Wie Sie Geräte über IP-Netze präzise synchronisieren

Zeitsynchronisation

Sie kennen sicher das Network Time Protocol (NTP). Dieses Protokoll dient zur Zeitsynchronisation von Geräten im Millisekunden-Bereich. Aber was tun, wenn Genauigkeiten im Mikrosekunden-Bereich erforderlich sind?

Das Network Time Protocol (NTP dient zur Übertragung von Zeitinformationen aus dem Internet und erlaubt die Zeitsynchronisation von Geräten, die oft weltweit verteilt sind.

Das Precision Time Protocol dient meist innerhalb von LANs zur Synchronisation von Geräten und Taktsignalen mit einer Genauigkeit im Millisekunden – bis Mikrosekunden-Bereich.

Typische Anwendungsfelder sind Bereiche wie professionelle Multimedia-Übertragung (z.B. Broadcaster, IPTV-Lösungen, Sprachdurchsagesysteme), Mobilfunknetze, Internet of Things-Lösungen, autonome Fahrzeuge uvam.).

Die Genauigkeit der Taktsignale unterschiedlicher Quellen ist abhängig von deren Implementierung, der Signallaufzeit, der Temperatur des Taktgebers (z.B. Quarzkristall), aber auch in anderen Komponenten, magnetischen und elektrischen Feldern, dem Alter des Systems und vielen anderen Faktoren.

Die Verzögerungszeit beim Austausch von Zeitinformationen über Netzwerke ist eine große Herausforderung. Insbesondere bei Netzwerken, die das Internet-Protokoll zum Informationsaustausch verwenden, ist die Latenz von IP-Paketen über physikalische Verbindungen und Netzwerkpfade schwer vorhersagbar, da Pakete unterschiedlicher Größe über dieselben Verbindungen übertragen werden müssen und sich gegenseitig blockieren. Als Folge steigt die Latenz, die Verzögerungszeit variiert und führt im schlimmsten Fall zu Paketverlusten (da Paketpuffer überlaufen oder Übertragungsfehler auf Leitungen auftreten).

Damit alle Geräte die gleiche Zeit- und Taktinformation besitzen, ist eine permanente Synchronisation zwischen Systemen erforderlich (sowohl hinsichtlich der Frequenz als auch der Phasenlage).

Bei verteilten Systemen sind ein Mastertakt und ein Synchronisationsprotokoll erforderlich. Damit tauschen Geräte periodisch Zeitinformationen aus und justieren sich selbst ständig nach.

Bekannte Standards, die Zeit- und Taktsynchronisation beschreiben sind „IEEE 1588-2008 – IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems“ und „ITU-T G.8275 und Y.1369 Architecture and Requirements for Packet-based Time and Phase Distribution“

IEEE 1588

Der Standard IEEE 1588 beschreibt ein Protokoll (das „Precision Time Protocol (PTP)“) zur Zeitsynchronisation in Multicast-fähigen Netzen (z.B. Ethernet).

Ziele der Spezifikation waren die Definition einer fehlertoleranten Synchronisation über heterogene Netze mit wenig Protokoll-Overhead, geringem Bandbreitenbedarf und geringem Verwaltungsaufwand.

Generell dient das Precision Time Protocol zur Zeitsynchronisation mit einem Masterclock. Dieser Masterclock kann aus unterschiedlichen Quellen stammen, z.B. vom Global Positioning System (GPS). Zur Gewinnung und zur Verteilung der Zeitinformation aus dem GPS-Signal sind eigene Bauelemente am Markt verfügbar.

Links:

Webinar „Precision Time Protocol

Über den Autor

Ronald Schlager ist unabhängiger Trainer, Consultant, Buchautor und Blogger mit den Schwerpunkten Kommunikationstechnologien und deren Anwendungen. Gereiht als #23 in Onalytica´s List of Top 100 Influencers of “Unified Communications”

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