Учебно-испытательный полигон отработки технологий дистрибуции точного времени

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Учебно-испытательный полигон отработки технологий дистрибуции точного времени

Бородин Андрей Викторович

кандидат экономических наук

профессор, кафедра информатики и системного программирования, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Варламов Александр Сергеевич

студент, кафедра ИиСП, Поволжский государственный технологический университет

Кораблев Данил Викторович

студент, кафедра ИиСП, Поволжский государственный технологический университет

Аннотация

Объектом исследования в данной работе выступают технологии дистрибуции точного времени в сетях передачи данных. В частности рассматриваются технологии, основанные на протоколе Network Time Protocol (NTP). Важно отметить, что данная работа носит сугубо практический характер, она посвящена рассмотрению реализации полигона отработки соответствующих технологий. Под полигоном здесь понимается набор программно-технических решений, которые могут быть использованы при реализации технологии, и, которые могут быть объединены по какому-либо принципу в относительно самостоятельные стенды. Рассмотрен состав стендов, входящих в состав полигона. Приведены примеры организации подсетей - клиентов системы дистрибуции точного времени. Предложен оптимальный вариант логической организации подсистемы синхронизации времени. Намечены пути дальнейшего развития полигона. Методологической основой данного исследования является эксперимент. Полигон позволяет смоделировать огромное количество конфигураций подсистемы дистрибуции точного времени и провести измерения самых разных параметров этой подсистемы. Вспомогательной методологией данного исследования выступает методология имитационного моделирования, позволяющая сформировать для испытания потенциально оптимальные конфигурации с целью практического подтверждения их относительной эффективности. Предлагаемое техническое решение учебно-испытательного полигона пока не имеет отечественных аналогов ни с точки зрения технических средств поддержки учебного процесса, ни с точки зрения построения комплексов поддержки научных исследований в области дистрибуции точного времени. Отдельно следует отметить оригинальные решения, входящие в состав полигона, по мониторингу состояния среды и отдельных компонентов оборудования.

Ключевые слова: мультисервисные сети, дистрибуция точного времени, синхронизация времени, эталоны времени, IT-инфраструктура, GPS, NTP, PTP, Sync Ethernet, сеть Петри

The paper deals with technologies of distribution of exact time in the data communication networks. In particular the technologies based on the Network Time Protocol (NTP) are considered. It is important to point out that this article has especially practical character, it is reviewing an implementation of a proving ground of testing of appropriate technologies. By proving ground the authors mean a set of software and hardware solutions which can be used in case of implementation of technology, and which can be integrated by any principle in rather independent stends. The composition of the stends which are a part of a polygon is considered. Examples of the organization of subnets - clients of system of distribution of exact time are given. The optimal version of the logical organization of a subsystem of time synchronization is offered. Ways of further development of a proving ground are planned. A methodological basis of this research is an experiment. The proving ground allows to simulate a huge number of configurations of the subsystem of distribution of exact time and to measure the different parameters of this subsystem. Auxiliary methodology of this research is the methodology of simulation modeling allowing to create optimum configurations for the purpose of practical confirmation of their relative efficiency. The proposed technical solution of the educational proving ground has no domestic analogs: it is unique both as a set ot technical means for support of educational process and from the point of view of creation of complexes of support of scientific researches in the field of distribution of exact time. Authors also present original solutions in the proving ground, monitoring of the environment and separate components of the equipment.

Keywords:

IT infrastructure, standards of time, clock synchronization, distribution of exact time, multiservice networks, GPS, NTP, PTP, Sync Ethernet, Petri net

Введение

Современные крупномасштабные мультисервисные сети передачи данных (МСПД) немыслимы без таких подсистем, как подсистема безопасности, службы мониторинга и диагностики неисправностей, а также, в ряде случаев, таких как подсистема динамической ремаршрутизации. Важно обратить внимание на то, что ни одна из названных подсистем не может функционировать без наличия в МСПД службы точного времени.

В современных МСПД служба точного времени базируется, как правило, на протоколе Network Time Protocol (NTP) ^[1]. Кроме того, в последние годы начинается внедрение технологий, основанных на протоколах Precision Time Protocol (PTP) ^[2] и Sync Ethernet ^[3]. Однако эти технологии в Российской Федерации являются пока скорее экспериментальными. Поэтому рассмотрим более подробно ситуацию с NTP.

Основными игроками на рынке разработки и производства специализированных NTP-серверов являются американские компании Symmetricom и Spectracom, а также отчасти Trimble и Communication Systems Solutions, немецкий рынок NTP-решений представлен компанией Meinberg. Безусловный лидер на этом рынке - Symmetricom (в настоящее время, в результате слияния, данная компания входит в состав такого гиганта американской радиоэлектронной промышленности, как Microsemi). 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 МСПД, приходится использовать не один источник точного времени, а несколько, распределенных по узлам МСПД. В этих условиях чрезвычайно важной становиться задача снижения совокупной стоимости владения подсистемой дистрибуции точного времени, как составной части совокупной стоимости владения МСПД ^{[4, 5, 6]}.

При решении задач снижения совокупной стоимости владения подсистемой дистрибуции точного времени используется целый ряд подходов. Это и имитационное моделирование подсистемы дистрибуции времени МСПД ^[7] с целью оптимизации ее структуры, и стендовые испытания с виртуализацией компонентов МСПД ^[8], а также всестороннее исследование рынка оборудования ^[9]. Тем не менее, все эти подходы не обеспечивают 100%-ного решения поставленной задачи. Необходимы натурные испытания. Важно оценить параметры надежности реальных элементов системы дистрибуции точного времени, исследовать взаимное влияние этих элементов, а также влияние окружающей среды, включая градостроительный аспект, на все компоненты системы.

дистрибуция синхронизация протокол точное время

Принципы создания полигона

Все вышесказанное обосновывает необходимость и целесообразность создания учебно-испытательного полигона отработки технологий дистрибуции точного времени. Сформулируем требования, которые должны быть учтены при создании такого полигона.

1. Непрерывный режим работы полигона. Некоторые эксперименты, например, оценка долговременной нестабильности эталонных генераторов частоты, требуют значительных временных затрат - год и более непрерывной работы. С другой стороны, непрерывный характер востребованности имеет и основная сервисная функция, моделируемая на полигоне.

2. Многоцелевое назначение полигона и многопользовательский режим его эксплуатации. Состав и конфигурация оборудования полигона должны обеспечивать возможность параллельного проведения различных экспериментов, согласованных по режимам эксплуатации оборудования в соответствии с поставленными целями.

3. Продуктовое дублирование и разнообразие оборудования полигона. В состав стендов полигона должно входить оборудование синхронизации времени различных производителей для исследования возможностей и ограничений их интеграции. В то же время в составе стендов должны присутствовать дублирующиеся модели оборудования для оценки технологий резервирования с целью повышения показателей доступности и готовности.

4. Компоненты полигона должны быть территориально распределены с учетом разнообразия градостроительной обстановки. Масштаб современных МСПД - это масштаб региона, страны и в ряде случаев еще шире. Таким образов полигон должен содержать участки ответственности различных операторов связи. Разные стенды полигона должны быть смонтированы в условиях различных типов застройки и использовать антенны различных марок и мест установки.

5. Присутствие возможностей централизованного управления всеми стендами полигона и удаленного мониторинга их состояния.

6. Утилитарный характер функционирования полигона. Стоимость комплекта оборудования полигона, формируемого даже в условиях экономии финансирования, оказывается весьма значительной. Заметными оказываются и эксплуатационные издержки. В связи с этим важно, чтобы функционирование полигона представляло интерес не только для научно-исследовательской деятельности и учебного процесса по линии профильной лаборатории, но и имело заметную ценность, как для всей IT-инфраструктуры университета, так и для ряда учебных и исследовательских университетских лабораторий, утилизирующих сервисы эталонов времени и частоты. 7. Масштабируемость полигона. Роль эталонов времени и частоты в научных исследованиях постоянно расширяется, повышаются требования к точности эталонов. На подходе новые технологии синхронизации времени в сетях передачи данных - Sync Ethernet и PTP. В связи с этим архитектура вычислительной сети испытательного полигона должна обеспечивать легкое масштабирование, как по производительности, так и по функциональности.

8. Долгосрочный и перспективный характер проекта. Уже, исходя из выше обозначенных требований 2, 6, 7, становится очевидным, что данный проект следует рассматривать как инфраструктурный и, следовательно, развивающийся вместе с IT-инфраструктурой университета, а возможно и опережая ее.

Состав полигона

В соответствии с заявленными требованиями был разработан и реализован проект системы из двух территориально удаленных стендов для отработки технологий дистрибуции точного времени. Структурные схемы стендов приведены на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Структурная схема стенда, расположенного в офисе №1

Особенностью первого стенда является использование серверов времени разных производителей. При этом сервер Symmetricom Truetime NTS-90 имеет возможность использовать для приема сигналов GPS одну из трех различных антенн (одна расположена внутри помещения, две другие - наружной дислокации с круговым обзором неба не хуже 165^О по горизонту). Сервер времени Communication Systems Solutions Time Machines TM1000A использует антенну, расположенную внутри помещения у южного окна. Отметим, что строение, в котором размещен стенд, представляет собой деревянное сооружение с толщиной стен 55 … 60 см. Крыша у данного строения металлическая. Дополнительно данный стенд содержит оборудование мониторинга среды (температура, влажность, атмосферное давление) внутри и снаружи помещения. Данный стенд позволяет сравнивать точность синхронизации времени в серверах разных производителей, изучать влияние параметров и точек размещения антенн на синхронизацию, а также исследовать влияние среды (в первую очередь температуры) на внутреннее состояние оборудования синхронизации времени, например, на стабильность работы встроенных в серверы часов. Еще одной особенностью данного стенда является наличие подсистемы разграничения доступа к серверу времени Symmetricom Truetime NTS-90 по управлению. Данный сервер имеет выделенный порт управления, который в данном техническом решении защищен межсетевым экраном, построенным на базе маршрутизатора Cisco 831. Это решение позволяет отрабатывать различные политики безопасности управления сервером времени.

Рис. 2. Структурная схема стенда, расположенного в офисе №2

Второй стенд для синхронизации времени использует пару одинаковых серверов времени. При этом антенны серверов также одинаковы и дислоцированы в одном месте (у окна) внутри помещения со стенами каменной кладки толщиной 80 см (не вполне благоприятные условия приема сигналов GPS). Стенд позволяет отрабатывать технологии резервирования серверов времени с использованием однотипного оборудования и наблюдать их работу в усложненных условиях приема сигналов GPS.

На рисунке 3 приведена архитектура типичной клиентской (по отношению к полигону) подсистемы, утилизирующей сервис точного времени. Это может быть, например, домашняя сеть, в которой есть NTP-сервер стратума 3, функционирующий на ноутбуке, и часы, отображающие точное время и построенные на базе, например, гаджетов Apple (см. рисунок 3).

Рис. 3. Архитектура домашней системы точного времени

Особенностью технического решения, представленного на рисунке 3, является независимость работы сервера времени от доступности сети Internet. На компьютере, на котором функционирует NTP, дополнительно запущен скрипт, который при разрыве связи с Internet (проверяется с использованием протокола ICMP) запускает свободно распространяемую программу GPSTime португальской обсерватории COAA ^[10], которая синхронизирует часы компьютера по сигналам GPS. Данное техническое решение может также рассматриваться как дополнительный стенд полигона.

Архитектура полигона

Представление об архитектуре полигона в целом может дать один из вариантов настройки оборудования, см. рисунок 4. На данном рисунке стрелками изображены ссылки одних серверов времени на другие, которые для первых играют роль источников времени. Вариант, изображенный на рисунке интересен тем, что является оптимальным по критерию «Value at Risk», вычисленному для случайной величины совокупной стоимости владения подсистемой синхронизации времени, при жестких требованиях к готовности и доступности сервиса времени в МСПД и при фиксированном составе оборудования. Для расчетов использовались методика, предложенная в работах ^{[7, 11]}, а также пакет прикладных программ «МультиМИР» ^{[12, 13]}.

Рис. 4. Вариант логической организации подсистемы синхронизации времени в МСПД

Модель базового интервала времени эксплуатации оборудования испытательного полигона (базового периода) в нотации сетей Петри со случайной маркировкой ^[14] представлена на рисунке 5. Здесь под базовым интервалом понимается минимальный промежуток времени, в течение которого может произойти значимый отказ какой-либо единицы оборудования и последующее ее восстановление. При этом все вероятности отказов приводятся к заданной продолжительности базового интервала.

Рис. 5. Модель одного интервала времени эксплуатации оборудования испытательного полигона в нотации сетей Петри со случайной маркировкой

На рисунке использованы следующие обозначения:

p ₀ - позиция, единичная маркировка которой означает завершение предыдущего и готовность к началу нового базового периода;

t ₀ - переход, срабатывание которого означает начало нового базового периода;

p _0i - позиция, единичная маркировка которой означает готовность i -го устройства в начале базового периода;

p _{0i 1} и p _{0i 0} - временны е позиции со стохастической маркировкой, описывающие элементарное вероятностное пространство с двумя исходами (устройство соответственно выполняет свою функцию или нет) для i -го устройства,

t _{0i 1} и t _{0i 0} - переходы, срабатывание которых соответственно означает либо выполнение устройством своей функции, либо его отказ, при этом переход t _{0i 0} охарактеризован издержками на восстановление i -го устройства;

p _{2xi -1} - позиция, единичная маркировка которой означает, что i -ое устройство в течение базового периода работало без отказов;

p _2xi - позиция, единичная маркировка которой означает что i -ое устройство в течение базового периода отказало;

i = 1, 2, … , 8 (четыре первичных и четыре вторичных сервера времени);

q ₁ - позиция, единичная маркировка которой означает, что в течение базового периода для клиентов данной локальной сети был доступен эталон времени стратума 2, расположенный в пределах этой данной локальной сети;

q ₂ - позиция, единичная маркировка которой означает, что в течение базового периода для клиентов данной локальной сети был доступен эталон времени стратума 2, расположенный за пределами этой данной локальной сети;

q ₃ - позиция, единичная маркировка которой означает, что в течение базового периода для клиентов данной локальной сети эталоны времени стратума 2 были не доступны;

t ₁, t ₂ и t ₃ - переходы, срабатывающие при единичной маркировке позиций q ₁, q ₂ и q ₃, соответственно, и охарактеризованные клиентскими издержками, связанными с соответствующими состояниями подсистемы синхронизации времени в целом;

q ₀ - позиция, единичная маркировка которой означает окончание очередного базового периода;

N ₀ - подсеть сети Петри, которая реализует декодирование совокупности состояний ключевых устройств в состояние подсистемы синхронизации времени в целом.

Структуру сети Петри N ₀ определяет архитектура полигона.

Удаленный мониторинг

Вопросам удаленного мониторинга состояния серверов времени в рамках создания данного полигона посвящена работа ^[15]. Следует отметить, что только сервер Symmetricom Truetime NTS-90, из использованных в данном проекте, имеет развитые средства внутренней диагностики, сервера CSS TIME MACHINES TM1000A являются «легкими» дешевыми решениями и содержат минимум средств внутренней диагностики.

Удаленный мониторинг состояния среды внутри и вне помещения осуществляется штатным программным обеспечением Small Meteo v2 ^[16].

Заключение

В целом, в результате проведенной работы, был разработан гибкий инструмент, который может стать базой для научно-исследовательской работы не только в области дистрибуции точного времени, но и для ряда других лабораторий университета, утилизирующих сервисы эталонов времени и частоты. Учебный процесс при этом может получить реальную систему, способную демонстрировать множество фактов и технических решений, связанных с синхронизацией времени в МСПД.

Дальнейшие пути развития учебно-испытательного полигона мы связываем с созданием специализированного стенда, использующего оборудование синхронизации времени отечественного производства ^[9]. Выделение денежных средств на эту работу мы считаем важным вкладом в реализацию программы импортозамещения в целях обеспечения устойчивого развития, как отдельно взятой страны (Российской Федерации), так и мира в целом ^[17]. Новые технические решения должны быть всесторонне апробированы, в частности должны быть оценены их надежность и достижимая точность синхронизации при их использовании.

Библиография

1.RFC 5905. Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification, June 2010. - [Электронный ресурс] - URL: http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc5905.txt. Дата обращения: 31.05.2015.

2.IEEE Std 1588TM-2008. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems [Электронный ресурс]. - URL: http://www.googlecode.com/files/IEEE-1588-2008.pdf. Дата обращения: 31.05.2015.

3.Ferrant, J. Synchronous Ethernet: A Method to Transport Synchronization [Text] / J. Ferrant, M. Gilson, S. Jobert, M. Mayer, M. Ouellette, L. Montini, S. Rodrigues, S. Ruffini // IEEE Communications Magazine. - September 2008. - P. 126-134.

4.Бородин, А. В. Стоимость владения как критерий архитектуры первичного NTP-сервера на основе GPS-приемников коммерческой точности [Текст] / А. В. Бородин // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2009. - Т. 16. - В. 3. - С. 507-508.

5.Бородин, А. В. О критериях выбора архитектуры NTP-подсистемы в сетях передачи данных [Текст] / А. В. Бородин // Исследования. Технологии. Инновации. Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, сотрудников Марийского государственного технического университета. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. - С. 202-204.

6.Грязин, Н. Л. Совокупная стоимость владения как критерий оптимальности архитектуры службы дистрибуции точного времени в системах SDR-связи на базе оборудования компании Symmetricom [Текст] / Н. Л. Грязин, А. В. Бородин // Информационные технологии в экономике, образовании и бизнесе: материалы V международной научно-практической конференции (23 декабря 2013 г.). - Саратов: Издательство ЦПМ «Академия Бизнеса», 2013. - С. 39-41.

7.Бородин, А. В. Стохастическое моделирование в задачах синтеза оптимальных топологий сетей дистрибуции точного времени [Текст] / А. В. Бородин, Д. Р. Зубьяк // Технические науки -- от теории к практике. Сборник статей по материалам XXXIV международной научно-практической конференции. № 5 (30). - Новосибирск: Издательство «СибАК», 2014. - С. 7-15.

8.Андреева, Н. Е. Стенд для исследования технологий дистрибуции точного времени в сетях передачи данных, построенных на базе оборудования Cisco [Текст] / Н. Е. Андреева, А. В. Бородин // Человек, общество, природа в эпоху глобальных трансформаций: безопасность и развитие. Семнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей международной междисциплинарной конференции. Ч. 2. - Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2014. - С. 241-242.

9.Бородин, А. В. Об импортозамещении при создании систем дистрибуции точного времени в мультисервисных сетях передачи данных / А. В. Бородин // Кибернетика и программирование. - 2015. - № 2. - С.78-97. - DOI: 10.7256/2306-4196.2015.2.14036. - [Электронный ресурс] - URL: http://e-notabene.ru/kp/article_14036.html.

10.GPSTime is a small freeware applet that corrects your PC clock using GPS [Электронный ресурс]. - URL: http://www.coaa.co.uk/gpstime.htm. Дата обращения: 10.02.2015.

11.Белоусов, С. А. Единая технологическая платформа разработки подсистем дистрибуции точного времени в сетях передачи данных, построенных на базе оборудования Cisco [Текст] / С. А. Белоусов, Н. И. Александров, А. В. Бородин // Информационные технологии в экономике, образовании и бизнесе: материалы V международной научно-практической конференции (23 декабря 2013 г.). - Саратов: Издательство ЦПМ «Академия Бизнеса», 2013. - С. 15-18.

12.Уразаева, Т. А. Пакет прикладных программ «МультиМИР»: архитектура и применение / Т. А. Уразаева // NB: Кибернетика и программирование. - 2014. - № 5. - С. 34-61. - DOI: 10.7256/2306-4196.2014.5.12962. - [Электронный ресурс] - URL: http://e-notabene.ru/kp/article_12962.html.

13.Уразаева, Т. А. Алгебра рисков [Текст] / Т. А. Уразаева. - Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2013. - 209 с.

14.Бородин А. В. Теоретико-игровые модели процессов риска над сетями Петри [Текст] / А. В. Бородин // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: Труды международной научной школы МАБР-2006. - СПб.: ГОУ ВПО «СПбГУАП», 2006. - С. 305-307.

15.Глазырина, Т. В. Программный комплекс расширенного мониторинга состояния NTP-серверов компании Symmetricom серий NTS-90 и NTS-100 [Текст] / Т. В. Глазырина, Н. А. Лукиных, А. В. Бородин // Человек, общество, природа в эпоху глобальных трансформаций: безопасность и развитие. Семнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей международной междисциплинарной конференции. Ч. 2. - Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2014. - С. 246-248.

16.Термометр + гигрометр + барометр с интерфейсом ethernet. Small Meteo v2 // Электронные мелочи. - [Электронный ресурс] - URL: http://etrivia.ru/goods/Meteostanciya-s-setevym-interfejsom-Small-Meteo-v2. Дата обращения: 31.05.2015.

17.Шугуров М.В. Воздействие современного НТП на международно-правовое регулирование передачи технологий в целях устойчивого развития // Международное право.-2015.-2.-C. 53-90. DOI: 10.7256/2306-9899.2015.2.14771. URL: http://www.e-notabene.ru/wl/article_14771.html

Размещено на Allbest.ru