Um Uhren über ein lokales Netzwerk (LAN) zu synchronisieren, ist es wichtig, die Verzögerung der Übertragung, die durch die technischen und nutzungsbedingten Faktoren des Netzwerks verursacht wird, messen zu können.
Wenn ein Rechner eine Nachricht mit einem Zeitstempel von einer Hauptuhr empfängt, gibt es aufgrund der Entfernung zu dieser Uhr eine Verzögerung. Denn egal, ob eine Nachricht einen Meter Glasfaserkabel oder mehrere verschiedene Rechenzentren durchläuft, die Übertragungsdauer kann variieren und zu Verzögerungen führen. Diese Latenz zu kennen ist notwendig, um die Uhr richtig zu synchronisieren.
Was sind die Quellen der Latenz beim PTP?
Es gibt viele Faktoren, die die Latenz in einem Netzwerk beeinflussen. Die wichtigsten sind:
- Das physische Netzwerk. Die durch diesen Faktor eingeführte Latenz ist statisch und beherrschbar, da sie nur von den Eigenschaften der Hardware abhängt.
- Die Anzahl der Router/Switches, die von der Nachricht durchlaufen werden.
- Der Netzwerkverkehr. Ein Netzwerkpaket kann in einem Router oder Switch aufgrund eines sehr hohen Traffic-Aufkommens und der eingerichteten QoS-Regeln (Quality Of Service) blockiert werden. Dieses Phänomen ist nicht so häufig, kann aber dafür zu einer sehr hohe Latenz führen.
Symmetrische oder asymmetrische Latenz?
Die Latenz kann symmetrisch oder asymmetrisch sein. Im asymmetrischen Fall ist es schwieriger, die maximale Genauigkeit zu erreichen. Das Precision Time Protocol (PTP) gilt als eines der genauesten Protokolle. Es hat einen Mechanismus integriert, der die Verzögerung berechnet und die Uhrzeit während der Synchronisation entsprechend anpasst. Das Protokoll verfügt außerdem über ein spezielles Feld (das Korrekturfeld), das es ihm ermöglicht, robust gegenüber asymmetrischen Latenzen zu sein.
Berechnung der Latenz beim PTP oder wie man die Latenz der Empfänger-Server anpassen kann.
Der Mechanismus zur Berechnung der Latenz verwendet beim PTP die Nachrichten SYNC, FOLLOW_UP, DELAY_REQ und DELAY_RESP.
Der Server, der die Uhren seiner Clients synchronisieren möchte, sendet eine SYNC-Nachricht, um die Synchronisierung zu starten. Die Nachricht wird mit dem Zeitstempel t1 versehen. Der Client erhält die Zeitnachricht t2. Wenn der Server nicht in der Lage ist, den Zeitstempel t1 direkt in der SYNC-Nachricht zu senden, sendet er direkt im Anschluss eine FOLLOW_UP-Nachricht mit dem Zeitstempel t1, um den Client zu informieren.
Der Client sendet dann zum Zeitpunkt t3 eine DELAY_REQ-Nachricht an den Server. Diese Nachricht wird vom Server zum Zeitpunkt t4 empfangen. Dieser sendet zum Zeitpunkt t4 die Nachricht DELAY_RESP an den Client zurück.
Der Client kann dann berechnen, wie lange es dauert, eine Nachricht zwischen ihm und dem Server hin und her zu senden, und diese Verzögerung nutzen, um seine Uhr bei der Synchronisierung anzupassen.
Dieser Nachrichtenaustausch ist in Abbildung 1 - Mechanismus zur Berechnung der Verzögerung beim PTP dargestellt.
Auf der rechten Seite des Empfängers (Slave Clock) sehen wir die Zeitstempel, die der Empfänger nach jedem Empfang/Senden einer Nachricht kennt.
Mit diesen 4 Zeitstempeln ist der Empfänger in der Lage, die Verzögerung der Übertragung zwischen ihm und dem generierenden Server (Master Clock) zu berechnen und diese Berechnung zur Korrektur der Verzögerung zu verwenden.
Dazu berechnet er einen Versatz (Offset), den er auf seine Uhr anwendet. Dieser Versatz hat den Wert ½ (t2 - t1 - t4 + t3). Das Ergebnis ist richtig, wenn die Verzögerung symmetrisch ist.
Die Anwendungsmöglichkeiten in einer PTP-Netzwerkinfrastruktur
Manchmal ist die Verzögerung nicht symmetrisch. Das ist der Fall, wenn der Austausch zwischen dem PTP-Server und dem PTP-Client über mehrere nicht PTP-fähige Router oder Switches läuft. Jedes Gerät analysiert das Paket, um es im Netzwerk zu verbreiten. Diese Bearbeitungszeit führt zu einer zusätzlichen Verzögerung, die nicht bei jedem Paket gleich ist.
Bei einer PTP-Netzwerkinfrastruktur sorgen zwei Schlüsselgeräte dafür, dass die Uhrzeit den verschiedenen Geräten mitgeteilt wird, wobei die Genauigkeit der Synchronisierung gewährleistet ist:
- die Boundary Clock (BC). Dieses Gerät fungiert als Zeitreferenz für die Empfängergeräte und kann die Synchronisationspakete selbst generieren.
- Die Transparent Clock (TC). Dieses Gerät misst, wie lange ein Paket braucht, um durch das Netzwerk zu gelangen. Die TC fügt diese Dauer in das Korrekturfeld (correction field) ein. Der Client kennt somit den Anteil der dynamischen Verzögerung, der auf die Verarbeitungszeiten der Nachrichten zurückzuführen ist, und kann ihn berücksichtigen, um seine Uhr mit der des Servers zu synchronisieren
In einer PTP-Netzwerkinfrastruktur spielt jede Komponente eine wichtige Rolle. Daher ist es zwingend erforderlich, die Architektur sorgfältig vorzubereiten und zu definieren, um eine zuverlässige und einheitliche Zeitsynchronisation im gesamten Netzwerk zu gewährleisten.
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