סנכרון של רשתות, מכונות, והוראות פיננסיות צובר תאוצה והופך לפקטור חשוב בפעילות היום יומית של חברות רבות.
עם הצורך ההולך וגובר בסנכרון, מגיע גם הצורך במוצרים הידועים בשמות: שעון GPS, שעון אטומי, שעון GNSS ,TIME CODE GENERATOR, שרת זמן (Time Server) ובשמות שונים אחרים, במאמר זה נקרא לכול אותם מוצרים שעון GPS. כאשר נרצה לבחור שעון GPS נצטרך לקחת בחשבון מספר מאפיינים חשובים, מאחר ולא כל שעוני GPS מספקים מוצאים או תוצאות זהות, ועל כן נצטרך להתאים את המוצר על פי הדרישות של המערכת שלנו.
איור 1. ישום יתירות עבור גיבוי GPS
דרישות הדיוק:
איזה דיוק אנחנו צריכים?
סנכרון הזמן יכול להיות מסופק במספר פורמטים, החל מ-RS232 ASCII, פולסי DC מאופננים ועד ל-Ethernet timing packets. הדרישה לאותות השונים תהיה תלויה במספר פקטורים, הדרישה הראשונה והחשובה מכולם היא מה הוא דיוק הזמן שנרצה להשיג, לדוגמא, אם נבחן מערכות ניטור והגנה בתעשיית החשמל, נקודות המפתח במערכות אלה הן חתימות הזמן הנשלחות אחורה למערכות הניטור, המידע אשר מתקבל מחתימות הזמן נאסף ליומן אירועים ויאפשר ניתוח נוסף במידה ותתרחש תקלה. ככל שהמידע שיתקבל יהיה מדוייק יותר כך יהיה סיכוי גבוה יותר לזהות את מקור התקלה, במקרה כמו זה, הלקוח הסופי יהיה מעוניין בדיוק של 1 מילישניות (אלפית שניה) ל-UTC שזו תהיה משימה פשוטה לרוב שעוני ה-GPS, לעומת זאת כאשר מדובר בהוראות פיננסיות כמו בחברות מסחר בשוק ההון הדרישות יהיו שונות משמעותית, שינויי מגמות מהירים והיכולת להגיב בזמן הוא ההבדל שבין להרוויח הרבה כסף לבין להפסיד אותו. חותמות הזמן להוראות המכירה, קניה במסחר בשוק ההון נדרש לדיוק של 1 מיקרו שניה (מליונית השניה) ל-UTC, והיא כל ההבדל בין רווח או ההפסד במסחר הכלים הפיננסים.
אותות הסנכרון:
כמה ואיזה סוגי אותות אנחנו צריכים?
לאחר שהבנו את דרישות המערכת ואת הדיוק ל-UTC הנדרש, נצטרך לבדוק את יחידות הקצה שלנו כדי לראות אילו סוגי אותות הם מסוגלים לעבד. הפורמטים הנפוצים הם:
NTP/SNTP – Network Time Protocol Simple Network Time Protocol הוא סוג אותות תזמון המבוססים ETHERNET, ומכיל את מידע הזמן, תאריך והדיוק. בעל דיוק
איור 2. איבוד קליטת לווינים, המערכות מסתמכת על אותות PTP להמשך סנכרון הרשת
של עד 1 מילישניות. בפתרון זה בדרך כלל משתמשים בסנכרון מחשבים ורשתות מחשבים ברחבי האינטרנט. PTP – The Precision Time Protocol הם אותות תזמון מדוייקים מאד המבוססים על ETHERNET, אשר יכולים להשיג דיוק של עד 1 מיקרו שניות. השימוש ב-PTP דורש מתגים חכמים על מנת לאפשר חותמות זמן מדויקות ברחבי הרשת. IRIG B – פולס מאופנן AC או DC אשר נושא את הזמן, תאריך ואת איכות האות על חיבורי הנחושת ובעל דיוק ל-1 מיקרושניות. על מנת להבטיח פתרון תזמון למערכת לטווח ארוך כדאי לשקול פתרונות אשר מאפשרים שדרוגי תוכנה ומפתחות לתכונות נוספות ומתקדמות, שנזדקק להן כאשר נרצה לפתח את הרשת. לדוגמא, הפתרונות של חברת TEKRON, לא רק תומכים בכל סוגי אותות התזמון הקיימים, אלא גם מאפשרים תמיכה מלאה ואפשרות לשדרוג היכולות לפרוטוקולי NTP ו-PTP, אשר יכולים להיות מאופשרים ע”י הוספת רישיון בהתאם להתפתחות הרשת. בצורה זו ניתן יהיה לשדרג את המערכת בפרוטוקולים נוספים מבלי לרכוש מוצר תזמון חדש. כאשר אנו יודעים את דרישות הדיוק ואת סוג אותות התזמון אשר הציוד שלנו תומך בו, נצטרך להבין כעת את יכולות ה-HOLDOVER הנדרשות.
מהו ה-HOLDOVER ולשם מה אנו זקוקים לו?
בכדי להבין את נושא ה-HOLDOVER כדאי שנבין כיצד שעון ה-GPS מסתנכרן. שעון ה-GPS, מקבל אות סנכרון ישירות מלוויני ה-GPS כמו כל משתמש. מערכת ה-GPS העולמית משדרת מידע על הזמן, אשר מאפשר חישוב למציאת מיקום באמצעות טריאנגולציה, כלומר שימוש בשלושה לווינים לפחות על מנת לקבוע מיקום. ברגע שיש איבוד אותות ממערכת ה-GPS הלווינית, שעון ה-GPS, מתנהג כמקלט GPS ומתחילה להיווצר סטיית שעון. קצב הסטייה של שעון ה-GPS, תלוי ביציבות המתנד הפנימי אשר נמצא בתוך השעון. בעולם התזמון, קצב הסטייה ודיוק השעון ל-UTC לאחר איבוד אותות הלוויין, נקרא HOLDOVER ומתייחס לכמות הזמן שיכולה לעבור עד לקבלת חוסר דיוק משמעותי שתפעיל התראה.
על מנת להבין את צרכי המערכת, יש לשאול את השאלות הבאות:
מהו דיוק הזמן המינימלי הנדרש על מנת לשמור על פעולת מערכת תקינה?
לכמה זמן תוכל המערכת לתפקד ללא אותות GPS?
כמה זמן יקח לתפעל תקלה במקרה של בעיה מסוג זה? האם זהו אתר מרוחק או מקומי?
על פי תשובות לשאלות אלו, נוכל להבין את דרישות ה-HOLDOVER לשעון ה-GPS ועל-ידי כך לבחור את סוג המתנד הנדרש. לדוגמא: חברת TEKRON מציעה מספר סוגי מתנדים: מתנד אטומי מסוג רובידיום, המסוגל לעמוד במספר ימים ללא קליטת GPS ועדיין לשמור על רמות דיוק של מיקרו שנית. מתנד מתקדם נוסף הוא מתנד OCXO, אשר יכול לעמוד בדיוק של מיקרו שניה, גם לאחר חצי יום ללא קליטת GPS. מתנדים בסיסיים יוכלו לעמוד בדיוק של מיקרו שניה למשך כשעה בלבד. בסופו של דבר הבחירה שלנו תהיה תלויה בדרישות ובעלות המערכת, כמובן שהעדיפות תהיה לשעון זמן אטומי, אך ככל שאנו משתמשים במתנד מתקדם כך עלות המערכת עולה ועל כן יש לעשות בחירה מושכלת.
יתירות במערכת
רמת היתירות במערכת תהיה באופן כללי תלויה קריטיות והתקציב שנרצה להשקיע במערכת. ישנן כמה רמות של יתירות אשר ניתן לשקול. השיטה הראשונה והפשוטה ביותר היא שימוש בספק כח כפול ליחידה, שימוש בספק כח אחד לשעון ה-GPS, יכול במקרה של תקלה, לגרום לנפילת שעון הזמן וספק כח כפול ימנע תופעה זו. דגמים רבים של שעוני GPS בשוק, מגיעים עם אפשרות לספק מבודד כפול, אשר מאפשר מתח כניסה זהה/שונה על מנת לאפשר מקורות מתח נפרדים ל-AC/DC, תוספת העלות היא שולית. יתירות ברמת ה-GPS, בהמשך להבנה בנושא HOLDOVER, מגיעה ההבנה שמספר מקורת זמן מדויקים יתנו למערכת יתירות ועל כן יהיה ניתן להסתמך על מקור מדויק במקרה של איבוד קליטה ועל כן יהיה סביר פחות לאבד סנכרון. באיור 1, נוכל לראות שני שעוני GPS, אשר נמצאים במערכת אחת TCG-02 ו-NTS03, שניהם שעוני זמן בעלי יכולת קליטת GPS ו-GLONASS בו זמנית. במקרה בו אחת המערכות תחסם (לדוגמא GPS) או מצב של חוסר קליטה, המערכת בצורה אוטומטית תעבור למערכת שניה (כלומר GLONASS) ובאופן זה תיווצר הגנה בפני הסתמכות על מערכת אחת, חסימות של המערכת או תקלות באנטנה. באיור מס’ 2 נוכל לראות דוגמא למצב של הסתמכות על מקור מדויק אשר נמצא במערכת במקרה של איבוד קליטת לוויינים, ניתן לראות כי מקור NTS03 מחובר בחיבור רשת למקור TCG-02 בעל מתנד רובידיום שהוא GRANDMASTER PTP, חיבור PTP זה מספק גיבוי לתזמון יחידת ה-NTS-03 ועל ידי כך מאפשר המשך פעולה של הרשת תוך הסתמכות על השעון האטומי ועל כן כאשר מחליטים על רמת היתירות חשוב לשאול את השאלה כמה הכרחי הסנכרון לאותה מערכת – האם יהיה ניתן להמשיך ולתפקד ללא תזמון, האם ניתן שחוסר התזמון יגרום לנפילת הרשת בכללותה. במידה וניתן להמשיך לתפקד עם סנכרון חלקי, יתירות בספק הכח ובשתי מערכות הלווינים (GPS & GLONASS) תהיה מספיקה בכדי לשמור על פעולת המערכת כ-90% מהזמן.
איומי סייבר
איומי הסייבר הופכים להיות מציאות ברמה היום יומית עבור חברות רבות, היכולת להגן על הערכות שלנו מפני האיומים קיימים הינה דרישה חיונית, ולא משנה באיזה תחום תעשייתי המערכת תפעל בה. גם שעוני ה-GPS חשופים לאיומים אלו ועל כן חשוב להקדיש מחשבה גם לנושא זה, יצרנים רבים בעולם עושים צעדים רבים למיגור התופעה באמצעות שיפור מערך האבטחה, סיסמאות נפרדות לרמות שונות של שליטה ועד רמת טכנאי, אך ישנם חברות שלקחו את הנושא צעד אחד קדימה, לדוגמה: חברת TEKRON מציעה מערך פתרונות עם דגש בנושא סייבר ואבטחה, מערך האבטחה מבוסס תוכנה ייחודית שפותחה על ידי TEKRON, החברה פיתחה מערך NTP/SNTP ייחודי ומנוע PTP ייעודי כדי להתמודד אל מול התקפות זדוניות שנועדו לפגוע בפעולת מערכות קריטיות.
סיכום
חשוב לזכור כי אין שני פתרונות שעון GPS זהים. כאשר עלינו לאפיין ולבחור פתרון למערכת תזמון, יש לבחון פרמטרים כגון: דיוק נדרש, אותות קליטה, פלט וקישוריות למערכות נתמכות, אולם עלינו לתת גם תשומת לב להיבטי: האבטחה אל מול סיכונים, יתירות חומרה, אמינות המערכת ואחריות יצרן.
בכל נושא ושאלה נוספת בנושא מערכות תזמון, נשמח לספק מידע באמצעות חברת היפרטק מערכות המייצגת את TEKRON בישראל.
