ما هو الوقت المحدد؟
من بين الوظائف التي يسمح خادم الوقت بأدائها ، يمكننا تسمية التشكيل الصحيح للتسلسل الزمني للأحداث في أنظمة التحكم للحفاظ على السجلات المقابلة والسجلات وأرشفة المعلومات واتجاهات البناء والرسوم البيانية وما
إلى ذلك. كما يسمح لك الجهاز بمقارنة المعلومات بدقة من أنظمة المعلومات المختلفة في المؤسسة. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون أنظمة المراقبة بالفيديو وأنظمة الأمن ، مثل ACS وأنظمة حماية الترحيل وأنظمة الميكانيكا عن بُعد المستقلة ، إلخ.
يستخدم عدد من بروتوكولات تبادل المعلومات الطوابع الزمنية مباشرةً كجزء من حزم البيانات المرسلة. تتضمن هذه البروتوكولات IEC-101/104 ، المستخدمة في أنظمة الميكانيكا عن بعد الحديثة.
من المتطلبات المهمة لعدد من التطبيقات الصناعية متطلبات أمن المعلومات التي تستبعد الوصول إلى الإنترنت لأداء وظيفة مزامنة الوقت.
نظرًا لبساطته وعدد من الأسباب التاريخية لحل مشكلة مزامنة الوقت ، فإن بروتوكول NTP هو الأكثر استخدامًا. بالإضافة إلى الخوادم ومحطات الأرشفة والمشغل لأنظمة التحكم ووحدات التحكم ولوحات HMI ، يمكن أن تعمل معدات شبكات أنظمة الاتصالات (المحولات المدارة والموجهات وما إلى ذلك) كعملاء NTP في مؤسسة.
بروتوكول NTP
بروتوكول وقت الشبكة (NTP) هو بروتوكول شبكة لمزامنة الساعات في أنظمة الكمبيوتر عبر شبكات البيانات بتبديل الرزم مع تأخير متغير (زمن انتقال). تعود الشعبية الكبيرة للبروتوكول إلى التطوير النشط للأنظمة القائمة على Ethernet. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية للبروتوكول في القدرة على إرسال الطوابع الزمنية مباشرة عبر شبكة البيانات ، مما يلغي الحاجة إلى ناقل زمني منفصل ، مثل أنظمة 1PPS أو IRIG-B. تم تطوير البروتوكول في عام 1985 وهو أحد أقدم بروتوكولات الإنترنت المستخدمة اليوم.
يوفر NTP دقة توقيت مقبولة لمعظم التطبيقات. يمكن أن يدعم البروتوكول الوقت بدقة تصل إلى عشرات المللي ثانية على الإنترنت وما يصل إلى 0.2 مللي ثانية على الشبكات المحلية في ظل ظروف مثالية. يمكن أن تؤدي مسارات البيانات غير المتماثلة وازدحام الشبكة إلى أخطاء تبلغ 100 مللي ثانية أو أكثر.
يقوم NTP بمزامنة الأجهزة مع التوقيت العالمي المنسق (UTC). في هذه الحالة ، يأخذ البروتوكول في الحسبان ظهور الثانية الكبيسة نتيجة الدوران غير المتكافئ للأرض ، ولكنه لا ينقل أي معلومات حول المناطق الزمنية المحلية أو التوقيت الصيفي.
هيكل النظام
يستخدم NTP نظامًا هرميًا لمصادر الوقت الدقيقة. كل مستوى من مستويات التسلسل الهرمي يسمى Stratum (طبقة ، طبقة) ويتم تعيين رقم يبدأ من 0 للساعة المرجعية في أعلى التسلسل الهرمي. تتم مزامنة خادم الوقت على الطبقة N من الخوادم على الطبقة N-1. يمثل الرقم N المسافة من الساعة المرجعية ويستخدم لمنع الدوران أثناء المزامنة. لا تعد الطبقة دائمًا مقياسًا للجودة أو الموثوقية. على سبيل المثال ، يمكنك العثور على مصادر الوقت في الطبقة 3 ذات جودة أعلى من مصادر الوقت في الطبقة 2.
الطبقة 0
الساعة المرجعية في Stratum 0 هي أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GLONASS و GPS وما إلى ذلك) أو الساعات الذرية أو أجهزة الإرسال اللاسلكية. مرة واحدة في الثانية ، يولدون إشارة نبضية (1PPS) تؤدي إلى مقاطعة وتولد طابعًا زمنيًا على الأجهزة المتصلة. تُعرف أجهزة الطبقة 0 أيضًا بالساعات المرجعية. لا يمكن لخوادم NTP وضع نفسها في النظام كـ Stratum 0. إذا تم تعيين حقل Stratum على 0 في حزمة بيانات ، فهذا يشير إلى طبقة غير محددة.
الهيكل المنطقي لنظام المزامنة القائم على NTP
Stratum 1
تحتوي هذه الطبقة على أجهزة تتم مزامنة وقت نظامها في غضون بضعة ميكروثانية من الساعة المرجعية. يمكن أن تعمل خوادم الوقت في هذا المستوى في وضع نظير إلى نظير مع خوادم Stratum 1 الأخرى للتحقق من التكرار والدقة. وتسمى أيضًا خوادم الوقت الأساسي.
Stratum 2
هذه هي الأجهزة التي تتم مزامنتها عبر الشبكة من خوادم المستوى 1. غالبًا ما تستطلع أجهزة المستوى 2 عدة خوادم من المستوى 1. يمكن أيضًا أن تكون أجهزة كمبيوتر Stratum 2 نظير إلى نظير مع أجهزة كمبيوتر أخرى من نوع Stratum 2 لتوفير وقت أكثر استقرارًا وموثوقية لجميع الأجهزة في مجموعة النظراء. العقد.
الحد الأقصى لعدد الطبقات النظري هو 15 ؛ يستخدم Stratum 16 للإشارة إلى أن الجهاز غير متزامن. تتفاعل آليات NTP على كل جهاز في النظام لإنشاء أقصر مسار إلى خوادم Stratum 1 لجميع العملاء. هذا يقلل من الكمون المتراكم في نقل البيانات ويحسن دقة التوقيت. تعتمد خوارزمية إنشاء شجرة ممتدة بأدنى طول للمسار على خوارزمية Bellman-Ford.
الطوابع الزمنية
استخدم NTP في الأصل طوابع زمنية 64 بت ، تتكون من جزء 32 بت للثواني وجزء 32 بت لأجزاء من الثانية ، مما أعطى مخططًا زمنيًا يتم تمريره كل 32 ثانية (136 عامًا) ويعطي دقة نظرية من 2 إلى 32 ثانية (233 بيكو ثانية). بدأ العد التنازلي في الأول من كانون الثاني (يناير) 1900 ، لذا ستنتهي المرحلة الأولى في 7 فبراير 2036.
يقدم أحدث إصدار من بروتوكول NTPv4 تنسيقًا زمنيًا 128 بت: 64 بت للثواني و 64 بت لأجزاء من الثانية ، مما يعطي جدولًا زمنيًا لأكثر من 584 مليار سنة ودقة تبلغ 0.05 أتوثانية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تقديم حقل رقم عصر 32 بت ، والذي قضى حتى على المشكلة النظرية لنهاية كل عصر.
خوارزمية مزامنة الساعة
يستطلع عميل NTP خادمًا واحدًا أو أكثر بانتظام. عند القيام بذلك ، يقوم بحساب إزاحة الوقت وتأخير رحلة الذهاب والإياب. إزاحة الوقت θ هي الفرق في الوقت المطلق بين ساعة الخادم وساعة العميل ويتم تحديدها بواسطة الصيغة:
تأخير رحلة الذهاب والإياب δ يُعرّف بأنه الوقت الذي يتم فيه إرسال الإشارة عبر خطوط الاتصال من العميل إلى الخادم والعكس. هذا هو الوقت المستغرق لإرسال الإشارة ، بالإضافة إلى الوقت المطلوب لتأكيد الحصول على إشارة عن طريق:
حيث t 0 - علامة وقت العميل لإرسال حزمة طلب ،
t 1 - حزمة طلب خادم تلقي الطابع الزمني ،
t 2 - وقت خادم التسمية لـ إرسال حزمة استجابة ،
ر 3- الطابع الزمني للعميل الذي يتلقى حزمة الاستجابة.
خوارزمية لحساب إزاحة الوقت وتأخير الرحلة ذهابًا وإيابًا
يتم تمرير القيم المحسوبة لـ θ و عبر المرشحات وتخضع للتحليل الإحصائي. يتم تجاهل القيم المتطرفة من العينة الإجمالية ويتم تقدير انحياز التوقيت بناءً على القيم المتبقية. بمعرفة إزاحة الوقت وتأخير الرحلة ذهابًا وإيابًا ، يقوم العميل بضبط وقته لتحقيق θ يساوي صفرًا.
يتم تحقيق التزامن الدقيق عندما تكون المسارات الواردة والصادرة بين العميل والخادم متماثلة ، أي أن لها نفس زمن الانتقال. إذا كانت المسارات غير متماثلة ، فهناك تحيز منتظم بنصف الفرق بين الوقت الذي يتم فيه إرسال الحزمة من العميل إلى الخادم والعودة.
آليات النقل
في معظم الحالات ، يستخدم بروتوكول NTP نموذج التشغيل الكلاسيكي للخادم العميل ، حيث يرسل العميل طلبًا وبعد فترة من الوقت يتلقى استجابة من الخادم. ومع ذلك ، يسمح البروتوكول بإجراء عملية نظير إلى نظير ، حيث يرى اثنان من الزملاء بعضهما البعض كمصدر زمني محتمل. يُطلق على وضع التشغيل هذا أيضًا اسم متماثل. بالنسبة لاتصالات الشبكة ، يستخدم NTP بروتوكول UDP ، ويعمل بشكل افتراضي على المنفذ 123. لنقل البيانات ، يمكن استخدام آليات مختلفة - أحادي البث والبث المتعدد والبث المتعدد.
وضع الإرسال الأحادي
يستخدم NTP غالبًا وضع الإرسال الأحادي لنقل البيانات. في هذا الوضع ، يتم نقل البيانات من جهاز شبكة إلى آخر بشكل فردي. تستخدم حزم Unicast العنوان المحدد للجهاز الذي تم تخصيص الحزمة له كعنوان IP الوجهة. وضع
البث يكون
هذا الوضع مفيدًا عندما يخدم عدد صغير من خوادم NTP عددًا كبيرًا من العملاء. في هذا الوضع ، يرسل الخادم بشكل دوري الحزم باستخدام عنوان الشبكة الفرعية للبث. يتلقى العميل الذي تم تكوينه للمزامنة بهذه الطريقة حزمة بث الخادم ويتزامن معها.
هذا الوضع لديه عدد من الميزات. أولاً ، يوفر وضع البث دقة توقيت أقل من البث الأحادي. ثانيًا ، لا يمكن إرسال حزم البث إلا داخل نفس الشبكة الفرعية. بالإضافة إلى ذلك ، من المستحسن استخدام طرق المصادقة للحماية من المتسللين.
وضع البث المتعدد
يعمل وضع البث المتعدد بنفس طريقة البث. الاختلاف هو أن عنوان مجموعة الإرسال المتعدد يُستخدم لتسليم الحزم ، وليس عنوان الشبكة الفرعية للبث. يتم تعيين عنوان IP متعدد البث للعملاء والخوادم يستخدمونه لمزامنة الوقت. هذا يجعل من الممكن مزامنة مجموعات من الأجهزة الموجودة على شبكات فرعية مختلفة ، بشرط أن تدعم أجهزة التوجيه التي تربطها IGMP وأن يتم تكوينها لنقل حركة مرور البث المتعدد.
Manycast Mode
هذا الوضع جديد على أحدث إصدار (v4) من بروتوكول NTP. يعمل وضع Manycast كوضع الإرسال المتعدد فقط مع عناوين IP غير معروفة لخوادم NTP. من خلال إرسال رسائل البث المتعدد ، يبحث العميل في شبكة خادم Manycast ، ويتلقى عينات من الوقت من كل منها ، ويختار أفضل ثلاثة منها سيتم مزامنتها. في حالة فشل أحد الخوادم ، يقوم العميل تلقائيًا بتحديث قائمته.
يستخدم العملاء والخوادم التي تعمل في وضع Manycast أيضًا عناوين مجموعة الإرسال المتعدد لإرسال عينات الوقت. العملاء والخوادم الذين يستخدمون نفس العنوان يشكلون ارتباطًا واحدًا. يتم تحديد عدد الاقترانات من خلال عدد عناوين الإرسال المتعدد المستخدمة.
إصدارات البروتوكول
منذ ظهوره في عام 1985 ، بدأ البروتوكول في التطور بنشاط وبحلول عام 1992 تغير أربعة إصدارات (من NTPv0 إلى NTPv3). أضاف كل إصدار جديد وظائفه وحسّن عمله ، لكنه ترك تنسيق البيانات دون تغيير وأبقى الإصدارات المختلفة متوافقة مع بعضها البعض. الإصدار الرابع الأخير من البروتوكول مؤرخ في 2010. يستمر NTP في التطور اليوم ، والعمل جار لإيجاد حل مشابه تقنيًا لـ PTP الأكثر دقة (بروتوكول الوقت الدقيق).
SNTP
بالتزامن مع NTPv3 في عام 1992 ، تم تقديم نسخة أبسط من البروتوكول - SNTP (Simple NTP). يستخدم SNTP نفس تنسيق الإرسال والعرض مثل NTP. في الوقت نفسه ، لا يتعلق SNTP بخوارزميات الخادم ، ولكنه يبسط خوارزميات العملاء. هذا هو السبب في أن البروتوكول يستخدم غالبًا في الأنظمة والأجهزة المضمنة التي لا تتطلب دقة عالية.
يكمن الاختلاف بين NTP و SNTP في طرق تحديد الخوادم المثلى للتزامن وطريقة تصحيح الوقت. لذلك يسمح NTP للعميل باستخدام خوارزمية التقاطع الرياضية (نسخة معاد تصميمها من خوارزمية Marzullo) لاختيار العديد من أفضل الخوادم على الشبكة وضبط وقتهم بسلاسة. يستخدم SNTP خادم NTP واحدًا محددًا مسبقًا للمزامنة ، في حين أن البعض الآخر يمكن أن يكون نسخًا احتياطيًا فقط في حالة فقد الاتصال بالجهاز الرئيسي. في هذه الحالة ، يكون العميل الذي يستخدم SNTP قادرًا على ضبط الوقت فقط في قفزة بعد تلقي استجابة من الخادم.
رسم تخطيطي نموذجي لنظام التزامن وعيوبه
تقليديًا ، يتم إنشاء نظام الوقت في المنشآت الصناعية على أساس خادم NTP يتكون من وحدة رأسية مركبة في نفس الخزانة مع معدات الشبكة وهوائي بعيد ، يتم تثبيته في الهواء الطلق ومتصل بالخادم باستخدام كابل متحد المحور. في الوقت نفسه ، تحتوي الوحدة الرئيسية على العديد من واجهات الشبكة (Ethernet أو RS-232/485) لتوصيل العملاء في شبكة واحدة أو عدة شبكات.
نظام وقت الدقة النموذجي
إذا نظرت إلى هذا الحل عن كثب ، فسترى العديد من العيوب. أولاً ، يفتقر مثل هذا النظام إلى التكرار الكامل. على الرغم من حقيقة أن الوحدة الرئيسية بها عدة واجهات للشبكة وقادرة على توفير وقت دقيق في عدة شبكات ، فإن فشلها أو فشلها سيؤدي إلى ضياع مصدر الوقت الدقيق في جميع أنحاء الموقع. التكرار الكامل لوحدة الرأس في مثل هذا الحل سيجعل نظام المزامنة الباهظ الثمن بالفعل أكثر تكلفة.
العيب الثاني هو الحاجة إلى تثبيت خادم الوقت في الخزانة. هذا ليس عيبًا بالنسبة للمشاريع الكبيرة ، ولكن بالنسبة لأنظمة التحكم المحلية الصغيرة يمكن أن يكون مشكلة خطيرة.
تشمل العيوب أيضًا الحاجة إلى استخدام هوائي بعيد وكابل متحد المحور. لماذا ا؟ بادئ ذي بدء ، يمكن أن تتجاوز تكلفة هوائي GPS / GLONASS عالي الجودة بكابل طويل وحماية ضد القوارض بسهولة 10000 روبل. بأسعار 2020. في هذه الحالة ، يكون للكابلات المحورية طولًا محدودًا لإرسال الإشارات من أنظمة الأقمار الصناعية. فوق 50 مترًا ، ستضعف الإشارة بشكل ملحوظ ، وهو عامل مقيد خطير في المباني الكبيرة.
يتمثل العيب الرئيسي للنهج التقليدي لإنشاء أنظمة التزامن في تكلفته العالية (غالبًا أكثر من 150000 روبل) ، مما يؤثر بشكل كبير على تقدير ليس فقط المشاريع الصغيرة ، ولكن أيضًا المشاريع الكبيرة جدًا.
كيفية جعل النظام أرخص وأكثر موثوقية
يتمثل الاتجاه غير المشروط للتقنيات الحديثة في إنشاء أجهزة إلكترونية أكثر إحكاما وسهولة في الاستخدام. في هذا الصدد ، خوادم الوقت ليست استثناء.
يمكن أن يتلاءم حل المزامنة بالكامل ، بما في ذلك هوائي GPS / GLONASS ، في صندوق صغير ، كما هو الحال في
FL TIMESERVER من Phoenix Contact. تم تصنيع الجهاز وفقًا لمبدأ الهوائي الذكي ، أي أنه يجمع بشكل مباشر بين وظائف خادم الوقت وهوائي مستقبل GPS / GLONASS. تصميمه هو الشيء الوحيد الذي يميزه عن الحلول المعتادة.
خادم الوقت NTP FL TIMESERVER
كما تبين الممارسة ، فإن الجهاز قادر على توفير الاتصال بأنظمة الأقمار الصناعية حتى داخل المباني ، ولكن للحصول على استقبال أكثر موثوقية للإشارات ، يمكن تشغيله في ظروف خارجية ، لأنه مصنوع في حالة بمستوى حماية من الغبار والرطوبة IP68 وقادر على العمل في نطاق درجة حرارة واسع من -40 إلى +70 درجة مئوية في هذه الحالة ، يتم تركيب خادم الوقت كهوائي تقليدي ، ويحتوي على مصدر طاقة فائض من دائرة 24 فولت DC و / أو عبر كبل Ethernet (PoE) ويتم تشخيصه باستخدام SNMP. للتركيب الخارجي ، يتم استخدام غدة كبل مانعة للتسرب للحفاظ على مستوى عالٍ من الحماية من الغبار والرطوبة.
من حيث الوظائف ، لا توجد اختلافات: الجهاز قادر على استقبال الطوابع الزمنية وبيانات تحديد الموقع الجغرافي من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GLONASS ، GPS) وبث هذه المعلومات للعملاء على شبكة إيثرنت.
نظام وقت دقيق يعتمد على حل Phoenix Contact
مع هذا الحل ، يتم تبسيط نظام المزامنة بشكل كبير ويزيل عيوب الطريقة التقليدية. FL TIMESERVERيحتوي على منفذ Ethernet واحد فقط ، ولكن إذا كنت بحاجة إلى استخدام عدة واجهات ، فأنت تحتاج فقط إلى توصيله بمحول أو استخدام عدة هوائيات ذكية. في هذه الحالة ، سنحصل على نسخة احتياطية كاملة لخوادم الوقت ، وليس فقط واجهة الشبكة الخاصة بها. في هذه الحالة ، سيظل الحل النهائي أرخص من العديد من نظائرها الحالية. يمكن نقل FL TIMESERVER خارج الشبكة أو خزانة التشغيل الآلي ، مما يوفر مساحة بالداخل. لا يتطلب هذا الحل هوائيًا منفصلاً ، فهو مدمج هنا بالفعل ويمكننا الاتصال بشبكة المؤسسة باستخدام كبل Ethernet عادي. يسمح لك هذا بدوره بتحريك خادم الوقت على مسافة تصل إلى 100 متر من الجهاز الرئيسي دون الخوف من أن تتلاشى الإشارة. الميزة الأكثر أهمية لمثل هذا الحل هي طلب سعر مختلف تمامًا.تكلفة الخادم لمرة واحدة أقل من 300 يورو ، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في المشاريع الصغيرة والكبيرة.