Mecanisme de sincronizare în reţelele de calculatoare

Transcription

1 Page 1 of 18 Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Mecanisme de sincronizare în reţelele de calculatoare Băicoianu Raluca-Lavinia Master I IISC

2 Page 2 of 18 Cuprins Introducere în problema sincronizarii reţelelor de calculatoare 1. Comparaţie PTP (Precision Time Protocol )/ NTP (network Time Protocol) 2. Măsurarea şi controlul dispozitivelor de sincronizare 3. Metodologii de sincronizare 3.1 Sincronizare de bază Ştampile de timp şi configuratii în exclusivitate software Configurare hardware 3.2 Boundary clocks 3.3 Transparent switches 3.4 Mecanismul "peer delay" 4. Profiluri PTP 5. Utilizarea PTP si a NTP 6.Concluzii Bibliografie

3 Page 3 of 18 Probleme de sincronizare în reţelele de calculatoare Introducere în problema sincronizării reţelelor de calculatoare Este dificil de estimat importanţa sincronizării timpului în sistemele moderne de calculatoare. Viaţa noastră depinde acum de tranzacţii financiare, telecomunicaţii, fabricaţii de mare viteză, care sunt conduse de rapiditate, dispozitive puternice ale calculatoarelor coordonate în timp unele cu celelalte. De asemeni, avem nevoie de sincronizarea informaţiilor de securitate, autentificări şi semnături digitale, sincronizarea aplicaţiilor industriale (transport, energie, gaze). Ceasul fizic ataşat unui calculator este folosit pentru marcarea temporală a oricărui eveniment apărut în cadrul unui proces ce se execută la hostul respectiv. Rezoluţia ceasului trebuie să fie mai mică decât rată la care apar evenimentele. Se pune problema comparării marcajelor generate de ceasuri similare din punctual de vedere al construcţiei. Pentru aceasta trebuie luat în considerare faptul că nu este suficientă cunoaşterea deplasamentului datorat momentelor de iniţializare diferite. În practică ceasurile nu ticăie exact cu aceeasi frecventă: diferenţe infime pot deveni de neneglijat prin acumularea lor. Mai trebuie ţinut cont si de deviaţia ratei ceasului. De exemplu pentru ceasurile cu cuarţ deviaţia este de 10-6 secunde. Cele mai exacte ceasuri sunt ceasurile atomice care masoară timpul cu o acurateţe de 1 la Pentru a putea stabili un etalon în ceea ce priveşte măsurarea timpului s-a format UTC, un standard internaţional care se bazează pe timpul atomic, dar care în anumite condiţii (inserţia/extragerea unei secunde) poate ţine pasul cu timpul astronomic. Semnalele UTC sunt emise periodic prin staţii radio şi sateliţi (GOES, GPS). în cazul în care timpul recepţionat de la serviciu este mai mare decât timpul propriu, se va sări la timpul respective. NTP permite sincronizarea cu acurateţe la UTC a clienţilor din Internet. [1] Pentru sistemele moderne de Unix, clientul NTP este implementat ca un proces daemon care rulează continuu în spațiu utilizator (ntpd). Toate versiunile recente de Linux, BSD, Mac OS X, Solaris și AIX sunt puse în aplicare în acest mod. Pachet NTP este o datagrama UDP, efectuat pe portul 123 [6]. Microsoft Windows Microsoft Windows NT 4.0 nu a venit cu o punere în aplicare NTP. Implementare de referință a NTP poate fi utilizat pe sistemele de NT4. [7] Toate versiunile Microsoft Windows din Windows 2000 și Windows XP includ serviciul Windows Time ("W32Time"), [3], care are capacitatea de a sincroniza ceasul computerului la un server NTP. Versiunea în Windows 2000 și Windows XP implementează doar simplă NTP, și încalcă mai multe aspecte ale NTP versiunea 3 de iarnă [2] Începând cu Windows Server 2003 și Windows Vista, este inclus o punere în aplicare completă a NTP [4]. Cu toate acestea, Microsoft nu garantează că punerea în aplicare a acestora va fi mult mai precisa

4 Page 4 of 18 decat 2 secunde. [5] În cazul în care se dorește o mai mare acuratețe, Microsoft recomandă să utilizați o alta aplicaţie NTP. [9] De la prima specificare completă a NTP ( Network Time Protocol) versiunea 1 şi a algoritmului care-l însoteşte apărut în RFC 1059 în anul 1988, NTP a jucat un rol important în sincronizarea timpului pentru menţinerea ceasurilor reţelei de calculatoare sincronizate la un ordin mai mic decat milisecunde unul cu celalalt. NTP a fost dezvoltat pentru un vast numar de sisteme dealungul timpului. Cand utilizatorii doresc să coordoneze evenimente în timp între mai multe sisteme, ei au mai multe opţiuni pentru a rezolva problema, fiecare cu compromisul ei. NTP trebuie să nu eşueze în cazul unei întreruperi de conectivitate, să aibă protecţie contra interferenţelor cu serviciul de timp. NTP se aplica în reţele de servere cu acces la Internet, în care serverele primare sunt conectate la un receptor UTC, iar serverele secundare sunt sincronizate cu primele. O subretea cu mai multe straturi este reconfigurabila în cazul unui esec.ntp utilizeaza trei moduri de sincronizare: 1.Multicast destinat LAN-urilor de viteză mare, care are o acurateţe redusă, dar care este suficienă în cele mai multe cazuri. 2. Apel de procedură- similar cu algoritmul Christian şi se aplică atunci cand hardware-ul nu suportă multicast sau se doreşte obţinerea unei acurateţi mai bune. 3. Simetric- pentru servere care oferă timpul în LAN-uri si la nivele înalte ale subreţelei de sincronizare Una din alternativele NTP este PTP (Precision Time Protocol). PTP este definit de standardul IEEE în noiembrie 2002 şi s-a bazat pe prototipurile de mai înainte ale Agilent Technologies. O revizuire a PTP a fost publicată în 2008 şi este cunoscută ca PTP versiunea 2 sau IEEE IEEE 1588 este proiectat pentru a umple o nișă nu sunt bine deservite de către una dintre cele două protocoale dominante, NTP și GPS. IEEE 1588 este proiectat pentru sistemele locale care necesită precizie în afară de cele realizabile cu ajutorul NTP. Acesta este, de asemenea, proiectat pentru aplicații care nu pot suporta costul unui receptor GPS la fiecare nod, sau pentru care semnalele GPS sunt inaccesibile. [10] 1. Comparaţie PTP/NTP PTP şi NTP sunt similar prin faptul că ambele se bazează pe transmisiuni de pachete şi trimiterea de ştampile printr-o reţea de la un dispozitiv de referinţă, către unul sau mai multe alte dispozitive. În plus, ambele fac sincronizarea ceasurilor dispozitivelor offset-ului de timp şi intarzierii reţelei. Ambele suportă mai multe tipuri de dispozitive cu precizii şi rezoluţii diferite. Fiecare protocol are propriile puncte forte şi alegerea unuia în detrimentul celuilalt se face prin evaluarea mediului sistemului, a capacităţilor acestuia. PTP este ales cand performanţele de sincronizare ale sistemului trebuie să depăşească ordinul de precizie al NTP şi anume ordinul milisecundelor. Cand utilizăm un sistem hardware PTP, care are capacitatea de a trimite stampile în pachete. Dispozitivele care utilizează PTP întrun LAN (Local Area Network) poate sincroniza ceasurile acestei reţele la un ordin de mărime

5 Page 5 of 18 mai mic decat zeci de nanosecunde. Fără ştampile hardware, referindu-ne la configurare exclusive software, implementările PTP pot obţine precizii mai mici decât milisecunde. NTP rămâne o tehnologie populară de sincronizare, chiar dacă implementarile PTP au fost făcute disponibile designerilor de sisteme în mai multe platforme, ambele comerciale şi constituind implemetări la fel de disponibile. [1] 2. Măsurarea şi controlul dispozitivelor de sincronizare Măsurarea si controlul dispozitivelor a fost întotdeauna o avangarda a sincronizarii de mare precizie. Pentru a obţine gradul de sincronizare necesar tipului de dispozitiv, semnale trimise prin cabluri specializate pot fi utilizate pentru sincronizarea evenimentelor dintre dispozitive. Aceste cabluri utilizate exclusive pentru sincronizarea evenimentelor sunt adesea potrivite în lungime pentru a se asigura că intarzicerea propagării este una compatibilă. Sincronizarea utilizand aceste cabluri dedicate se obtine cu o precizie foarte ridicată, iar evenimentele pot fi coordonate intre ele cu un ordin mai mic decat picosecunde, peste dispozitive aflate în vecinatate. Acest tip de sincronizare poartă numele de sincronizare bazate pe semnal. În timp ce este imbatabil pentru aplicaţii care necesită cea mai precisă sincronizare posibilă, sincronizarea bazată pe semnal poate deveni imposibil de utilizat. Cablurile dedicate pentru sincronizarea separată a dispozitivelor pot fi costuri prohibitive şi sincronizarea bazată pe semnale necesită suport hardware şi software specializat pentru a genera şi receptiona semnale prin cablu. Cablul însuşi poate fi adesea subiectul variaţiei întârzierilor de propagare în timp sau de temperatură şi ca multe dispozitive sunt adăugate sistemului, complexitatea cablării multiple a dispozitivelor creşte, ceea ce înseamnă o mentenanţă mai dificilă şi efort în plus în ceea ce poriveşte depanarea problemelor. Sincronizarea bazată pe semnal necesită ca echipamentele să nu comunice unele cu altele şi sa nu poata fi măsurat pe distanţe lungi, când îl comparăm cu alte mecanisme de sincronizare. Între timp, cu Ethernet omniprezent în laboratoarele şi fabricile unde se desfăşoară controlul şi măsurătorile dispozitivelor, o necessitate apăruta pentru ca aceste dispozitive să poate să utilize o reţea LAN sau WAN pentru comunicaţii de date şi control. NTP este adesea obligat să seteze timpul sistemului pentru aceste dispozitive, dar se păstrează necesitatea unui eveniment de stocare dedicate. În ciuda prezentei tuturor ingredientelor de baza ale evenimentului pentru sincronizarea coordonată, cronometre distribuite ( uneori se referă la sincronizarea bazată pe timp ), o tehnologie acceptabilă care poate să utilize aceasta infrastructură pentru a putea înlocui sincronizarea bazată pe semnal. NTP utilizează algoritmul Marzullo și este proiectat pentru a rezista efectelor de latență variabilă. NTP poate menține, de obicei, în termen de timp pentru a zeci de milisecunde pe internet publice și poate atinge o acuratețe milisecundă în rețele locale, în condiții ideale.[1] Pentru ca implementarea bazată pe semnal impune constrângerile descrise anterior, soluţiile bazate pe timp care utilizează Ethernet au fost investigate mai departe ca o soluţie de

6 Page 6 of 18 sincronizare. La prima vedere NTP pare a fi un bun candidat pentru o soluţie de sincronizare de cost mic, bazată pe timp şi aceasta pentru numeroase aplicaţii. Sincronizarea bazată pe semnal totuşi, furnizează un nivel de precizie foarte ridicat, NTP versiunea 3 furnizând un nivel de precizie doar de ordinul milisecundelor.această precizie este insuficientă pentru aplicaţiile care utilizează soluţii bazate pe semnal.[11] PTP a fost construit să indeplinească necesităţile industriale de masură şi control. Acesta este capabil să obţină o precizie de ordinul nanosecundelor, utilizând o infrastructura similară cu cea NTP. O privire mai apropiată asupra PTP arată de ce este o masură bună în măsurarea şi controlul aplicaţiilor. Introducere în PTP Primele puncte forte ale designului PTP au fost enumerate în numeroase prezentări şi documente, inclusive în standardul IEEE Pentru a furniza o sincronizare de ordin mai mic decât microsecunde a ceasurilor în timp real aflate în componentele unei reţele distribuite de măsurare şi control al sistemului. Să obtină cea mai bună performanţă cu sisteme localizate tipice pentru automatizări industriale, teste şi măsurători ale mediului Să fie adaptabil pentru comunicaţii multicast pe suport LAN (incluzând, dar nu se limitează la Ethernet) Să furnizeze o instalare simplă Să suporte sisteme heterogene de ceasuri în care variază precizia, rezoluţia şi stabilitatea Să impună cereri minime de resurse de reţea şi component ale host-urilor PTP îndeplineşte aceste puncte utilizând o metodologie robustă de sincronizare, un algoritm care în mod continuu şi automat menţine ierarhia potrivită a dispozitivelor pentru acurateţe maximă şi hardware specializat (necesar doar pentru performantă optimă). 3.1 Metodologii de sincronizare Sincronizarea de bază La baza standardului PTP este metodologia de sincronizare. Similar cu alte protocoale de sincronizare Ethernet, bazate pet timp în ceea ce priveşte conceptul, metodologia de sincronizare PTP este unică şi depinde oarecum de hardware ul; folosit şi aplicaţie ( industrie de putere, telecomunicaţii). PTP defineşte o ierarhie coordonator-subordonat (master-slave). Coordonatorul serveşte drept rererinţă de timp pentru mai multe dispozitive. Procesul selectării coordonatorului dintre dispozitivele participante este definit de algoritmul BMC (Best Master Clock), care este aplicat pentru fiecare dispozitiv la interval spcifice. Dispozitivele ( adesea referindu-se la ceasuri

7 Page 7 of 18 obişnuite) se pot considera ele însele coordonator pentru ca au fost determinate în concordanţă cu BMC ca având la acest moment cea mai bună abilitate de a păstra timpul faţă de coordonatorul curent. Ele vor transmite un mesaj anunţ multicast utilizând UDP ( User Datagram Protocol) la interval configurabile. Alte dispozitive vor procesa aceste anunţuri în conformitate cu BMC şi vor selecta noul coordonator. Dacă un coordinator va recepţiona un mesaj anunţ de la un alt potenţial coordinator ( cunoscut ca coordinator strain) şi algoritmul BMC indica acest coordinator strain ca fiind coordinatorul curent va face tranzitia catre o pozitie de subordonat. În plus, la mesajul anunţ un ceas coordinator transmite periodic un mesaj Sync utilizând UDP multicast (by default), care este recepţionat de un ceas subordonat. Fiecare subordonat utilizează un mesaj Sync pentru a calcula diferenţa dintre ceasul propriu şi ceasul coordonator. Mesajul conţine o ştampila provenită de la coordinator cu momentul în care a fost eliberat. (t1 din figura 1). Figura 1 Sincronizarea de bază a schimbului de mesaje Sursa: [1] Când subordonatul recepţionează mesajul Sync, înregistreaza tipul recepţionării (t2). Timpul în mesajul Sync nu reprezintă timpul precis în care mesajul a părăsit dispozitivul, deoarece acesta nu este cunoscut decât dupa trimiterea mesajului. Coordonatorul trimite apoi mesajul de Follow-up, care include momentul de timp actualizat în care mesajul Sync părăseşte coordonatorul. Momentul în care mesajul Sync părăseste coordonatorul este determinat de hardware-ul specializat sau de driver-ul de reţea. Subordonatul recepţionează mesajul Follow-up şi utilizează valoarea actuala a t1. În acest punct subordonatul a avut doua valori de timp (t1 şi t2) şi poate calcula diferenţe între timekeepers şi coordonator. Din nefericire, offset-ul obtinut din t1 şi t2 include cateva

8 Page 8 of 18 cantitati necunoscute de intarzieri de propagare datorate retelei. Pentru a determina aceasta întârziere şi pentru a calcula offset-ul actual între timekeepers, subordonatul eliberează o cerere Delay Request către coordonator şi notează timpul când a fost trimis (t3) şi apoi timpul când a fost recepţionat Delay Request (t4) şi eliberează Delay Response catre subordonatul care conţine t4. Când subordonatul receptionează Delay Response, va deţine patru ştampile de timp- t1,t2,t3 şi t4- şi poate calcula offset-ul între timekeeper-ul sau şi timekeeper-ul masterului, luând în considerare însa şi o intarziere datorata retelei. [1] Ştampile de timp şi configuratii în exclusivitate software Pentru a obtine timpul actual mesajul Sync a fost trimis de master cu scopul de a-l insera în mesajul Follow-up. Masterul trebuie să ştie exact când este capabila reţeaua sa hardware este capabilă să trimită message Sync. Acest hardware este mult mai probabil interfata fizica de retea (PHY) sau alt hardware care recunoaste pachetele PTP şi noteaza timpul exact în care ele au fost trimise sau receptionate. Diferenţa între situaţia în care software-ul masterul PTP iniţiază trimiterea acestui mesaj ( valoarea estimate a lui t1 într-un mesaj de sincronizare) şi timpul cand PHY este capabil să trimită mesaje în mediul fizic, nu numai ca va varia dar va fi putin semnificativa cu privire la precizia mai bună ca ordin decat microsecundele. Pentru aceasta mesajului Sync message trebuie să-i fie contabilizat timpul petrecut în stivă de reţea pentru a putea obţine o acurateţe maximă (Vezi figura 2). Figura 2: Stiva de retea cu stampile de timp asistate hardware Sursa:[1] PTP defineşte un alt mecanism de sincronizare putin diferit, care are avantajul unui suport hardware adiţional. Mesajele Sync şi Follow-up utilizate pentru a calcula offset-ul intre coordinator şi subordonat asa cum a fost descris mai devreme este utilizat de un Ceas în doi pasi. Un ceas cu un pas utilizeaza retele hardware specializate nu numai când ştampile de timp PTP Sync părăsesc dispozitivul, dar şi pentru a modifica ieşirea mesajelor Sync cu valoarea t1 a timpului actual de plecare (Vezi figura 3).

9 Page 9 of 18 Figura 3:Operatii intr-un singur pas Sursa:[1] Această valoare este trimisă în mod normal în mesajul Follow-up, dar pentru că sistemul hardware o face disponibilă în mesajul Sync, mesajul Follow-up va fi inutil. Un dispozitiv subordonat va trebui să inteleagă că coordonatorul său lucrează ca un ceas într-un singur pas. El poate determina aceasta prin citirea campului de bit, aflat în headerul mesajului PTP trimis de către coordonator. Ceasul cu un singur pas ajută la minimizarea traficului reţelei în timp ce se menţine o performanţă foarte bună în ceeea ce priveşte sincronizarea. Acest tip de ceas este util pentru cererea de aplicaţii PTP în diverse industrii. Interfata hardware a retelei PTP poate simplifica stampila de timp a mesajului PTP şi sa-l coreleze cu mesajul IDs pentru incercarile de mai tarziu ale software-ului PTP. Aceasta capacitate face posibila operarea masterului PTP în modul doi pasi pentru a trimite valoare precisa t1 în mesajul Follow-up catresubordonat. în timp ce gradul de suport hardware nu face posibila operarea în doi pasi, aceasta poate fi facuta pentru performante superioare în doi pasi, în comparative cu o implementare bazată în exclusivitate pe software. Un dispozitiv PTP este considerat a opera ca un ceas în exckusivitate software, dacă nu are suport hardware. Un ceas în exclusivitate software este limitată la operaţii în doi pasi şi în mod tipic trimite valori t1 în mesajul Follow-up, care sunt preluate din componentele software, cât mai repede posibil în stiva software, adesea din nivelul driver. Deşi ceasurile bazate exclusive pe software sunt în mod evident mai puţin precise decât cele cu asistenţă hardware, acestea sunt capabile încă să obţină o precizie mai mica de milisecunde. [1]

10 Page 10 of 18 Algoritmul BMC Algoritmul BMC oferă dispozitivelor PTP abilitatea de a menţine ierarhia de sincronizare dorita la schimbarea conditiilor de retea. Descrierea algoritmului BMC în sine nu sta în scopul acestui articol, dar putem spune ca algoritmul BMC este un element cheie în ceea ce priveste simplitatea şi auto-adminitrarea, obiective propuse în PTP. Unele dispozitive PTP actioneaza fie ca coordinator fie ca subordonat, algoritmul BMC fiind utilizat pentru a determina dacă este necesara selectarea unui nou master sau dacă un dispozitiv necesită tranziţia de la statul de coordonator la unul de subordonat. [1] Schimbarea stării poate apărea ca rezultat al unui numar de condiţii, toate acestea reflectate în mesajul de anunţ al subalternului sau al potenţialului subaltern. Mesajul de anunt al acestora este trimis la o rată configurabila, ca parte a protocolului. Mesajul anunt conţine toate informaţiile necesare pentru ca algoritmul BMC să poată determina dacă subalternul curent rămâne subaltern sau se va transforma într-un subaltern sau în cazul subalternului, poate asculta un nou subaltern sau poate deveni el însuşi subaltern. Unul dintre atributele mesajului de anunţ este sursa de timp a dispozitivului ( GPS, Atomic Ceas sau un oscilator ce ruleaza liber); prioritatea, aşa cum este ea determinată de administratorul local al PTP-ului; ID-ul ceasului dispozitivului, şi alte attribute utilizate de către BMC. A avea un dispozitiv PTP pe care rulează BMC şi trimite mesaje de anunţ, înseamnă că administratorul trebuie doar să deschidă sistemul şi are déjà o reţea cu dispozitive automat sincronizate în timp, configurate pentru performanţe optime, fără modificări la schimbările spontane ale topologiei de reţea.[1] 3.2 Ceasul Boundary Pentru ca switch-urile şi routerele segmenetază o reţea PTP, PTP a introdus boundary ceas în sensul distribuţiei ceasului unui subordonat în diferite părţi ale reţelei. Standardul PTP descrie boundary ceas ca fiind deţinătorul unei singure stampile de timp comandată de PTP, dar având mai multe porturi PTP intr-un domeniu. Un port poate servi ca sursă de timp (subordonatul PTP) dispozitivelor atasate acestuia sau ca ieşire destinata sincronizarii timekeeper-ului ( un subordonat PTP) cu alte ceasuri conectate la acesta. Un ceas boundary poate fi implementat pentru a inlocui un switch traditional sau un router dintr-o retea care în mod obisnuit este segmentata de aceste dispozitive. Boundary ceas difera de ceasurile PTP în operatii. PTP le diferentiaza pe cele doua numindu-le ordinary clock sau ceas obisnuit şi respectiv ceasul boundary. [1][5] Fiecare port al unui ceas boundary poate fi inteles ca un ceas obisnuit separat care imparte acelasi timekeeper cu ceasurile boundary ale altor ceasuri obisnuite. Doar un port al acestui dispozitiv poate fi în starea de subordonat, care elimină utilizarea timekeeper-ului dispozitivului ( de exemplu doua porturi care incerarca sa ajusteze timpul). Toate celelalte porturi sunt considerate coordonatoare pentru dispozitivele din segmentele respective.[1][5]

11 Page 11 of 18 Existenta unui ceas boundary cere PTP utilizarea unui coordonator general pentru a descrie intreaga retea PTP, de cand subordonatull unui port ceas boundary considera acel ceas boundary ca fiind subalternul sau. Fiecare port coordonator este responsabil pentru indeplinirea acelorasi obictive ca şi un ceas obisnuit coordonator, care efectiv ascunde toti subordonatii din ceasul boundary coordonator. [1][5] De asemenea, un ceas obisnuit de tip subordonat ( sau un alt ceas boundary cu porturile conectate în starea de subaltern) este ascuns din ierarhia PTP de deasupra boundary ceas. Un ceas boundary nu trece mesajul de sincronizare PTP de la subordonatii superiori în ierarhie la coordonatorul sau. Fara aceasta un coordinator general poate fi responsabil pentru procesarea mesajelor Delay Request şi emite mesajul de Delay Response de la şi către, fiecare dispozitiv subaltern din intreaga reţea PTP. Un ceas boundary, totuşi, poate permite în continuare oricarui sclav eligibil să fie coordonator general în intreaga retea PTP. De exemplu, dacă coordonatorul general iese din retea, urmatorul cel mai eligibil dispozitiv subordonat poate declara el singur ca fiind coordinator ( o dată ce algoritmul său BMC a determinat ca este potrivit să facă asta), şi ceasul boundary va trimite portul conectat la acest subordonat intr-un subordonat. Acest ceas boundary va avea apoi un port care a fost în starea de subaltern, acum e în starea de coordonator pentru alte ceasuri obisnuite şi boundary. Aceste ceasuri vor evalua apoi noul coordinator cu ajutorul algoritmului BMC şi tranzitioneaza potrivit acestuia, repetand acest process pentru restul ierarhiei. în functie de topologia de retea, aceasta situatie poate sa nu fie una ideala, în functie de numarul de hopuri intre care acest nou coordonator şi un subordonat a crescut cu o unu ( un ceas boundary conectat la un nou master), aceasta marind orice acumulare a erorilor de sincronizare. Utilizarea ceasului boundary şi ierarhia rezultata a dispozitivelor PTP trebuie luata în considerare pentru a maximize precizia de sincronizare a sistemului. (Vezi figura 4). Figura 4: Ierarhia de dispozitiv care utilizeaza ceasuri boundery Sursa:[1]

12 Page 12 of 18 Ceasurile boundary pot fi, de asemenea, utilizate pentru retele corelate care utilizeaza diferite protocoale de retea (vezi figura 5), de cand nu exista nicio constrangere pentru care implementarile PTP utilizeaza aceeasi tehnologie sau mediu de comunicatie. De exemplu un system poate avea cateva dispositive care utilizeaza Ethernet şi altele care utilizeaza DeviceNet, toate sincronizate dupa acelasi coordonator general prin utilizarea capacitatilor unor ceasuri boundary. în acest scenario un ceas boundary va putea avea un port compatibil DeviceNet conectata la un dispozitiv DeviceNet şi un alt port conectat la dispositive Ethernet. PTP face posibila sincronizarea ambelor tipuri de dispozitive la acelasi coordonator general fara a se uita la mediul de transmisie. în plus, la protocoale diferite de retea, ceasurile boundary pot intra în sisteme PTP mecanisme de calcul al intarzierii diferite, care sunt descrise mai jos. [1] Figura 5 Ceasurile boundery utilizate pentru a se potrivi in diferite tehnologii de retea Sursa:[1] 3.3 Switchuri invizibile Nu toate aplicaţiile permit dispozitivelor PTP să fie desfăşurate într-o manieră care conduce la o ierarhie netedă, echilibrată. Reţelele sunt uneori dezvoltate în topologii lungi lineare sau de tip inel care pot avea acumulari semnificative de erori de sincronizare cand ceasurile boundary sunt utilizate pentru a intra în aceste segmente. Din această cauză, PTP defineşte un dispozitiv cunoscut la switch invizibil care conectează grupuri de dispositive PTP fără a segmenta reţeaua PTP. Un switch invizibil recunoaşte mesajele PTP care trec prin reţea şi

13 Page 13 of 18 notează timpul de rezidenţă, timpul petrecut în switch unde mesajele nu sunt încă vizibile dispozitivelor PTP vizate.timpul de rezidenţă este adaugat cmpurilor de corectie ale mesajelor PTP inainte de a fi transmise de la switch catre urmatorul dispozitiv (vezi figura 6). Ceasurile PTP pot apoi să evalueze mesajele din camurile de corecţie si să le aplice propriilor calcule. Deşi, mesajele au fost temporar păstrate în switchul invizibil- un comportament nedeterminist, care în mod normal introduce erori de sincronizare semnificativecâmpul de corecţie permite că timpul să fie îndepărtat, că şi cum switchul nu ar fi fost niciodată acolo (şi de aici numele de switch invizibil). Spre deosebire de ceasurile boundary, switchurile invizibile işi expun dispozitivele subordonate coordonatorului PTP. Switchurile invizibile sunt interesate doar intr-un timp relativ, şi anume timpul în care mesajul trece prin switch. De aceea nu este necesar un timekeeper sincronizat cu timpul coordonatorului. Oscilatoarele care ticaie atat în coordinator cat şi în switch, trebuie totusi sa ticaie cu caeeasi rata. Păstrarea acestei rate ca fiind aceeaşi este cunoscută ca sincronizare. [1] 3.4 Mecanismul întârziere în pereche ( peer delay ) Modelul de sincronizare descris mai devreme, în care subordonatul crea problema mesajului Delay Request şi coordonatorul raspunde cu De;ay Response, este cunoscută ca mecanismul întârzierii cerere raspuns (delay request-response). PTP oferă o alternativă la acest mecanism numită îintârzierea în pereche sau modul peer-to-peer, care poate furniza performanţe superioare în anumite situaţii. Pentru ca cele doua moduri nu pot fi utilizate împreună, designerii de system au trebuit să evalueze care mecanism de întârziere furnizează cele mai bune rezultate şi în consecinţă, proiectarea sistemului lor. în modul peer-to-peer un dispozitiv transmite primului vecin un mesaj Peer Delay Request, care este sau nu coordonatorul dispozitivului. Dispozitivul receptor raspunde cu un mesaj Peer Delay Response ( şi optional cu un mesaj Peer Delay Follow-up dupa acesta în cazul folosirii unui ceas în doi pasi). Aceasta permite dispozitivului solicitant sa calculeze intarzierea de propagare pentru segmental individual. Prin cunoaşterea exactă a intarzierii de propagare pentru fiecare segment de reţea, modul peer to peer permite PTP să aplice compensări ale întârzierii între coordinator şi subordonaţi, care sunt mult mai precise decât în mecanismul Delay-Request-Response, unde switchurile intermediare aleg diferite căi. De când modul peer to peer specifică faptul că switchurile invizibile ajustează câmpul de corecţie nu doar cu timpul de rezidentă al mesajelor Sync şi Follow up ( aşa cum se întâmplă în modul Delay-Request-Response), el adaugă întârzierea calculate anterior pentru legara pe care a venit mesajul anterior.( vezi figura 7) Acest comportament semnifică faptul că coordonatorul nu trebuie să proceseze mesajul Delay Request de la fiecare subordonat; în schimb ea însăţi se refera la Peer Delay Request and Response pentru perechea sa imediată (switchuri invizibile sau ceasuri PTP în starea de subordonat). Din aceasta cauza switchurile invizibile în modul peer to peer pot fi mult mai atractive pentru designerii de sisteme ceea ce priveşte traficul de reţea, de cand un dispozitiv

14 Page 14 of 18 coordonator nu trebuie să recepţioneze şi să răspundă fiecarui mesaj de cerere al unui subordonat, ci se referă la el insuşi şi perechea sa imediat următoare. [1] 4. Profiluri PTP Profilurile PTP permit specificarea valorilor atributelor şi ale caracteristicilor opţionale ale PTP, care atunci când utilizăm acelaşi protocol de transport, lucrează împreuna şi obţin performanţe care îndeplinesc cererile aplicatiilor particulare. 3 Profilurile fac din PTP cel mai potrivit mod pentru aplicatii particulare, în timp ce adera la un standard tot mai general. Profilurile pot specifica mai multe aspect ale standardului. Exista doua profiluri default: Delay Request Response şi Peer Delay. Implemetarile trebuie sa suporte cel putin una dintre aceste default-uri. Profilurile însa si sunt standardizate şi definite de o organizatie recunoscuta de standardizare care are jurisdictia asupra unor industrii particulare. Aceste organizatii, dupa cum se mentioneaza în standardul PTP, trebuie să consulte The Precise Networked Clock Syncronization Working Group of IM/ST (Instrumentation and Measurements/Sensor Technology) Committee pentru revizuiri tehnice. Profilurile PTP nu numai că schimbă mai multe aspecte ale standardului PTP, dar îl extinde. Un profil poate defini propriul algoritm BMC, mecanismul de monitorizare şi configurare, mecanismul de întarziere, transmisia unicast sau multicast, mecanismul de transport, tipul nodurilor şi alte opţiuni care sunt cerute, permise sau interzise. Profilurile pot defini mecanisme de transport complet noi şi tipuri de date. Flexibilitatea profilurilor PTP îndeplineşte nevoile unor aplicaţii particulare s-au dovedit a fi utile în special în telecomunicaţii şi industria energetica. [1] Unicast PTP a fost construit să asigure comunicaţii multicast, dar a fost adăugat şi suportul unicast ca o caracteristică opţional.standardul PTP nu descrie o implemetare PTP unicast în detaliu, dar în schimb descrie mai multe caracteristici optionale unicast care pot fi utilizate atâta timp cat comportamentul protocolului este pastrat. 2 Cateva implementari pot necesita ca ceasurile coordonaţilor să utilizeze o configuraţie care specifică o listă cunoscută de ceasuri coordonatoare prin adresa protocolului ( de exemplu o listă de adrese IP utilizate în Ethernet). Aceasta ajuta subordonaţii sa gaseasca potenţialii coordonatori. Mecasnismul de descoperire unicast este optional, însemnând ca în utilizarea multicast poate alege să se implementeze desoperirea multicast a ceasurilor coordonatoare şi unicast pentru toate celelalte mesaje. Mai mult, acest tip de descoperire necesită anumite configuraţii pentru a define lista coordonatorilor, din moment ce este specifica unui sistem dat şi imbunatateste indeplinirea obicetivelor PTP prin faptul ca furnizeaza o instalare simpla care nu necesita administrare. [1] O alta implementare optional definite de PTP este utilizarea mecanismului de negociere unicast, care imbunatateste trimiterea mesajelor de semnalizare specifica catre dispozitivul

15 Page 15 of 18 coordonator, indicand faptul ca ei raspund cu un mesaj unicast Announce, Sync, Delay Response sau Peer Delay Response dispozitivului subordonat. Aceasta flexibilitate în alocarea operatiei unicast şi furnizarea mai multor caracteristici optionale în implementare, permit profilurilor sa defieasca o implementare unicast specifica avand cele mai bune detalii pentru o anumita aplicatie. [1] 5. Utilizarea PTP şi a NTP Cererile dispozitivelor pentru masuratori şi control industrial sunt similare cu cele ale multor alte industrii- şi multe rezultate inovatoare au venit din aplicarea tehnologieie în metode pe care proprii designer nu le-au luat în considerare-, dar aplicatii destinate pentru anumite tehnologii sunt luate în considerare inainte de a adopta altele noi. Asa cum am descris mai sus şi este scris în standard, PTP a fost construit sa fie utilizat în retele LAN, sau mai exact, sisteme localizate spatial, cu optiuni pentru sisteme mai mari, 4 acesta este unul dintre diferentiatorii specifici intre PTP şi NTP. Utilizarea unui LAN permite altor obiective PTP sa fie indeplinite utilizand tehnici ca multicast pentru descoperire şi selectie automata a coordonatorilor PTP, echipamente de retea cum sunt ceasurile boundary şi switchuri invizibile, precum şi o rata foarte mare de transmitere a mesajelor, care nu ar fi posibila intr-un WAN. O retea LAN ofera PTP-ului cateva libertati pe care NTP ul nu le are, asa cum este presupunerea- cu un grad de incredere rezonabil- care nu are legatura cu traficul scaut de retea şi securitatea de nivel scazut, avand în vedere ca în LAN utilizarea este de obicei limitata şi controlata. [1] In contrast, NTP este utilizata în Internet şi este prin urmare subiectul unui numar mare de intarzieri nedeterministe provenite de la elementele retelelor intermediare, asa cum sunt routerele şi expuse unui numar mult mai mare de provocari de securitate. Aceste inconveniente trebuie sa fie acceptate sau în cazul securitatii sa raspunda acestor provocari. Securitatea este evidentiata de cand PTP include numai o extensie experimentala a protocolului adresata securitatii, dar NTP defineste utilizarea listei de control al accesului şi o variant de criptografiere numita Autokey. De altfel am notat ca NTP poate utilize modul milticast pentru a descoperi în mod automat serverele cand este utilizat intr-un LAN, şi PTP poate opera în modul unicast pentru a fi utilizat intr-un WAN. Totusi este cea mai comuna şi poate impune costuri aditionale de configurare. [11] Un alt obiectiv PTP este administrarea libera a operatiilor, în care dispozitivele care formeaza un sistem pot fi desfasurate cu configurari mici sau inexistente, dar cu care se poate obtine un timp optim de sincronizare pentru un mediu dat. Dispozitivele pot fi adaugate, şterse sau reconfigurate în timpul utilizării sistemului şi dispozitivele PTP care formează sistemul vor negocia automat o noua ierarhie pentru a menţine performanţa optimă de sincronizare. Algoritmul BMC al PTP-ului este responsabil pentru acest comportament. Algoritmul de optimizarea NTP nu permite acelasi grad de autonomie.acesta nu permite unui dispozitiv să devină coordonator general dacă este necesar, în ciuda schemei de descoperire dinamică a

16 Page 16 of 18 ultimelor specificatii NTP. deşi NTP defineste o serie de algoritmi de atenuare pentru a fi utilizati în găsirea drumului optim. Comparaţie privind tehnicile de sincronizare PTP si NTP În timp ce metodologiile de sincronizare impuse de PTP şi NTP sunt similare prin faptul ca în cele din urmă calculează offsetul ceasului şi întârzierea mesajului. Protocoalele diferă semnificativ în ceea ce priveţte mecanismele şi acest lucru poate fi luat în considerare la alegerea uneia dintre cele doua tipuri de tehnologii. De exemplu, PTP se bazează pe ceasuri boundery şi switchuri invizibile pentru a obţine performanţe maxime în anumite medii. Relevant pentru implementarea acestor aplicaţii este faptul că PTP nu defineşte un algoritm servo pentru aplicarea informaţiilor PTP date de un dispozitiv unui dispozitiv oscilator. în schimb, definiţia servo este specific implementată şi nu exista garanţii care să garanteze că stivele software PTP vor avea aceeaşi sincronizare în acelaşi dispozitiv. în opozitie, NTP defineşte un parametru tranformat şi adaptiv cu o frecvenţă şi fază aflate într-o bucla, utilizat pentru a seta dispozitivul timekeeper-ului cu datele furnizate de NTP. Termenele celor două tehnologii diferă. NTP utilizează timpul UTC, în timp ce PTP utilizează TAI şi offseturile UTC. Aceste diferenţe pot fi semnificative designerilor de system care işi asumă o anume scală de timp. Preocuparile legate de manipularea saltului pot fi, de asemenea, un factor important. Spre deosebire de PTP, un salt de secunde va determina shiftarea întregului interval de timp cu o secundă. [1] Aşteptări în ceea ce priveşte performanţa Un sistem tipic PTP sincronizat se aşteaptă la o sincronizare de o precizie mai mică decât microsecunde, care în mod tipic implică asistare hardware şi dispozitive conectate într-un LAN. Un sistem de sincronizare tipic NTP cu hardware nespecializat şi dispositive conectate într-un WAN, va obţine o precizie de sincronizare mai mica decât milisecunde. Când PTP este configurată corespunzator pentru utilizare într-un WAN, totuşi nu pot fi reduse la niciun avantaj de performanţă într-un NTP. [1]

17 Page 17 of 18 Concluzii PTP are capacitatea să sincronizeze dispozitivele la un ordin mai mic decât nanosecundele unul de altul peste o infrastructură comună de reţea, care permit designerilor de system să înlocuiască soluţiile de sincronizare costisitoare sau limitate. NTP a avut cazuri similare, dar adesea se încadrează în aplicaţii care necesită un nivel de performanţă al măsurătorilor şi control al sistemului. Algoritmul PTP al BMC permite adaptarea la condiţii schimbătoare, asigurând mereu că dispozitivele au cea mai bună calitate a referinţei de timp. Ceasurile PTP boundery şi switchurile invizibile asigură performanţe ridicate de sincronizare, adesea într-o topologie de reţea nu tocmai ideală. În contrast, NTP necesită ca toate dispozitivele să fie configurate la o referinţă predefinită de timpi ai servarului, prioritari de utilizat, şi performanţă are de suferit când mesajele trebuie să traverseze elemente de reţea aşa cum sunt switchurile. Totuşi mediul PTP este diferit de NTP şi în functie de aplicaţie, NTP este sau nu o bună alegere. De exemplu, mechanism de securitate al NTP şi faptul ca e timpul serverelor e disponibil public, îl face mai potrivit pentru sincronizarea timpului în Internet, unde performantele cerute permit. PTP a umplut un gol pe care NTP nu a fost capabil să îl umple, dar el nu a fost înlocuit. Totuşi PTP oferă designerilor de sistem noi instrumente de sincronizare.

18 Page 18 of 18 Bibliografie 1. Revista Communications of the ACM, Association for Computing Machinary, Rick Ratzel si Rodney Greenstreet, online: accesat la "Windows Time Service Technical Reference". technet.microsoft.com. Link: accesat la "Windows Time Service page at NTP.org". Support.ntp.org , accesat la "How the Windows Time Service Works"., technet.microsoft.com.accesat la "Support boundary to configure the Windows Time service for high accuracy environments". Microsoft Corporation, accesat la Internet Engineering Task Force (IETF),Request for Comments: 5905 Obsoletes: 1305, 4330, Category: Standards Track, ISSN: D. Mills, U. Delaware, J. Martin, J. Burbank, W. Kasch, APL June NTP 4.x for Windows NT". NTP Documentation Archive, accesat la "Executive Summary: Computer Network Time Synchronization", accesat la Ned Pyle ( ). "High Accuracy W32time Requirements". Microsoft Corporation, accesat la Measurement, Control and Communication Using IEEE 1588, Eidson, John C. (April 2006), Springer. ISBN Welcome to the NTP.Servers Web.,