Сетевой протокол времени NTP

Приложение В. Временная шкала NTP и ее хронометрия

Ниже рассматривается соответствие временной шкалы NTP и UTC (Coordinated Universal Time). Синхронизация часов предполагает их согласование по частоте и времени.

Для синхронизации необходимо уметь сравнить их частоты и показания. Базовыми источниками временных стандартов традиционно служили периоды движения Земли, Луны и других космических объектов. К сожалению, они не слишком стабильны.

Первичная частота и стандарты времени

Первичными стандартами частоты являются осцилляторы с высокой стабильностью. Такие стандарты используют межуровневые переходы в атомах водорода, цезия и рубидия. В таблице 7.13 приведены характеристики типичных стандартов времени. Локальные же часы обычно используют некомпенсированные кварцевые генераторы. Такие генераторы не только подвержены дрейфам под действием изменения параметров окружающей среды, но систематически меняют свои свойства со временем (старение).

Даже если кварцевый генератор имеет температурную компенсацию, его частота должна время от времени сравниваться с первичным стандартом для обеспечения высокой точности.

Сеть, в которой все часы фазированы и согласованы по частоте с единым стандартом, называется изохронной. Сети, где разные часы сфазированы с разными стандартами, но все они привязаны к одной базовой частоте, называются плезиохронными. В плезиохронных системах фазы разных осцилляторов могут дрейфовать друг относительно друга, что может приводить к накоплению ошибок.

Обычно часовые осцилляторы классифицируются по трем параметрам: стабильность, разброс и блуждание. Стабильность определяется систематическими вариациями частоты со временем. Синонимом нестабильности является старение и дрейф. Разброс (называемый также временным дрожанием) характеризует кратковременные случайные вариации частоты с составляющими более 10 Гц, в то время как блуждание характеризует медленные вариации частоты с составляющими менее 10 Гц.

Конструкция, работа и характеристики осциллятора слоя 1 предполагаются сопоставимыми с национальными стандартами времени и часто базируются на цезиевом стандарте. Часы слоя 4 соответствуют требованиям обычных цифровых каналов и систем PBX. Слои 2-3 могут использоваться для работы с мощными синхронными каналами связи.

Раздача времени и частоты

Для того, чтобы атомное и обычное время могли быть взаимосвязаны, национальные администрации обеспечивают работу первичных стандартов времени и частоты и совместно координируют их функционирование. Большинство морских держав поддерживают широковещательные радиослужбы времени.

Американский Национальный Институт Стандартов и Технологии (NIST — National Institute of Standards and Technology) поддерживает три радиослужбы для рассылки временной информации. Одна из них использует передачу (ВЧ или CCIR диапазон 7) на частотах 2.5, 5, 10, 15 и 20 Мгц. Сигнал распространяется, отражаясь от верхних слоев атмосферы, что неизбежно приводит к непредсказуемым вариациям задержки на принимающей стороне. С 60-секундным интервалом передается временной код, который транслируется на 100 килогерцной субнесущей со скоростью передачи 1 бит/с. Этот код содержит информацию об UTC времени и дате, но не включает в себя данных о текущем годе и оповещения о добавлении/вычитании секунды для последней минуты данного дня. Существуют и другие сходные службы времени (например, в Оттаве), гарантирующие точность на уровне 1-10 мсек.

Вторая служба времени NIST использует передачу (НЧ или CCIR диапазон 5) на частоте 60 КГц, она доступна на континентальной части США и вблизи берегов. Сигнал распространяется в нижней части атмосферы и по этой причине слабо подвержен вариациям времени распространения. Временной код передается с периодом в 60 секунд со скоростью 1 бит/с. Достижимая точность составляет 50 миллисекунд [BLA74]. Ряд европейских стран предлагают аналогичные службы времени (Великобритания — MSF; Германия — DCF77). Коды времени здесь включают информацию о текущем годе и предупреждение о добавляемой/вычитаемой секунде. Третья служба NIST использует передачу на частоте 468 МГц (УВЧ или CCIR диапазон 9) с геостационарных спутников GOES, три из которых перекрывают западное полушарие. Временной код перемежается с сообщениями, адресованными удаленным датчикам, и состоит из 600 4-битовых слов, передаваемых с периодом в 30 секунд. Код содержит информацию об UTC времени-дне-годе, а также предупреждение о добавлении/вычитании секунды в конце дня. Точность этой службы составляет 0,5 мсек.

Министерство обороны США разработало глобальную систему определения координат GPS (Global Positioning System). Эта система базируется на 24 спутниках, движущихся по орбитам с периодом 12 часов. Система GPS может обеспечить точность определения времени на уровне нескольких наносекунд [VAN84].

Американская береговая охрана в течение многих лет использует службу радионавигации LORAN-C [FRA82]. Эта служба обеспечивает временную точность менее 1 мксек.

Система радионавигации военно-морского флота США и других стран OMEGA [VAS78] состоит из 8 передатчиков, работающих на частотах от 10.2 до 13.1 КГц (УНЧ или CIR диапазон 4) и перекрывающих весь земной шар 24 часа в сутки. Точность этой системы составляет около 1 мсек. Система OMEGA обеспечивает высокую точность для частоты, но не передает временного кода. По этой причине приемник должен предварительно получить географические координаты с точностью до градуса и время UTC с точностью 5 секунд от независимых источников.

Заметим, что не все службы времени передают информацию о текущем годе и предупреждения о добавлении/вычитании секунды. Протокол NTP позволяет решить эту проблему.

Определение частоты

В течение многих лет наиболее важным применением времени и частоты были всемирная навигация и космическая наука, которые зависят от наблюдений солнца, луны и звезд. За стандартную секунду (в 1957 году) принята 1/31,556,925.9747 периода вращения Земли вокруг Солнца (тропический год). Согласно этой шкале, тропический год длится 365.2421987 дней, а лунный месяц — 29.53059 дней. Однако тропический год может быть определен лишь с точностью около 50 мсек.

С древнейших времен человечеству были известны три осциллятора (процесса задающих временную шкалу) — вращение Земли вокруг своей оси, вращение Луны вокруг Земли и вращение Земли вокруг Солнца. К сожалению, с точки зрения требований современных технологий все эти три осциллятора не обладают достаточной стабильностью. В 1967 году стандартная секунда была переопределена и теперь равняется 9,192,631,770 периодов перехода в атоме цезия-133. С 1972 года стандарты времени и частоты базируются на международном атомном времени TAI (International Atomic Time). Точность таких часов составляет около микросекунды в сутки. Важно то, что новая шкала абсолютно однородна и не подвержена дрейфам.

Определение времени и необходимости добавления/вычитания секунды

Международное бюро мер и стандартов IBWM (International Bureau of Weights and Measures) использует астрономические наблюдения, выполненные морской обсерваторией США и другими обсерваториями для определения UTC.

Для более точной временной привязки событий после 1972 года необходимо знать, когда вставлялись или удалялись секунды коррекции (удаление пока никогда не производилось). Как определено в докладе 517 CCIR, который воспроизведен в [BLA74], дополнительные секунды вставляются после 23:59:59 в последний день июня или декабря. Неоднородность во временную шкалу (TAI) помимо добавляемых секунд вносят также 100 миллисекундные коррекции UT1, называемые DUT1, которые служат для повышения точности при навигации. Следует признать, что момент добавления секунды является началом новой (однородной) временной шкалы.

Временная шкала NTP базируется на шкале UTC, но необязательно всегда совпадает с ней. В 0 часов 1 января 1972 года начинается эра UTC, часы NTP были установлены на 2,272,060,800 стандартных секунд после 0 часов 1 января 1900 года.