DE60127454T2 - Zeitsynchronisation in einem computernetzwerk - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit der Zeitsynchronisation bei einem Network Time Protocol (Netzwerk-Zeitprotokoll) in einem Computernetzwerk, wie etwa einem lokalen Netz, das einen Zeitklienten und einen Zeitserver umfasst.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Der IETF-(Internet Engineering Task Force group) Network-Time-Protocol-(NTP-Netzwerk-Zeitprotokoll-) Standard RFC 1305 definiert ein Verfahren zum Synchronisieren von Arbeitsplatzuhren quer durch das Internet. Dieses Verfahren hat eine Genauigkeit von ungefähr 1 ms (Millisekunde), die zum Zeitstempeln von Dateien und anderer nicht in Echtzeit ablaufender Betriebssystemaufgaben geeignet ist. Bestimmte Kategorien von Automatisierungssystemen, wobei das namhafteste das Substation-Automation-System ist, d.h. Steuerung und Schutz von Energieverteilungsnetzwerkknoten, benötigen jedoch eine sehr viel genauere Zeitsynchronisation, z.B. 1 μs für Kategorie-1-Anwendungen und 25 μs für Kategorie-2-Anwendungen. Eine Kategorie-1-Anwendung ist beispielsweise das Time-Tagging (Zeitkennung) von Synchrophasoren und eine Kategorie-2-Anwendung ist beispielsweise das Time-Tagging von Phasoren.
  • Der RFC-1305-Standard umfasst einen Algorithmus zur Berechnung der Korrekturen einer Tageszeituhr in einem Knoten, etwa einem Zeitklienten, in Bezug auf eine Referenz-Tageszeituhr in einem anderen Knoten, etwa einem Zeitserver. Der Algorithmus basiert auf einem Netzwerk-Paket, das von nun an als Zeit-Anforderungspaket bezeichnet wird und drei wichtige Zeitstempel enthält:
    • T1 (Originate Timestamp – Original-Zeitstempel): Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket in dem Klienten erzeugt wurde, der nach der aktuellen Zeit fragt.
    • T2 (Receive Timestamp – Empfangs Zeitstempel): Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket am Zeitserver angekommen ist.
    • T3 (Transmit Timestamp – Sende Zeitstempel): Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket aktualisiert und am Zeitserver in einer Sendewarteschlange platziert worden ist.
  • Darüber hinaus erfordern die Berechnungen:
    • T4: Den Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket wieder am Zeitklienten angekommen ist.
  • T2 und T4 lassen sich leicht mit einer Genauigkeit bis hin zu Mikrosekunden und manchmal sogar noch genauer unter Verwendung von Hardware- oder Software-Zeitstempeln bestimmen, die auf Netzwerk-Paketankunftsunterbrechungen basieren.
  • Die genaue Bestimmung von T1 und T3 ist jedoch ein Problem. Für eine volle Genauigkeit sollten T1 und T3 jeweils der Zeitpunkt sein, zu dem das Netzwerk-Paket den Zeitklienten oder Zeitserver verlässt. Das Problem besteht darin, dass T1 und T3 nicht verfügbar sind, bis das Netzwerk-Paket den Zeitserver oder Zeitklienten bereits verlassen hat, wobei es dann zu spät ist, diese in das Paket aufzunehmen. Daher besteht der Großteil der Zeitsynchronisationsungenauigkeit bei einer NTP-Einstellung in der Abweichung der Verzögerung zwischen T1 und dem tatsächlichen Zeitpunkt, zu dem das Netzwerk-Paket den Zeitklienten verlässt, sowie der Abweichung der Verzögerung zwischen T3 und dem tatsächlichen Zeitpunkt, zu dem das Netzwerk-Paket den Zeitserver verlässt.
  • Das Dokument EP-A2-0 613 271 beschreibt ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit eines Zeitsynchronisationsprotokolls, wobei der tatsächliche Zeitpunkt, zu dem eine Zeitsynchronisationsnachricht gesendet wurde, zur Synchronisierungseinheit in einer zweiten Zeitsynchronisationsnachricht gesendet wird, was es der Empfangseinheit ermöglicht, die Verarbeitungsverzögerung in der Sendeeinheit zu kompensieren.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Network-Time-Protocol-(NTP-/Netzwerk-Zeitprotokoll) oder Simple-Network-Time-Protocol-(SNTP-/vereinfachte Version von NTP) Zeitsynchronisation in einem Computernetzwerk bereitzustellen, das nicht die im Hintergrund der Erfindung beschriebenen Nachteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erfüllt.
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, bei dem die Genauigkeit der einbezogenen Zeitstempel erheblich verbessert werden kann und sie dennoch mit dem ursprünglichen Protokoll kompatibel sind.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Computernetzwerk ein lokales Netz (LAN – Local Area Network) und verwendet die Internet-Kommunikationsprotokollsuite, die für gewöhnlich als TCP/IP bezeichnet wird.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung bei der Steuerung und dem Schutz eines Energieverteilungsnetzwerkknotens zur Verbesserung der Zeitgenauigkeit im Network Time Protocol (Netzwerk-Zeitprotokoll) verwendet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Network Time Protocol auf abwärts kompatible Art und Weise erweitert, so dass eine Genauigkeit in einer Größenordnung von 10 μs oder besser erzielt werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Computernetzwerks, etwa eines LAN, das einen Zeitklienten und einen Zeitserver umfasst, wobei ein Zeit-Anforderungspaket zwischen dem Zeitklienten und dem Zeitserver übertragen wird.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Computernetzwerks, etwa eines LAN, mit einer Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung, die zwischen dem Klienten und dem Server angeordnet ist/sind.
  • Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Computernetzwerks 1, etwa eines lokalen Netzes (LAN), das einen Zeitklienten 2 und einen Zeitserver 3 umfasst. Ein Zeit-Anforderungspaket 4 wird zwischen dem Zeitklienten und dem Zeitserver übertragen.
  • Das verwendete Computernetzwerkprotokoll ist die Internet-Kommunikationssuite, die für gewöhnlich als TCP/IP bezeichnet wird.
  • Die zwei Hauptquellen der Ungenauigkeit, die das Standard-NTP-Verfahren beeinträchtigt, werden durch das nachfolgend beschriebene Verfahren verringert. Das Verfahren betrifft einen ersten und einen zweiten Teil des Algorithmus des Standard-NTP-Verfahrens, welcher nachfolgend beschrieben ist.
  • Der Algorithmus basiert auf dem Zeit-Anforderungspaket, das drei wichtige Zeitstempel enthält:
    Einen ersten Zeitstempel, T1: Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket in dem Klienten erzeugt wurde, der nach der aktuellen Zeit fragt.
  • Einen zweiten Zeitstempel, T2: Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket am Zeitserver angekommen ist.
  • Einen dritten Zeitstempel, T3: Der Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket aktualisiert und am Zeitserver in einer Sendewarteschlange platziert worden ist.
  • Die erste Hauptquelle der Ungenauigkeit ist die Abweichung der Verzögerung zwischen dem ersten Zeitstempel T1 und dem genauen Zeitpunkt, zu dem das Zeit-Anforderungspaket den Zeitklienten verlässt. Zur Verbesserung der Genauigkeit des Zeitklienten werden die folgenden Schritte durchgeführt:
    • 1. Erzeuge ein NTP-Zeit-Anforderungspaket 4 und füge den ersten Zeitstempel T1 ein.
    • 2. Sende das Zeit-Anforderungspaket an den Zeitserver 3.
    • 3. Beschaffe den tatsächlichen Zeitstempel, der nachfolgend als der vierte Zeitstempel T11 bezeichnet wird, wenn das Zeit-Anforderungspaket den Zeitklienten 2 verlässt, und zwar unter Verwendung der Netzwerk-Übertragsunterbrechung oder eines Hardware-Zeitstempels.
    • 4. Speichere den vierten Zeitstempel T11 zusammen mit dem ersten Zeitstempel T1 in einer Datenstruktur im Zeitklienten. Der Zeitserver 3 empfängt das Zeit-Anforderungspaket 4 und sendet es zurück zum Zeitklienten 2.
    • 5. Ersetze den ersten Zeitstempel T1 im Zeit-Anforderungspaket durch den vierten Zeitstempel T11, wenn das Zeit-Anforderungspaket 4 vom Zeitserver zurückkehrt.
  • Diese Ersetzung beseitigt die mit dem Original-Zeitstempel T1 zusammenhängende Ungenauigkeit in der Zeitberechnung, wodurch ein verbesserter NTP-Zeitklient erhalten wird. Dies entspricht dem ersten Teil des Algorithmus.
  • Die zweite Hauptquelle der Ungenauigkeit ist die Abweichung der Verzögerung zwischen dem dritten Zeitstempel T3 und dem tatsächlichen Zeitpunkt, zu dem das Paket den Zeitserver 3 verlässt. Zur Verbesserung der Genauigkeit des Zeitservers werden die folgenden Schritte durchgeführt:
    • 1. Erzeuge ein Duplikatpaket 5 vor dem Einfügen des dritten Zeitstempels T3 in das Zeit-Anforderungspaket, wenn das Zeit-Anforderungspaket am Zeitserver 3 ankommt. Dieses Paket wird nachfolgend als Zeit-Korrekturpaket 5 bezeichnet.
    • 2. Sende das Zeit-Anforderungspaket 4 zurück zum Zeitklienten 2.
    • 3. Beschaffe einen genauen Zeitstempel, der nachfolgend als fünfter Zeitstempel T31 bezeichnet wird, wenn das Zeit-Anforderungspaket den Zeitserver verlässt, und zwar unter Verwendung einer Netzwerk-Übertragungsunterbrechung oder eines Hardware-Zeitstempels.
    • 4. Setze den fünften Zeitstempel T31 im Zeit-Korrekturpaket an die Stelle des dritten Zeitstempels T3.
    • 5. Sende das Zeit-Korrekturpaket zurück zum Zeitklienten.
  • Nun hat das zurückgesandte Zeit-Anforderungspaket 4 die Standard-NTP-Ungenauigkeit im dritten Zeitstempel T3. Wenn jedoch der dritte Zeitstempel T3 im zurückgesandten Zeit-Anforderungspaket 4 durch den fünften Zeitstempel T31 aus dem Zeit-Korrekturpaket 5 ersetzt wird, ist die Genauigkeit der Zeitstempel in dem resultierenden Paket wie folgt:
    • • T1: Maximal, wenn die im ersten Teil des Algorithmus beschriebene Ersetzung durchgeführt wird.
    • • T2: Maximal, immer.
    • • T3: Maximal, wenn die im zweiten Teil des Algorithmus beschriebene Ersetzung durchgeführt wird.
  • Auf diese Weise wird das Netzwerkzugangs-Jitter beseitigt und nur das Netzwerkübertragungs-Jitter bleibt zurück.
  • Kompatibilität mit dem Network Time Protocol
  • Wenn ein verbesserter NTP-Zeitklient mit einem Standard-NTP-Zeitserver verbunden wird, wird nur ein Paket zurückgesendet, d.h. das Zeit-Anforderungspaket. Der verbesserte Zeitklient führt den ersten Teil des Algorithmus aus, wobei die Ungenauigkeit des ersten Zeitstempels T1 beseitigt wird. Die resultierende Genauigkeit ist daher besser als beim Standard-NTP.
  • Wenn ein Standard-NTP-Klient mit einem verbesserten NTP-Zeitserver verbunden wird, erhält er zwei Zeitpakete vom Zeitserver, d.h. das Zeit-Anforderungspaket und das Zeit-Korrekturpaket, wobei beide Pakete die Standard-NTP-Genauigkeit haben. Wenn das erste Paket erfolgreich empfangen wird, wird die Zeit gemäß dem Inhalt dieses Pakets aktualisiert und das zweite Paket als unnötiges Duplikat verworfen. Wenn das erste Paket verloren geht, wird die Zeit gemäß dem Inhalt des zweiten Pakets aktualisiert. Das zweite Paket enthält den T31-Zeitstempel, der, für sich selbst genommen, ein T3-Zeitstempel mit Standard-NTP-Genauigkeit ist.
  • Verringern des Netzwerkübertragungs-Jitters
  • Bei einem standardgemäßen lokalen Netz, variiert die Differenz zwischen dem Zeitstempel, der erfasst wird, wenn das Zeit-Anforderungspaket 4 den Klient-(Server-)-Sender verlässt, und dem Zeitstempel, der erfasst wird, wenn dasselbe Paket am Server-(Klient-)Empfänger ankommt, nur sehr wenig zwischen den Übertragungen. Wenn sich eine Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung 6 in dem Pfad zwischen dem Klienten und dem Server befindet/befinden, etwa bei vermitteltem Ethernet, variiert diese Differenz in Übereinstimmung mit der Verkehrsbelastung zu dem Zeitpunkt. Daher bringt/bringen eine Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung 6 ein unvorhersagbares Jitter (Zittern) in die Paketübermittlungszeit zwischen Sender und Empfänger ein.
  • Eine Möglichkeit der Reduzierung dieses Jitters besteht darin, Broadcast-(Rundruf-) oder Multicast-(Mehrpunktverbindungs-)Pakete als Zeit-Anforderungspakete zwischen dem Zeitklienten 2 und dem Zeitserver 3, zusammen mit einem Voll-Duplex-Link zur Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung, zu verwenden. Die Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung ist/sind dann gezwungen, dieses Multicast-Paket an alle angeschlossenen Knoten weiterzuleiten, für gewöhnlich mit einer Zeitdifferenz von unter einer Millisekunde. Insbesondere wird das Paket zum Absender, d.h. dem Zeitklienten oder -server, zu einem Zeitpunkt zurückgesendet, der sehr nahe an dem Zeitpunkt liegt, zu dem es an das Ziel, d.h. dem Zeitserver oder -klienten, gesendet wird. Dieses Merkmal ermöglicht es dem Absender, das zurückgesendete Paket mit einem Zeitstempel zu versehen, der eng mit dem Zeitpunkt verbunden ist, zu dem das Paket von der Speicher- und Weiterleitungseinrichtung an das Ziel gesendet wurde, wobei das Speicher- und Weiterleitungs-Jitter beseitigt wird.
  • 2 zeigt ein Beispiel dafür, wie das Netzwerkübertragungs-Jitter reduziert werden kann, wenn sich die Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung 6 in dem Pfad zwischen dem Zeitserver 2 und dem Zeitklienten 3 befindet/befinden. Das Zeit-Anforderungspaket 4 wird im Zeitklienten erzeugt und mit einem ersten Zeitstempel T1 versehen, der dem Zeitpunkt entspricht, zu dem es erzeugt worden ist. Das Zeit-Anforderungspaket wird unter Verwendung einer Multicast- oder Broadcast-Adresse an den Zeitserver gesendet. Auf dem Weg zum Zeitserver passiert das Zeit-Anforderungspaket die Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung, und wenn das Anforderungspaket von der Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung zum Zeitklienten zurückgesendet wird, wird es mit dem vierten Zeitstempel T11 versehen. Dieser vierte Zeitstempel T11 wird zusammen mit dem ersten Zeitstempel T1 in einer Datenstruktur im Klienten gespeichert.
  • Das zum Zeitserver gesendete Zeit-Anforderungspaket wird, wenn es am Zeitserver 3 ankommt, mit dem zweiten Zeitstempel T2 versehen. Nun wird das Zeit-Korrekturpaket 5 erzeugt, bevor der dritte Zeitstempel T3 in das Zeit-Anforderungspaket eingefügt wird. Das Zeit-Anforderungspaket wird unter Verwendung einer Multicast- oder Broadcast-Adresse vom Zeitserver zum Zeitklienten zurückgesendet. Auf dem Weg zurück zum Zeitklienten passiert das Zeit-Anforderungspaket die Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder Vermittlungseinrichtung und wird zum Zeitserver zurückgesendet, wo es mit einem fünften Zeitstempel T31 versehen wird. Dieser fünfte Zeitstempel wird im Zeit-Korrekturpaket 5 an der Stelle des dritten Zeitstempels T3 gespeichert und zum Zeitklienten gesendet.
  • Der Zeitklient ist dazu imstande, dieselben Ersetzungen wie vorstehend beschrieben, d.h. Ersetzen von T1 durch T11 und T3 durch T31, vor der Berechnung der Zeit-Korrektur durchzuführen. Der Unterschied besteht darin, dass auch die Speicher- und Weiterleitungsverzögerungsabweichungen aus den Berechnungen beseitigt werden, wodurch die Genauigkeit weiter verbessert wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Zeitstempeln des vierten Zeitstempels T11 oder des fünften Zeitstempels T31 entweder während einer Netzwerk-Übertragungsunterbrechung oder unter Verwendung eines spezifischen Hardware-Zeitgebers durchgeführt.
  • Vor den Berechnungen der korrekten Zeit wird das Zeit-Anforderungspaket 4 außerdem mit einem sechsten Zeitstempel T4 (nicht gezeigt) versehen, wenn es wieder am Zeitklienten ankommt.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit der Zeitsynchronisation bei einem Netzwerk-Zeitprotokoll in einem Computernetzwerk mit einem Zeitklienten (2) und einem Zeitserver (3), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen eines Zeit-Anforderungspaketes (2) im Zeitklienten, – Zeitstempeln des Zeit-Anforderungspaketes mit einem ersten Zeitstempel (T1) entsprechend der Zeit, zu der das Zeit-Anforderungspaket erzeugt wird, – Übertragen des Zeit-Anforderungspaketes zum Zeitserver, – Zeitstempeln des Zeit-Anforderungspaketes mit einem zweiten Zeitstempel (T2) bei Erreichen des Zeitservers, – Zeitstempeln des Zeit-Anforderungspaketes mit einem dritten Zeitstempel (T3) wenn es zum Zeitklienten zurückgeschickt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Abspeichern der aktuellen Zeit, zu der das Zeit-Anforderungspaket (4) den Zeitklienten (2) verlässt als vierten Zeitstempel (T11) im Zeitklienten (2), und zwar nach dem Schritt des Zeitstempelns des Pakets mit dem ersten Zeitstempel (T1) in dem Zeitklienten, und – Ersetzen des ersten Zeitstempels (T1) in dem Zeit-Anforderungspaket durch den vierten Zeitstempel (T11) wenn das Zeit-Anforderungspaket zum Zeitklienten zurückgekehrt ist, um die Genauigkeit des Zeitklienten zu verbessern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass da Computernetzwerk (1) ein Lokalnetz (LAN) ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Duplizieren des Zeit-Anforderungspaketes (4) in ein Zeit-Korrekturpaket (5) in dem Zeitserver (2), – Zeitstempeln des Zeit-Korrekturpaketes mit der aktuellen Zeit, zu der das Zeit-Anforderungspaket den Zeitserver verlässt mit einem fünften Zeitstempel (T31), – Übertragen des Zeit-Korrekturpaketes (5) zurück zum Zeitklienten (2) und – Ersetzen des dritten Zeitstempels (T3) im Zeit-Anforderungspaket durch den fünften Zeitstempel (T31) aus dem Zeit-Korrekturpaket.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Einrichtung zum Speichern und Weiterleiten und/oder ein Schalter (6) im Datenweg zwischen dem Zeitklienten (2) und dem Zeitserver (3) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch – Verwenden einer Vielfach- oder Rundruf-Adresse für das Zeit-Anforderungspaket (4) wenn das Zeit-Anforderungspaket zum Zeitserver übertragen wird, sodass das Zeit-Anforderungspaket von der Speicher- und Weiterleitungseinrichtung und/oder dem Schalter reflektiert wird, und – Zeitstempeln des vierten Zeitstempels (T11) im Zeitklienten (2) wenn das reflektierte Zeit-Anforderungspaket von der Einrichtung zum Speichern und Weiterleiten oder vom Schalter (6) zum Zeitklienten (2) zurückkehrt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Duplizieren des Zeit-Anforderungspaketes (4) in ein Zeit-Korrekturpaket (5) im Zeitserver (2), – Zeitstempeln des Zeit-Anforderungspaketes mit einem dritten Zeitstempel (T3) wenn es unter Verwendung einer Vielfach- oder Rundruf-Adresse zurückgesendet wird, – Zeitstempeln des Zeit-Korrekturpaketes mit der aktuellen Zeit, zu der das Zeit-Anforderungspaket zum Zeitserver zurückreflektiert wurde mit einem fünften Zeitstempel (T31), – Übertragen des Zeit-Korrekturpaketes zurück zum Zeitklienten (2) und – Ersetzen des dritten Zeitstempels (T3) im Zeit-Anforderungspaket durch den fünften Zeitstempel (T31) aus dem Zeit-Korrekturpaket.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zeitstempeln des vierten Zeitstempels (T11) oder des fünften Zeitstempels (T31), entweder in einer Netzwerk-Übertragungsunterbrechung oder durch Verwendung eines besonderen Hardware-Zeitgebers.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Steuerung und zum Schutz eines Knotens in einem Energie-Verteilungsnetzwerk.
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