Η ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΜΕΣΩ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟΥ

Η ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΜΕΣΩ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟΥ

Ξ. Αλεξούδη1, Χ. Σαραφίδης1,2, Ε. Φλουδά2

1. Τμήμα Ηλεκτρονικής, Αλεξάνδρειο ΤΕΙ Θεσσαλονίκης, ΤΘ 141, 57400 Σίνδος2. Ελληνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας, ΟΤ45, 57022 Σίνδος

13 Απριλίου 2023C. Sarafidis

EIM – DEMTime and Frequency Laboratory

2 / 30

Η έννοια του Χρόνου

Τι είναι χρόνος; “A defined quantity (dependent on algorithms,

definitions, procedures) not intrinsic to the clocks used to generate it.” (D.W. Allan & J.A. Barnes).

“It is the phenomenon which prevents all things from happening simultaneously” (John A. Wheeler).

“A political decision” (Sam Stein). “A part of the measuring system used to sequence

events, to compare the durations of events and the intervals between them, and to quantify rates of change such as the motions of objects.” (Internet Encyclopedia of Philosophy).



3 / 30

Η έννοια της χρονικής κλίμακας

Ο καθορισμός είτε του ρυθμού που “κυλάει” ο χρόνος είτε σημείων στον χρόνο. Ή και τα δύο.

Ιστορικά Παραδείγματα: Η μέρα. Ηλιακός Χρόνος. Julian Day. Ο αριθμός των ημερών στο Ιουλιανό

ημερολόγιο από την 1η Ιανουαρίου 4713 π.χ. Modified Julian Date. Ο αριθμός των ημερών από τα

μεσάνυχτα της 17ης Νοεμβρίου 1858. Έχει δεκαδικό μέρος.



4 / 30


Ιστορικά Παραδείγματα: Greenwich Mean Time (GMT). Ο μέσος ηλιακός

χρόνος στον μεσημβρινό του Greenwich. Πάνω από 25 ορισμοί ιστορικά. Πρακτικά μια αστρονομική κλίμακα κοντά στην UT1.

Universal Time (UT, UT0, UT1, UT2) Βασίζεται στην περιστροφή της Γης. Σε 360000 χρόνια θα έχει αποκλίνει

κατά μία μέρα από τον μέσο ηλιακόχρόνο.



5 / 30


Χρονική Κλίμακα είναι ο αλγόριθμος λειτουργίας ενός εικονικού ρολογιού από ένα ή περισσότερα αληθινά ρολόγια μετρώντας τις διαφορές μεταξύ των αληθινών ρολογιών σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές (Chuck Greenhall).

Μπορεί να είναι ένα πραγματικό ρολόι ή μια μαθηματική διαδικασία (paper clock).



6 / 30

Ατομικός Χρόνος

International Atomic Time (TAI, Temps Atomique International) Μια στατιστική επεξεργασία συγκρίσεων μεταξύ 400+

ατομικών ρολογιών εγκατεστημένων σε πάνω από 60 Εθνικά Μετρολογικά Ινστιτούτα.

Δεν είναι ιστορικά ομοιόμορφη χρονική κλίμακα. Τελευταία φορά ορίστηκε το 1995.

Terrestrial Time (TT) Ένας συμβιβασμός μεταξύ των αστρονόμων και των

υπόλοιπων Φυσικών: TT(TAI) = TAI + 32,184 s.



7 / 30


Jack Parry and Luis Essen, 1955, NPL, UK.



8 / 30


Authority: BIPM



9 / 30

Παγκόσμιος Χρόνος: UTC

Authority: BIPM. Η πλέον χρησιμοποιούμενη χρονική κλίμακα. Πολλοί διαφορετικοί ορισμοί τις τελευταίες δεκαετίες! Ο UTC έχει την ίδια συχνότητα με τον TAI, αλλά

απέχει ακέραιο αριθμό δευτερολέπτων -leap seconds Σήμερα TAI-UTC = 34 s. (35 s από 30/6/2012).

Τα εμβόλιμα συγχρονίζουν UTC και UT1. Πολιτικός και γλωσσικός συμβιβασμός!

English: CUT Coordinated Universal Time

French: TUC Temps Universel Coordonné

Globe: UTC Universal Time Coordinated



10 / 30

Ψηφιακές Χρονικές Κλίμακες

Χρόνος Windows. Ο αριθμός των διαστημάτων εύρους 0,1 μs από την

1η Ιανουαρίου 1601, 12:00 AM UTC. Χρόνος UNIX (POSIX).

Ο αριθμός των δευτερολέπτων από την 1η Ιανουαρίου 1970, 00:00 UTC χωρίς να ληφθούν υπόψη τα εμβόλιμα δευτερόλεπτα.

Χρήση 32-bit προσημασμένων μετρητών. Ένας για τα s και ένας για κάποιο κλάσμα (συνήθως μs).

Οverflow: 19η Ιανουαρίου 2038, 03:14:07 UTC.



11 / 30

Ψηφιακές Χρονικές Κλίμακες

Λύση: μετρητές 64 bit.

Αστεία αριθμητικά ορόσημα: Παρασκευή 13 Ιουλίου 2012 ώρα 11:01:20 UTC, η

ώρα POSIX θα είναι 0x50000000 (1,342,177,280 s). 21 Ιουλίου 2069 ώρα 00:37:33 UTC, η ώρα POSIX θα

παριστάνει τα 10 πρώτα ψηφία του π, 3141592653. (100 χρόνια μετά την πρώτη αποστολή στη Σελήνη).



12 / 30

Ποιος χρειάζεται ακριβή χρόνο;

Οποιοσδήποτε χρησιμοποιεί υπολογιστές! Πολιτική Αεροπορία. Ραδιοτηλεοπτικά μέσα, τηλεπικοινωνίες γενικά. Εφαρμογές διαχείρισης κυκλοφορίας. Χρηματιστήρια, γενικά ηλεκτρονικές συναλλαγές. Έξυπνα δίκτυα ηλεκτροδότησης. Κρυπτογραφία – ασφάλεια συναλλαγών. Ασφάλεια δικτύων – εντοπισμός συμβάντων. Αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής. Κατανεμημένες βάσεις δεδομένων.



13 / 30

Απαιτήσεις από μία χρονική κλίμακα

Ένας σωστά σχεδιασμένος αλγόριθμος χρονικής κλίμακας πρέπει να εκπληρώνει κάποιες προϋποθέσεις, που εξαρτώνται από την εφαρμογή.

Κρίσιμες αποφάσεις: Θέλουμε επιστήμη ή αξιοπιστία; Χρειαζόμαστε διάδοση σε πραγματικό χρόνο; Θέλουμε οπωσδήποτε: συνέχεια. Δεν θέλουμε οπωσδήποτε: ασάφεια. Πρέπει να προβλέψουμε: να μην υπάρξουν συνθήκες

που θα προκαλέσουν απότομα βήματα στην κλίμακα.



14 / 30

Εθνικό Πρότυπο Χρόνου και Συχνότητας

Τεχνικά χαρακτηριστικά: Τρία ατομικά πρότυπα Cs 5071Α. Δέκτης GPS CV 12 καναλιών με θέση

κεραίας προσδιορισμένη (ακρίβεια 1 cm). Συστοιχία ηλεκτρονικών ελέγχου

λειτουργίας, μετρήσεων, παροχής πρότυπων σημάτων για διακριβώσεις.

Εσωτερική υλοποίηση διακομιστών NTP. Υλοποίηση UTC(ΕΙΜ) αλλά και

συμμετοχής ΕΙΜ στον TAI.



15 / 30

Το πρωτόκολλο NTP

Το NTP (Network Time Protocol) είναι ένα δικτυακό πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για να συγχρονίσει τα ρολόγια δύο υπολογιστών.

Αναπτύχθηκε από τον καθηγητή D. Mills (Delaware). 1η ολοκληρωμένη έκδοση 1988 (RFC 1059). Χρησιμοποιεί την χρονική κλίμακα UTC. Περιλαμβάνει αλγόριθμους επιλογής (αν υπάρχουν

πολλαπλές πηγές) και εντοπισμού προβληματικών. Σε περίπτωση απώλειας σύνδεσης, περιλαμβάνει

εργαλεία εκτίμησης (από καταγεγραμμένα δεδομένα).



16 / 30

Το πρωτόκολλο NTP

Χρειάζεται ένα “αξιόπιστο” ρολόι αναφοράς. “Αφέντης” - διακομιστής ή πρότυπο.

Τα πακέτα συγχρονισμού χρησιμοποιούν UDP/IP πρωτόκολλο στην θύρα 123.

Χρησιμοποιεί 64 bit για τα πακέτα συγχρονισμού. Ακέραιο - δεκαδικό μέρος εξίσου. 32 bit (δεκαδικό) μέρος -> 1/232 = 233 ps ανάλυση. 32 bit -> 1/1/1900 0:00 + 232=7/2/2036 06:28:16 UTC

7/2/2036 6:28:17 το πρώτο δευτερόλεπτο του έτους NTP 1.



17 / 30

Λειτουργικό Μοντέλο

Ο χρόνος ενός Η/Υ σε σχέση με τον διακομιστή με τον οποίο συγχρονίζεται μια χρονική στιγμή είναι:

R είναι η συχνοτική απόκλιση των δύο ρολογιών. D είναι η γραμμική μετατόπιση (drift) του ρολογιού

του Η/Υ.

Στόχος: Εκτίμηση T(to) και R -> ελαχιστοποίηση T(t).

T (t )=T (t o)+ R(t−t o)+12D (t−t o)

2



18 / 30

Συγχρονισμός

Χρονική Απόκλιση:

Χρόνος Διαδρομής:

Αναγκαία υπόθεση: Χρόνος Μετάβασης = Χρόνος Απάντησης

(t 1s−t 1

cl)+ (t 2s−t 2

cl)2

(t 2cl−t 1

cl)−(t 2s−t1

s)



19 / 30

Ανάπτυξη Διακομιστή

OS: X (UNIX, LINUX) Windows? Copyright + αδυναμία PPS discipline + .

Παραμετροποίηση λειτουργικού Απαλλαγή από οτιδήποτε δεν είναι αναγκαίο.

Εγκατάσταση – παραμετροποίηση υπηρεσίας NTP. Logfiles, ρυθμίσεις κτλ.

Ενεργοποίηση εξωτερικού 1 PPS discipline. Επέμβαση στον πυρήνα. Λογισμικό υλοποίησης.



20 / 30

Μετρήσεις

Σύγκριση 1 PPS – UTC(EIM)

Απευθείας Μέτρηση

Μέτρηση με χρήση NTP



21 / 30

Μέτρηση 1 PPS

Εκκίνηση με τον Η/Υ εκτός συγχρονισμού. Ζητώντας παλμό κάθε 0,9998 s: πλατώ < 1 μHz.



22 / 30

Modσ y2 (τ )= 1

2m 4(M−3m+ 2)∑j=1

M −3m+ 2

{ ∑i= j

j+ m−1

( ∑k= i

i+ m−1

[ y k + m− y k ])}2


Κυρίαρχη συνεισφορά Flicker FM noise

Κυρίαρχη συνεισφορά White FM noise

Modσ y2 (τ )= 1

2m 4(M−3m+ 2)∑j=1

M −3m+ 2

{ ∑i= j

j+ m−1

( ∑k= i

i+ m−1

[ y k + m− y k ])}2



23 / 30


Ταυτόχρονη παρατήρηση μέσω NTP από άλλο H/Y.



24 / 30

Παρατήρηση PPS Discipline

Παρατήρηση μέσω NTP από άλλο H/Y.



25 / 30

Διακομιστές ΕΙΜ

10 MHzDiscipline

UTC(EIM)

NTPDiscipline

NTPDiscipline

1-5-10 MHz utility

hercules.eim.gr

private

EIM utility

Η δομή του συστήματος διάδοσης του Εθνικού Χρόνου μέσω διαδικτύου εξασφαλίζει ακρίβεια και ευελιξία.



26 / 30

Επίδραση Φόρτου Δικτύου

Φόρτος στο τοπικό υποδίκτυο του διακομιστή.



27 / 30


Φόρτος στο τοπικό υποδίκτυο του διακομιστή.



28 / 30


Φόρτος στο τοπικό υποδίκτυο του πελάτη.



29 / 30


Φόρτος στο τοπικό υποδίκτυο του πελάτη.



30 / 30

Συμπεράσματα Ένας απλός Η/Υ είναι τελείως αναξιόπιστο σύστημα

μέτρησης χρόνου. Βελτίωση αν ρυθμιστεί σωστά ως πελάτης NTP.

Υπάρχουν απλές λύσεις χαμηλού κόστους για την παροχή σχετικά πιο αξιόπιστης χρονικής πληροφορίας σε ένα υποδίκτυο. Προσεκτικός σχεδιασμός αλλιώς υπάρχουν κίνδυνοι.

Προϋπόθεση σε κάθε περίπτωση η αξιοπιστία της αρχικής πηγής. Εθνικό Πρότυπο > διακριβωμένος δέκτης GPS >

δικτυακή σύνδεση με Εθνικό Πρότυπο > σύνδεση με διακομιστή NTP > δεν πείραξα τίποτε ...

Documents

Η ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΜΕΣΩ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟΥ