Принцип работы системы точного времени "Метроном"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Основные сведения

Система точного времени «Метроном» имеет следующие версии: 200, 300, 600, 900, 1000, 3000. Каждая версия имеет базовую конфигурацию и набор дополнительных опций. Опции подразделяются: по типу или количеству интерфейсов и сигналов; разным внутренним генераторам (возможно использование нескольких типов кварцевых генераторов или рубидиевого генератора); электропитанию - переменное, постоянное, резервированное.

В зависимости от области применения изделие испытано в различных системах сертификации и подразделяется на следующие виды:

- Сервер точного времени (система частотно - временной синхронизации).

В серверах точного времени в базовой версии установлены генераторы: TCXO - в Метроном версий 200, 300, 900; OCXO-LQ - в Метроном версии 600; OCXO-HQ - в Метроном-600/900/3000 с опцией PTP.

- Первичный эталонный источник и/или вторичный задающий генератор (оборудование тактовой или сетевой синхронизации, система сертификации в области связи).

В первичных эталонных источниках и вторичных задающих генераторах должен использоваться генератор: OCXO-HQ/DHQ или Рубидий.

- Устройство синхронизации частоты и времени версии 300, 600, 900, 1000, 3000, оборудовано, как тип средства измерения (СИ).

Устройства синхронизации частоты и времени испытаны в части метрологических характеристик сигналов 1Гц (PPS) и 10МГц и удовлетворяют заявленным требованиям при наличии в изделии генератора OCXO-HQ/DHQ или Рубидия.

Система точного времени «Метроном» предназначена для приёма эталонной шкалы времени от глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS (или получения внешних сигналов с линии), формирования и выдачи сигналов частоты и времени в разных последовательностях и кодах (1PPS (1Гц), 10МГц, IRIG, NMEA, NTP, PTP, 2,048МГц, 2,048Мбит/с и другие).

Область применения: компьютерные и вычислительные сети LAN/WAN/MAN, цифровые сети фиксированной и мобильной электросвязи SDH, NGN, LTE, WiMAX, сети теле-радио связи DAB/DVB, промышленное автоматизированное производство, энергетические, нефте-газовые системы и комплексы, системы безопасности, метрологии, АСУ ТП, АСКУЭ, АИИС КУЭ, а также иные области, где необходима частотно-временная синхронизация.

2. Описание и технические характеристики системы «Метроном»

В состав системы «Метроном» входит приемник ГЛОНАСС/GPS, управляющий компьютер с блоком сетевых и интерфейсных карт и источник питания. Управляющий компьютер работает под специализированной операционной системой (ОС) LINUX. На передней панели устройства расположены клавиши управления и жидко-кристаллический дисплей. На дисплей выводится информация о состоянии устройства и основные сообщения. С помощью клавиш управления и жидко-кристаллического дисплея можно устанавливать необходимые настройки. После установления соединения по локальной сети дальнейшая настройка оборудования может быть сделана удаленно с помощью встроенного WEB-интерфейса. Устройство по умолчанию принимает сигналы спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS одновременно. При необходимости имеется возможность выбора одного из трех режимов работы изделия, синхронизация от спутниковых систем: ГЛОНАСС и GPS; ГЛОНАСС; GPS.

Настройка оборудования возможна через WEB-интерфейс, используя браузер и через встроенное меню, используя приложения Telnet, SSH, а также с помощью навигационных клавиш на передней панели и меню.

Защита передаваемой информации обеспечивается протоколами «symmetric keys» (MD5) и NTP «autokey procedures». Процесс конфигурирования данного устройства может быть выполнен с использованием защищенных протоколов (SSH, HTTPS или SNMPv3).

Оповещение об авариях может осуществляться по электронной почте, WinMail, SNMP или через подключаемый внешний дисплей. Наличие в изделии USB интерфейса обеспечивает проведение обновлений, сохранение и загрузку файлов конфигурации и журнала событий.

Прием сигналов спутниковых систем осуществляется на всепогодную наружную антенну ГЛОНАСС/GPS. Установка антенны ГЛОНАСС/GPS требует выполнения специальных мероприятий по её заземлению.

Антенна ГЛОНАСС/GPS работает с антенным кабелем РК50-3-35 или РК50-7-314 длиной до 50 метров или с антенным кабелем РК50-7-314 до 100 метров без промежуточных усилителей. В качестве опции может применяться антенна GPS, которая работает с антенным кабелем РК50-3-35 длиной до 300 метров.

В устройстве имеется возможность установки различных опций (дополнительных сетевых интерфейсов, генераторов, различных блоков питания).

Основные технические характеристики системы точного времени «Метроном» представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики

Сетевое оборудование, поддерживающее функционирование сервисов, должно работать в соответствии с определенными техническими требованиями и задачами, и одной из главенствующих задач, которая должна выполняться в процессе настройки и эксплуатации сетевого оборудования, является одновременное (синхронное) выполнение технологических процессов, которые позволяют создать единую сетку временных координат при работе, как самого сетевого оборудования, клиентского оборудования, так и установленных в оборудовании прикладных программ и сервисов.

3. Система точного времени «Метроном»

Система точного времени обеспечивает пользователей, то есть сетевое оборудование одинаковым временем с высокой точностью. Система точного времени включает технические средства, формирующие и передающие сигналы или коды времени сетевым элементам. В системе точного времени используются серверы времени, принимающие сигналы глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS, в которых передается эталонная шкала всемирно координированного времени (UTC - Coordinated Universal Time), а также имеются устройства в сети, синхронизируемые сигналами времени, поступающими от серверов времени.

Система точного времени строится по иерархическому принципу как это показано на рисунке 1. Существуют, так называемые слои или уровни Stratum. Нулевым уровнем Stratum 0 определяется система ГЛОНАСС/GPS или атомный эталон времени, который формирует и передает шкалу UTC. Уровень 1 занимают первичные серверы времени с приемниками сигналов ГЛОНАСС/GPS, оборудование уровня 2 синхронизируется с серверами времени уровня 1 и т.д. Серверы времени первого уровня, приняв шкалу UTC формируют необходимые клиентам частотно-временные сигналы (NTP, PTP, IRIG, TOD, 10МГц, 1PPS, 2,048МГц/2,048Мбит/с и т.п.). Таким образом можно обеспечить синхронизацией сразу множество различных клиентов, в одном случае это будет временная синхронизация, а в другом случае частотная. Современное оборудование частотно-временной синхронизации, системы «Метроном», состоит из приемника ГЛОНАСС/GPS, при этом оборудование может работать в любом из трех режимов приема: ГЛОНАСС/GPS, ГЛОНАСС, GPS; одного или двух внутренних кварцевых или рубидиевых генераторов; разного по количеству портов NTP/PTP; более десятка частотных сигналов: 1Гц (1PPS), 10МГц, 2,048МГц/Мбит/с, обеспечивая тем самым синхронизацией большое число клиентов. Мультиформатная модульная серверная станция времени МЕТРОНОМ-3000 с тактовой частотой процессора 1,1ГГц может одновременно синхронизировать 30000 клиентов NTP.

Рисунок 1 - Иерархия системы точного времени

Взаимодействие сервера времени с клиентом происходит, в основном, на основе сети Ethernet, и тогда используется протокол сетевого времени NTP (Network Time Protocol), на сегодняшний день актуальна третья версия протокола NTP. Также используется высокоточный протокол сетевого времени PTP (Precision Time Protocol) второй версии. Отличие протоколов заключается в точности подстройки времени в клиентском оборудовании. Если протокол NTP позволяет обеспечить точность в сети порядка миллисекунд, то протокол PTP дает возможность достичь точности, определяемой микро и даже наносекундами. Отметим, что протокол NTP, на сегодняшний день, поддерживается любым сетевым оборудованием, и реализация системы точного времени на его базе не имеет каких-либо существенных затруднений, в то время как организация системы точного времени на основе протокола PTP сопряжена с некоторыми требованиями, которые должны выполняться транспортными системами передачи или промежуточным сетевым оборудованием. Как минимум транспортная система в такой сети должна «понимать» и поддерживать передачу протокола PTP. Сетевое оборудование должно поддерживать определенные режимы передачи и обработки протокола PTP. В соответствии с этим, сетевой элемент должен работать или в режиме прозрачных часов (transparent clock - TC) или в режиме пограничных часов (boundary clock - BC). Если промежуточное сетевое оборудование работает в режиме TC, то пакеты PTP проходят через это оборудование без дополнительной обработки, практически, прозрачно и время, которое подстраивается на клиенте, имеет, можно сказать, общесетевое усредненное значение, зависящее от «дыхания» всей сети в целом. Если промежуточное оборудование работает в режиме BC, то сеть, с точки зрения первичный сервер - конечный клиент, разбивается на множество отрезков или участков: первичный сервер - (клиент - сервер) - (клиент - сервер) ……. - (клиент - сервер) - конечный клиент. Это означает, что каждый сетевой элемент становится с одной стороны клиентом по отношению к первичному серверу или предыдущему сетевому элементу, а с другой стороны, этот же сетевой элемент, является сервером по отношению к следующему сетевому элементу и т.д. В этом случае пакеты PTP обрабатываются в каждом сетевом элементе. И в оборудовании конечного клиента происходит подстройка времени с учетом усредненных значений, обрабатываемых каждым сетевым элементом на множестве участков сервер - клиент. При этом если на сети не ставится каких-то специфических задач, необходимость установки в каждом сетевом элементе режима BC, на настоящий момент, неявна. Возможно, режим BC стоит использовать, когда в промежуточном оборудовании требуется получить несколько выходных портов, наделенных полномочиями сервера. Пока в оборудовании транспортных систем не всех производителей реализован тот или иной режим, а потому и организовать нормально работоспособную сеть с протоколом PTP в настоящий момент бывает непросто.

Взаимодействие сервера времени с клиентом может также осуществляться путем непосредственного соединения симметричных или несимметричных интерфейсов устройств по физической линии, в этом случае можно передавать коды времени TOD (Time of Day), IRIG (Inter Range Instrumentation Group), NMEA (National Marine Electronics Association) и многие другие. Обычно синхронизация клиентов подобными кодами времени осуществляется при близком расположении друг к другу сервера и клиента, например, в пределах одного объекта.

4. Тактовая сетевая синхронизация в системе «Метроном»

Развитие цифровой сети оператора электросвязи, её взаимодействие с сетью связи общего пользования Российской Федерации и с сетями других операторов электросвязи определяет необходимость создания и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации. Наиболее высокие требования к синхронизации предъявляются, когда системы передачи синхронной цифровой иерархии взаимодействуют с цифровыми системами коммутации. С помощью тактовой сетевой синхронизации (ТСС) на сети обеспечивается установка и поддержание значения тактовой частоты очень близкой к ее номиналу (относительная ошибка <10-11 отн.ед.), в результате чего временные соотношения между сигналами не выходят за определенные пределы, превышение которых приводит к снижению качества или потере связи.

Системой тактовой сетевой синхронизации называется комплекс технических средств, обеспечивающих формирование эталонных сигналов синхронизации и их передачу по сети всем задающим генераторам в оборудовании цифровых систем передачи и коммутации.

Построению и планированию систем тактовой синхронизации уделяется значительное внимание со стороны не только технических специалистов различных компаний и операторов электросвязи, но и научных организаций многих стран, что подтверждается наличием специальных требований, разработанных и изложенных в документах международных рекомендаций ITU-T и стандартов ETSI, а также российских руководящих документах и рекомендациях.

Наиболее важные требования по синхронизации предъявляются к цифровым сетям операторов электросвязи, при проведении аудита системы тактовой сетевой синхронизации, то есть комплексной технической проверки построения и работоспособности системы тактовой синхронизации. По результатам аудита головной организацией отрасли «Связь», выдается экспертное заключение о соответствии системы оператора электросвязи требованиям российских и международных нормативных документов и возможности взаимодействия с сетью связи общего пользования.

Структура сети синхронизации является иерархической. Первый уровень иерархии занимает первичный эталонный генератор. Технические параметры первого эталонного генератора (ПЭГ) должны соответствовать требованиям Рекомендации МСЭ-Т G.811. Отклонение действительного значения частоты синхросигналов на выходах генератора для цифровых сетей электросвязи от ее номинального значения не должно превышать 10-11 отн. ед. при заданных допустимых значениях фазовых блужданий. С целью выполнения требований к качественным показателям синхросигналов в качестве источников обычно используются цезиевые или водородные стандарты частоты, отклонение действительного значения, частоты которых, от ее номинального значения составляет не более нескольких единиц 10-12.

Для надежности формирования синхросигналов в состав генератора обычно входят три первичных эталонных источника и вторичный задающий генератор как это показано на рисунке 2, обеспечивающий выбор исправного первичного эталонного источника (ПЭИ) с требуемыми характеристиками и формирование необходимого числа синхросигналов на его выходах, являющихся одновременно выходами генератора. Первичный эталонный источник может быть на основе цезиевого или водородного стандарта частоты, а также на основе глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС.

Сигналы от источника или генератора передаются потребителям по цепям синхронизации, которые используются в качестве фильтров низкочастотных блужданий фазы.

Организация основных и резервных путей передачи сигналов синхронизации должна проводиться исходя из условий их получения в соответствии со следующим правилом: длина цепочки последовательно включаемых генераторов сетевых элементов (мультиплексоров СЦИ) не должна превышать 20, при общей допустимой длине цепочки из 60 генераторов сетевых элементов (ГСЭ), начиная от первого ГСЭ, подключенного непосредственно к ПЭГ, в которую для восстановления сигналов синхронизации включают ВЗГ, числом не более 10, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура сети синхронизации

Важное значение, при построении сети синхронизации имеет правильный подход при проектировании и дальнейшей реализации схемы синхронизации.

Исходными данными для проектирования являются:

- существующие схемы организации связи;

- планируемые схемы организации связи или существующие с указанием планируемого оборудования;

- технические характеристики цифровых систем передачи и коммутации.

При проектировании схем синхронизации необходимо:

- определить основной и резервный источник сигналов синхронизации;

- определить оборудование, на которое будут подаваться сигналы синхронизации от выбранных источников;

- определить возможность оборудования (по техническим характеристикам генератора и интерфейсам) принять сигналы синхронизации от выбранных источников;

- определить потребность в дополнительном оборудовании синхронизации в соответствии с нормами на цепь сетевых элементов (МСЭ-Т G.823 или исходя из условий присоединения к сетям ТСС);

- подготовить схему распределения основных и резервных сигналов синхронизации между узлами;

- подготовить схему внутриузловой синхронизации;

- указать приоритеты приема сигналов синхронизации на оборудовании (в случае если резервных синхросигналов более одного, а также при технической необходимости, учитывая конкретные особенности оборудования);

- определить качество источника (SSM) в передаваемом сигнале синхронизации в точке выдачи синхросигнала для сети синхронизации и на резервном оборудовании;

- определить объект и стык сопряжения разных колец ЦСП СЦИ для возможного резервирования;

- указать использование возможности мониторинга в оборудовании ВЗГ, а также путь прохождения тестового сигнала.

5. Протоколы синхронизации времени в системе «Метроном»

Взаимодействие сервера времени с пользователем происходит, в основном, при использовании протокола сетевого времени NTP (Network Time Protocol), на сегодняшний день актуальна третья версия протокола NTP. Также используется высокоточный протокол сетевого времени PTP (Precision Time Protocol) второй версии. А также может осуществляться путем непосредственного соединения симметричных или несимметричных интерфейсов устройств по физической линии, в этом случае можно передавать коды времени TOD (Time of Day), IRIG (Inter Range Instrumentation Group), NMEA (National Marine Electronics Association) и многие другие.

Рассмотрим основные протоколы времени используемые в системе точного времени «Метроном»:

- Протокол NTP ( Network Time Protocol)

Этот протокол сетевой синхронизации времени в настоящее время является самым популярным. NTP - это общий метод синхронизации аппаратных часов в локальных и глобальных сетях. Основная концепция протокола NTP была опубликована в 1988 году, в так называемой "версии 1" RFC. Практические аспекты использования этого протокола в сети интернет привели к появлению в 1989 году "версии 2". В настоящее время используется "версия 3" (Mills90) ntp-протокола, на основе рекомендации RFC-1305.

Способ работы протокола NTP несколько отличается от большинства других протоколов. NTP не синхронизирует все подключенные в сеть часы, он организует иерархию серверов времени и клиентов. Каждый уровень в этой иерархии называется stratum. Stratum-1 - это наивысший уровень. Сервер времени на этом уровне синхронизирует себя от внешнего опорного источника синхросигнала: радиосигналы, сигналы от спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, встроенный высокостабильный генератор и так далее. Далее сигнал синхронизации распространяется по сети нескольким клиентам, которые находятся на более низком уровне иерархии stratum-2.

Протокол NTP позволяет сравнивать локальное аппаратное время и производить подстройку часов. Точность синхронизации по протоколу NTP в среднем составляет 128 мс. Часто можно достичь точности около 50 мс.

- Протокол IRIG.

В 1956 году американской организации Inter Range Instrumentation Group (IRIG) было поручено провести стандартизацию форматов передачи временных кодов. Документ под номером 104-60 определил оригинальный формат протокола IRIG. В настоящее время последняя версия протокола IRIG соответствует стандарту 200-98.

Описание формата IRIG. Заголовок протокола IRIG состоит из одной буквы и трёх последующих цифр. Каждая буква или цифра отражает атрибут соответствующего IRIG-кода. Таблица 2 представляет стандартные типы форматов протокола IRIG в соответствии со стандартом 200-98:

Таблица 2 - Стандартные типы протоколов IRGIN

Модулированные IRIG-коды состоят из несущей частоты, которая модулируется кодом времени. Несущая частота определяется именем формата временного кода.

Также широко используется формат AFNOR NFS-87-500. Он не является разновидностью IRIG-кода, но очень на него похож.

6. Внешний вид и назначение панелей «Метроном - 600»

Внешний вид панели «Метроном-600» приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Внешний вид панели «Метроном - 600»

1 - Дисплей - символьный жидкокристаллический, 4 строки по 40 символов. Служит для отображения параметров работы и установки основных настроек изделия.

В исходном состоянии отображаются следующие значения:

ГЛОНАСС/GPS: Normal operation - сообщение о нормальной работе приемника

NTP, Sync to PPS - отображение синхронизации оборудования;

Time: hh.мм.ss - отображение текущего времени;

Date: dd.mm.yyyy - отображение текущей даты.

2 - Клавиши управления выполнены по пленочной технологии. Служат для вызова меню, установки и изменения настроек, вывода подсказок.

3 - Панель индикации отображает состояние важнейших систем изделия.

4 - Разъем управления и настройки служит для подключения компьютера по интерфейсу RS232. С компьютера можно производить полную настройку изделия через консольное приложение. Параметры порта 38400/8N1/VT100.

5 - Разъем USB позволяет обновлять программное обеспечение изделия (с флеш-карты), сохранять и загружать файлы конфигурации изделия, а также блокировать управление изделием с передней панели.

6 - Скобы для крепления в 19” стойку.

Панель индикации снабжена светодиодными индикаторами, тремя двухцветными и одним одноцветным, которые обеспечивают визуальный контроль работы изделия.

«Синхр» - режим работы. Зеленый - изделие находится в рабочем режиме и может использоваться. Красный - осуществляется подстройка. Индикация красным в первое время после включения изделия является нормальной.

«Работа. Зеленый» - индикация рабочего состояния изделия, при котором производится раздача меток времени. Красный - изделие не производит раздачу меток времени и частот. Сообщение с причиной выводится на дисплей. Индикация красным в первое время после включения изделия является нормальной.

«Сеть» - индикатор подключения локальной сети. Зеленый - к интерфейсам изделия подключена локальная сеть. Красный - сеть не подключена или интерфейс не настроен. Возможна настройка индикатора по интерфейсам.

«Авария» - индикатор красного цвета, свидетельствует о нарушениях работы изделия. Сообщение о нарушении выводится на дисплей. Нормальное состояние - не горит.

Клавиатура оборудования, представленная на рисунке 5, имеет 8 клавиш, назначение которых описано ниже:

- F1- служит для вызова подсказки по текущему пункту меню;

- F2 - горячая клавиша, функция отображается на экране напротив;

- Стрелки - ^v и <> служат для перемещения по пунктам меню;

- «OK» - для входа в выбранное меню;

- «Вых» - для выхода из меню на один уровень выше.

На задней панели изделия находятся интерфейсы для подключения внешнего оборудования.

Вид задней панели изделия приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Внешний вид задней панели «Метроном - 600»

эталонный временной навигационный сетевой

В зависимости от варианта исполнения и установленных опций задняя панель может отличаться от представленной на рисунке 6.

Назначение разъемов:

1 - Тумблер электропитания. В зависимости от исполнения (питание - 48V) может отсутствовать;

2 - Розетка электропитания;

3 - Порты RS232. Последовательный интерфейс. Выходы сигнала временного кода в соответствии со спецификацией;

4 - Выход сигнала аварии. При возникновении нештатной работы изделия или при наступлении определенного заданного события осуществляется замыкание определенной группы контактов данного разъема. При нормальной работе изделия замкнуты контакты NO, при аварии или наступлении указанного события замыкается группа NC. Максимальное коммутируемое напряжение ~125 В, =150 В, максимальный коммутируемый ток 1 А, максимальная нагрузочная способность - 30 Вт на пост. токе, 60 ВА на переменном, время отклика 2 мс;

5 - Разъем для подключения антенны. Тип SMA (ГЛОНАСС/GPS) или BNC (GPS);

6 - Разъем выходного сигнала 10 МГц для частотной синхронизации внешнего оборудования. Параметры выхода: уровень TTL, 50 Ом, разъем BNC;

7 - Разъем выходного сигнала для синхронизации внешнего оборудования сигналом (импульс в секунду). Параметры выхода: уровень TTL, 50 Ом, ширина импульса 200 мс, активный высокий, разъем BNC;

8 - Разъем выходного сигнала для синхронизации внешнего оборудования сигналом (импульс в минуту). Тип BNC;

9 - Разъем выходного сигнала частотной синхронизации. Тип BNC;

10 - Разъем выходного модулированного сигнала временного кода IRIG AM. Тип BNC;

11 - Разъем выходного немодулированного сигнала временного кода IRIG DCLS. Тип BNC;

12 - Разъем выходного сигнала протокола IEEE1588 PTPv2 (Метроном-600/PTP). Тип RJ-45. Разъем сетевой ETH4-10/100Mbit. Тип RJ-45;

13 - Группа из четырех сетевых разъемов ETH-10/100Mbit. Тип RJ-45;

Разъемы ETH предназначены для подключения изделия к локальной сети Ethernet. Интерфейсы раздельные и могут иметь различные настройки для подключения не связанных между собой сетей. Разъемы также используются для управления и настройки изделия через web-интерфейс.

Данные временной синхронизации в сервере могут быть надежно подписаны ключом безопасности (MD5) и автоключом NTP. Вся конфигурация сервера времени может выполняться через защищенный канал (SSH, HTTPS или SNMPv3).

Ключевыми особенностями данной системы является: выбор спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS, ГЛОНАСС, GPS; синхронизация времени NTP- и SNTP- совместимых клиентов; 4/5 независимых NTP портов, 1/2 независимых PTP порта; обработка более 10000 NTP запросов в секунду; оценка входных сигналов (1PPS, 10МГц, NTP, PTP) относительно ГЛОНАСС/GPS (MRS-опция); удаленное управление и конфигурация через безопасны графический web-интерфейс; поддержка сетевых протоколов HTTPS, HTTP, SSH, TELNET, SCP, SFTP, SYSLOG, SNMP, IPv4, IPv6; установка разных типов генераторов OCXO-LQ, -MQ, -HQ, -DHQ (при использовании в качестве первичного эталонного источника и/или устройства синхронизации частоты и времени применимы только OCXO-HQ/DHQ); частотно-импульсные выходы 10МГц, 1PPS; резервируемое постоянное/переменное электропитание.

Размещено на Allbest.ru