы) работает в режиме прозрачных часов. Задержка измеряется мастером для всего пути от мастера до каждого конечного устройства в отдельности.

2. Peer-to-peer

Все коммутаторы должны поддерживать PTP. В этом случае коммутаторы заранее измеряют задержку каждого своего канала, в следствии чего при перестроении топологии перестроение PTP быстрое.

Power профиль PTP

В стандарте IEEE 1588 v2 описано очень много параметров для системы PTP. Чтобы было проще ориентироваться в них и понимать, какие именно настройки необходимы для той или иной системы, были созданы профили PTP.

Существует отдельный профиль, определяющий синхронизацию PTP для энергетических объектов. Данный профиль гарантирует точность синхронизации до 1 мкс в топологиях с радиусом не более 16 узлов от основного мастера точного времени.

Основные параметры профиля можно увидеть в таблице:

Использование профиля Power Profile на энергетических подстанциях гарантирует полное соответствие требованиям стандарта МЭК 61850 в разрезе синхронизации времени.

Многие управляемые коммутаторы Moxa поддерживают синхронизацию по протоколу PTP. Аппаратную реализацию PTP и возможность выбора Power профиля поддерживают коммутаторы серий PT-G503, PT-7728-PTP и PT-G7728/7828.