IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP), הינו תקן שעל בסיסו התפתחה טכנולוגיה המאפשרת העברה מדויקת מאד של זמן ושל תדר אל רשתות Ethernet.
יישומים קריטיים לסנכרון יכולים להראות שיפורים משמעותיים של עלות וביצועים לעומת חלופות קיימות. מאמר זה משווה את ה-PTP עם טכנולוגיות אחרות, מסביר כיצד הוא פועל, מתאר שיקולי ביצועים ומספק הנחיות למימוש רשתות PTP. במיוחד, מאמר זה מציג את התוצאות של בדיקות סנכרון המשתמשות בחתימת זמן (time stamping) בחומרה ובפרוטוקול ה-IEEE 1588. המאמר דן במגבלות, יתרונות וחסרונות של השימוש ב-PTP לצורכי הפצת זמן ותדר, שוקל את ביצועי ה-PTP בטופולוגיות רשת ותרחישי תעבורה שונים ומחלק את תוצאות הבדיקה של ביצועי ה-PTP ברשתות המורכבות ממתגי רשת מסחריים (COTS) ורכזות (hubs) כנגד מתגים שמותאמים במיוחד לתמוך ב-PTP.
סקירת PTP – השוואה עם טכנולוגיות אחרות
תקן IEEE 1588 מגדיר את (PTP) Protocol Precision Time כשיטה להפצת זמן ותדר מדויקים בין התקנים מרושתים.
ל-PTP מספר יתרונות:
* סנכרון בדיוק של מתחת למיקרו-שנייה.
* תקשורת נתונים, סנכרון וניהול באותה רשת Ethernet (לעומת צורך בכבלים קואקסיאליים נפרדים ומיוחדים בשיטה של IRIG)
* תיקון אוטומטי של זמני השהיה (latency).
* ניהול מפושט: התקני PTP מגלים לבד התקני PTP אחרים ויוצרים רשת תזמון אופטימאלית.
תקן ה-PTP הוא למעשה סוג חדש בתוך קבוצת טכנולוגיות הסנכרון הקיימות.
טבלה 1 משווה PTP עם IRIG ו-NTP, שתי טכנולוגיות השולטות היום במערכות מדידה וסנכרון רשתות.
הירארכיית התזמון
של PTP
התקני PTP פועלים עצמאית, מגלים התקני PTP אחרים ברשת ומגדירים אוטומטית את עצמם בתוך הירארכיית תזמון אופטימאלית, במבנה של עץ. הדבר מקנה לרשתות תזמון גמישות וחוזק ומבטל צורך הגדרות של התקנים פרטיים, בהקטינו על-ידי כך את עומס העבודה בשעת הקמת המערכת.
כל מבואת רשת המותאמת ל-PTP בהתקן משתמשת באלגוריתם Best Master Clock (BMC) כדי לאמוד את התקני ה-PTP האחרים ברשת ולקבוע את תפקידה כשרת (master –M), או לקוח (slave-S) או פסיבי (P) כמתואר באיור 1.
בפסגת הירארכיית התזמון נמצא השעון הראשי (grandmaster). שעונים ראשיים מצוידים בד”כ במקור ייחוס חיצוני לתזמון כגון מקלט GPS. ניתן לצייד מערכות בעלות זמינות גבוהה עם שעונים ראשיים כפולים. אם אחד מהשעונים הראשיים כושל, הירארכיית התזמון מתארגנת מסביב לזה הנותר.
סנכרון PTP
התקני שרת ולקוח ב-PTP מחליפים ביניהם הודעות Sync ו-Delay Req, תוך תיוג הזמן של הגעה ויציאה של כל אחת (1T, 2T, 3T ו-4T באיור 2).
הודעות Follow Up ו-Delay Resp מעבירים 1T ו-4T מהשרת ללקוח.
הלקוח משתמש בזמנים -1T, 2T, 3T ו-4T כדי לחשב את ההיסט (offset) וההשהיה החד-סטרית ביחס לשרת הראשי (איור 3) ואח”כ להשתמש במידע זה כדי לסנכרן את שעון הלקוח מול השרת.
איור 3. נוסחאות של היסט הלקוח וההשהיה החד-סטרית:
One-way delay = [(T2-T1) + (T4-T3)] / 2
Slave offset = (T2 – T1) – One-way delay
הדיוק של חישובים אלה מתבסס על זמני ההעברה הסימטריים עבור הודעות ה-Sync וה-Delay Req.
טופולוגיות רשת ואפיונן
ככלל, טופולוגיות של רשת שטוחה מספקות ביצועי סנכרון יותר טובים מאשר רשתות הירארכיות מעמיקות. השימוש בפחות רכיבי רשת מדורגים מקטין את השינוי בהשהיית המנה (Packet Delay Variation – PDV). באורח אופטימלי, יש לשמור על רשתות התזמון מבודדות מרשתות הנתונים, עד שהן מתלכדות אצל הלקוח. כדי לשמור על ביצועי הסנכרון, יש להשתמש במתגים שהותאמו ל-1588 כאשר מנות הנתונים והתזמון עוברות דרך מבואה אחת.
אפיון הרשת הוא שלב חשוב כדי לקבוע את ההתאמה לסנכרון בעל ביצועים גבוהים. שתי מדידות המסייעות לתהליך האפיון הן PDV ו-Slave PPS Time Error.
פרמטר ה-PDV, מודד את השינויים בהשהיית המנה שרת-לקוח, בשכבה הפיסית של הרשת. אפשר לראות את ה-PDV כמבוא ללולאת הסרבו לסנכרון הלקוח. ככל שה-PDV יותר גדול ופרופיל הרעש שלו יותר אקראי, על לולאת הסרבו להיות יותר מתוחכמת כדי להסתנכרן במדויק עם השרת. הסוגים השונים של רכיבי רשת משפיעים ישירות על קנה-המידה ואופי ה-PDV.
מדידות PDV מדויקות ניתן לקבל על-ידי שימוש ביכולת תיוג הזמן בחומרה של התקני PTP. חשוב ביותר למדוד את הקליטה והשידור של מנות אצל הלקוח תוך שימוש במקור ייחוס המוצמד היטב לשרת. ניתן לבצע זאת תוך שימוש באותו אות ייחוס חיצוני כמו השרת (לדוגמה, GPS) או על-ידי שילוב יכולת מדידת PDV בשעון הראשי, כגון מערך המדידה המשולב המוצג באיור 4.
מדידת שגיאת זמן הלקוח PPS מאותות ה-PPS המופקים בחומרה מספקת הבחנה ישירה של סנכרון השרת-לקוח מקצה לקצה. את השגיאות ניתן לראות בעזרת מונה תדר, אוסילוסקופ או שעון ראשי מצויד במבואה למדידת פרקי הזמן המשולבים.
גרף ההיסטוגרמה של PPS של לקוח (איור 5) מראה את האופי הסטטיסטי של סנכרון הלקוח לשרת, המתואר במדויק על-ידי חישובי סטייה ממוצעת ותקנית.
ביצועי סינכרון טיפוסיים
מערך הבדיקה
איור 6 מראה מערך סטנדרטי למדידת PDV וביצועי סנכרון לקוח דרך ענן רשת.
בקר מדידה משמש להגדרת מערך התקנים ומכשירים, איסוף נתונים ושינוי תנאי התעבורה. שעון-האב נשאר נעול על-GPS ברציפות והוא מותאם ליכולות המדידה הנוספות. אלה כוללות יכולת הגדרת טווחי זמן למדידת מוצאי PPS לקוח, ותיוג זמן של מנות לאיסוף נתוני PDV על רכיבי הרשת. שתי מדידות אלו מנצלות את השעון המדויק של השעון הראשי ומספקות נתוני PPS ו-PDV בדיוק גבוה. התקן הלקוח הוא כרטיס-נתקע (זמין מסחרית) עם תיוג הזמן בחומרה, ומקור אות ה-PPS.
העברות קבצים משרת TFTP משמשות ליצירת תעבורה בין שתי תחנות עבודה. שרת ה- TFTP מספק את האופציה של הגדרת גודל הבלוק של העברות הקבצים. ניתן לנצל זאת לשינוי אורך העברת המנה. גודל בלוק של bytes 128 שימש לתוצאות המדווחות במאמר זה, אשר הפיק אורך מנה של bytes 146. תוכנת ה- Ethereal משמשת ככלי ניתוח כדי לקבוע רמות העברה והתנהגות רשת כללית. רכיבי ה-Network שבשימוש הם רכזות משרדיות קטנות ומתגים התומכים ב-Fast Ethernet (100Base-Tx).
*המאמר נמסר באדיבות פוקוס טלקום.
