NTPサービスに基づく産業用制御システムのネットワーク時間同期NTPサービスに基づく産業用制御システムのネットワーク時間同期
デジタルネットワークの継続的な開発に伴い、インターネットプロトコル（IP）に基づくテクノロジは、その十分な利便性、柔軟性、およびスケーラビリティのために出現し続けています。ローカルエリアネットワーク（LAN）、ワイドエリアネットワーク（WAN）、およびセルラーネットワークは、IPネットワークアプリケーションの一般的な例です。産業用制御、テスト、測定、および音声やビデオなどの情報を送信するデータバックボーンアプリケーションの分野でIPネットワークテクノロジーを採用する場合、時間同期が重要なポイントです。たとえば、音声とビデオの品質は不確実な遅延とジッターに非常に敏感であり、組み立てラインのロボットも互いに厳密に同期する必要があります。
図1：デジタル表示装置は時間の同期に役立ちます
IPネットワークとイーサネットは、最初に設計されたときに同期の問題を考慮していませんでしたが、これは現在非常に必要です。製品で時間同期が必要な場合、設計でどのような対策を講じる必要がありますか？すでにいくつかのソリューションがあります。ここでは、ネットワークタイムプロトコル（NTP）、簡易ネットワークタイムプロトコル（SNTP）、正確なタイムプロトコル（PTP）、およびナビゲーションシステムを利用した時刻同期の4つの一般的なソリューションについて説明します。全地球測位システムGPSなど。幸い、アーキテクチャの観点から見ると、これらの異なる実装には多くの共通点があります。
マスタークロックソース
通常、同期ネットワークにはマスタークロックがあり、そのソースは通常、地球の自転に基づいて確立された公用時間である協定世界時（UTC）です。UTCと国際原子時間（TAI）は一定の関係を維持します。両者の固定関係は、地球の回転速度の低下に応じてUTCのうるう秒時間を定期的に増やすことによって維持されます。現在のUTC時間はTAIよりも長くなっています。時間はほぼ36秒でした。もう1つの指標はUT1で、グリニッジ標準時の真夜中の0時から始まる標準的な太陽時間と人工的な極座標シフトの時間標準であり、UTCとUT1の関係は9秒以内に維持されます。
タイムサーバーは多数ありますが、米国で最も一般的に使用されているのは、国立科学技術研究所（NIST）によって提供される時刻です。NISTによって提供される時刻は、UTC、UTC1、およびネットワークタイムプロトコル（NTP）サーバーに基づいています。他のネットワーク上のコンピューターまた、メインのクロックソースはこのサーバーに従って決定されますが、多くの補助サーバーがあり、時刻情報もナビゲーション衛星から取得できます。
時間研究の要素
ネットワーク設計には、非同期時間モデルと同期時間モデルがあり、すべての同期方法には、まとまったレベルのタイミングソリューションが必要です。基準クロックはネットワーク要素の同期に必要です。ネットワーク要素は通常、調整による同期を実現するために、電圧制御水晶発振器（VCXO）、フェーズロックループ（PLL）、またはクロックジェネレーターを必要とします。現在、より一般的なソリューションには、Abraconによって発売された超低位相ノイズVXCOや、IDTによって発売された82P33814-1NLG同期管理ユニットが含まれ、複数の同期モードをサポートしています。
どのソリューションを選択する場合でも、設計システムは、適切なジッター減衰と位相ノイズ除去を提供し、ネットワーク内の他の要素との適切な同期許容誤差を維持できる必要があります。時間の設計には、特定の保持特性、つまり同期状態が通知される前にクロックを維持して、マスタークロックまたは基準クロックの誤動作を防ぐ機能を含める必要があります。
一般的に使用される同期ソリューション
Network Time Protocol（NTP）およびSimplified Network Time Protocol（SNTP）
最も一般的に使用されるパブリックネットワークの時間同期方法は、NTPとその簡易バージョンのSNTPです。パブリックNTPサブネットには、すべての大陸と海底にさえサーバーがあります。 、グローバルインターネット上の無数のコンピューターに時間サポートサービスを提供します。NTPサーバーの時刻はUTCに基づいていますが、NIST組織はUT1に基づいてNTPサーバーをセットアップしています。
NTPプロトコルは、ソフトウェアタイムスタンプを使用して、100µsから100ms以上の範囲の精度で正確な時刻同期を実現します。多くの要因が違いを引き起こす可能性がありますが、それらは通常、ネットワークの遅延、ハードウェア、オペレーティングシステム、周囲温度の変化によって引き起こされる発振器のドリフト、および時間の更新によって引き起こされる時間間隔によって引き起こされます。
クライアントのローカル時間を調整する必要があると判断した場合は、往復の遅延時間も考慮する必要があります。NTPとSNTPは同じプロセスを使用して補正係数を決定します。計算結果は、両方向の遅延が同じであるという仮定に基づいているため、合計4つのデータパケットがクライアントとサーバー間で交換されます。
NTPとSNTPの主な違いは、SNTPクライアントが単一のSNTPサーバーから直接時間を定期的に同期する必要があることです。したがって、NTPは複雑な状態ベースのアルゴリズムを使用する一方で、SNTPは主に高精度を必要としないアプリケーションに使用されます。精度を向上させるため。
図2：最初の3つのレイヤーの同期パス
NTPはマルチキャスト/エニーキャスト、クライアントサーバー、ポイントツーポイントモードをサポートしていますが、SNTPは通常クライアントサーバーモードで使用されます。NTPシステムのブロードキャスト時間情報は階層的であり、異なるレベルを確立します。各レベルは1つに割り当てられますレベル（Stratum）のシリアル番号に対応して、Stratum 1サーバーは最下層であり、グローバルな時刻同期サービスを提供します。上位層は、最下層の時刻情報に従って同期する必要があります。（ネットワークイベント構造は、さらなる研究のための優れた情報源を提供し、UnixおよびWindowsオペレーティングシステムに適したNTPdと呼ばれるリファレンス実装を提供します）
IEEE 1588プレシジョンタイムプロトコル（PTP）
PTPはすぐにイーサネットパケットネットワークに適した時刻同期ソリューションになり、特に産業用制御、通信、テストおよび測定アプリケーションに適しており、NTPプロトコルよりも正確で確実です。 。PTPプロトコルはNTPプロトコルと多くの類似点がありますが、いくつかの重要な違いがあります。まず、クライアントのタイムスタンプはソフトウェアではなくハードウェアによって実装され、ネットワークインターフェイスのできるだけ近くに配置して、クライアントソフトウェアに関連する不規則な遅延を排除します。これにより、数ナノ秒の精度が向上します。 PTPネットワークマスタークロック選択プロセスはより堅牢です。
図3：同期メカニズムと遅延計算-安価な修正=ó
PTPプロトコルでは、時間情報はネットワーク全体をマスター/スレーブ構造の形式で階層的に渡されます。イベントソースはTAI標準に基づいています。「ベストマスタークロック（BMC）」ソフトウェアアルゴリズムは、利用可能なすべてのクロックソースから選択します。最も適切な時刻と時刻の情報は、PTPのすべてのサブネットワークに渡されます。
PTPプロトコルのすべてのサブネットワークでのマスタークロックの選択にもBMCアルゴリズムが採用されています。クロックの主な送信方法はマルチキャスト送信ですが、ターミナルクライアントは直接通信を使用してマスタークロックと同期し、定期的にユニキャストの形式で送信します。時間同期リクエスト。もちろん、「トランスペアレントクロック」の可能性もあります。つまり、ネットワークスイッチは、PTPメッセージをPTPサブネットに送信するプロセスでタイムスタンプを変更する可能性があります。この変更は、ローカルデバイスの遅延を計算することにより、受信サブネットのタイムスタンプの精度を向上させるためのものです。
完璧なPTPソリューションは確かに存在しますが、トランシーバーソリューションとマイクロコントローラー制御のPTPソフトウェアプロトコルスタック、またはマイクロコントローラーベースのソリューションとプロトコルスタックの組み合わせによるものです。ネットワーク時間組織は、無料でダウンロードできるPTPdと呼ばれるオープンソースのPTPプロトコルスタック実装ソリューションを提供します。最も広く分散しているソリューションは、TIによって発売されたDP83640です。ユニバーサルモジュールとして、さまざまな動作モードでスレーブクロックを出力します。このクロックは、周波数と位相の両方でマスタークロックと同期され、より正確に下位のサブネットワークに渡されますもちろん、サブナノ秒の範囲には、NTPプロトコルのタイムスタンプも含まれています。TIは、構成方法やより高い精度を実現する方法など、詳細なアプリケーション手順を提供します。
全地球測位システム（GPS）
図4：宇宙ベースのナビゲーションシステムには、地球を周回する一連の衛星が含まれています
宇宙ベースのナビゲーションシステムには、地球を周回する一連の衛星が含まれており、これらのシステムは非常に正確な時間と位置の情報を提供できます。米国は「全地球測位システム（GPS）」、ロシアは「全地球航法衛星システム（GLONASS）」、中国は「北斗-2航法衛星システム」、インドは「インド地域航法衛星システム」となった。 （IRNSS）」、もちろん他の国でも独自のナビゲーションシステムを開発しています。
GPS衛星には原子時計が搭載されており、互いに同期し、地上時計と同期するように定期的に調整されています。時間は少なくとも4つの衛星から定期的に送信されるタイムスタンプに基づいて計算されます。信号は光速で移動し、衛星は定期的に位置情報を送信するため、遅延計算は比較的簡単です。
NTPおよびPTPプロトコルとは異なり、時刻情報は衛星から直接取得されるため、GPSシステムの可変遅延の問題は異なります。唯一の制限要因は、受信機が妨害されない経路、大気環境、および受信機に対する衛星を備えている必要があることです。場所は精度に影響します。ネットワーク要素ごとにレシーバーを統合するのは高価なため、エンジニアはコストを効果的に制御しますが、GPS時代の関連製品ははるかに安価であり、実際のソリューションの同期精度は100ns以内です。
GPSレシーバーのもう1つの優れた機能は、閉じたネットワークで使用できることです。つまり、インターネット接続がありません。また、PTPネットワークに正確なマスタークロックソースを提供できます。
まとめ
前述の時間同期方法に加えて、「同期ネットワーク（SyncE）」や「範囲内の機器グループ時間コーディング（IRIG）」など、他のソリューションもあります。これらは、詳細な調査に値します。これらのテクノロジーはすべて信号を分配することで同期を実現しますが、すべて専用のハードウェアプラットフォームが必要です。
「同期ネットワーク」は標準になり、ますます普及しています。従来の時分割多重ネットワークは、IPベースのスイッチングおよび多重化の実装に進化しました（上記のDP83640はSyncEテクノロジーに基づいています）達成された）。詳細については、国際電気通信連合の関連規格であるITU-T Rec.G8261、62、64を参照してください。
ネットワーク時間同期ソリューションは、上記の方法を組み合わせて実装することもできます。たとえば、PTPベースの産業用制御ネットワークは、マスタークロックソースをGPS受信機から取得できます。もちろん、NTP派生サーバーからも取得できます。多くの実行可能な方法と組み合わせが連携して機能し、最終的な目標はネットワークを介して正確な時刻同期を達成することですが、各テクノロジには独自の機能があり、ネットワークとテクノロジの開発により、最新のアプリケーションのほとんどに徐々に対応できます要求する。