> IT (Information Technology)

NTP, PTP, Network Time Protocol, Precision Time Protocol

FlightSim 2023. 3. 10. 15:58

320x100

NTP 및 PTP 정보 요약

PTP와 NTP 모두 패킷 기반 네트워크를 통해 시간 동기화를 제공합니다. 이 문서에서는 두 프로토콜의 작동 원리를 설명하고 차이점을 보여줍니다.

빠른 링크:

1. 소개

PTP와 NTP는 모두 패킷 기반 네트워크를 통해 시간 동기화를 제공합니다. PTP는 NTP(Network Time Protocol)에서 사용되는 서버 및 클라이언트 모드와 유사하게 마스터와 슬레이브 클럭 간에 사용되는 동기화 메시지를 정의합니다. 그럼에도 불구하고 두 프로토콜이 모두 동일한 응용 프로그램에 사용되는 것은 아닙니다. 어떤 프로토콜이 선호되는지는 시스템의 요구 사항에 따라 다릅니다.

이 문서에서는 두 프로토콜의 작동 원리를 설명하고 차이점을 보여줍니다. 여기에 제공된 두 프로토콜에 대한 설명을 통해 독자는 두 프로토콜의 이점을 이해하고 필요에 맞는 솔루션을 선택할 수 있습니다.

2. NTP - 네트워크 시간 프로토콜(RFC 1305, 5905)

NTP는 시간을 분배하는 데 여전히 널리 사용되는 오래된 인터넷 프로토콜입니다. NTP는 일반 네트워크와 공용 인터넷을 통해 모든 장치를 동기화하는 간단한 방법을 제공합니다. 로컬 네트워크에서 안정적인 시간을 보장하기 위해서는 GNSS 안테나에 연결된 NTP 서버를 네트워크에 배치하는 것이 가장 좋습니다. 시계, 액세스 제어 시스템 및 기타 이러한 시스템에는 시간이 필요하지만 NTP의 정확도는 충분합니다. NTP의 이점은 견고성과 표준 IT 장비에서 실행할 수 있는 능력입니다.

NTP는 사용자 데이터그램 프로토콜 UDP를 사용하여 요청과 응답을 전송합니다. NTP는 두 가지 모드를 지원합니다.

2.1. 동기화 원리 – NTP 유니캐스트

원격 서버와 시계를 동기화하려면 NTP 클라이언트가 다음을 계산해야 합니다. 왕복 지연 시간 그리고 오프셋. 왕복 지연은 다음과 같이 계산됩니다.

어디에
t0 요청 패킷 전송의 클라이언트 타임스탬프입니다.
t1 요청 패킷 수신의 서버 타임스탬프입니다.
t2 응답 패킷 전송의 서버 타임스탬프이고
t3 응답 패킷 수신의 클라이언트 타임스탬프입니다.

따라서
t3 - 티0 는 요청 패킷의 방출과 응답 패킷의 수신 사이에 클라이언트 측에서 경과된 시간이며
t2 - 티1 서버가 응답을 보내기 전에 대기한 시간입니다.
오프셋 θ는 다음과 같이 주어진다.

수신 및 발신 모두 NTP 동기화가 정확합니다. 노선 클라이언트와 서버 사이에는 대칭적인 명목 지연이 있습니다.

2.2. 동기화 원리 – NTP 멀티캐스트

멀티캐스트는 브로드캐스트 유형이지만 정의된 최종 장치 그룹에만 해당됩니다. 최종 장치는 스위치 또는 라우터에서 IGMP(Internet Group Management Protocol)를 통해 더미 IP 주소로 그룹 구성원을 등록합니다. 스위치/라우터는 어떤 포트에 어떤 멀티캐스트 패킷을 보내야 하는지 등록합니다. 이러한 유형의 시간 동기화는 통신이 한 방향으로만 발생하고 동일한 멀티캐스트 그룹의 참가자에게만 발생하므로 네트워크에 최소한의 부하만 가합니다.

멀티캐스트 정의:

클라이언트가 그룹에 가입하고 그룹 주소에서 "듣기"
클라이언트는 IP 주소가 필요하지 않습니다.
서버가 그룹 주소로 데이터를 보냅니다.
단방향 통신
그룹 주소는 224.0.0.0에서 239.255.255.255 범위의 IP 주소입니다.

2.3. NTP 시간 동기화에서 계층의 정의

NTP는 클럭 소스 수준의 계층적 시스템을 사용합니다. 이 계층 구조의 각 수준을 계층이라고 하며 맨 위에서 XNUMX부터 시작하는 레이어 번호가 지정됩니다. 계층 레벨은 기준 클록으로부터의 거리를 정의합니다. 계층이 품질이나 신뢰성의 지표가 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이러한 계층의 정의는 다음과 같은 개념과도 다릅니다. 시계 층 전화에서 사용eco예방접종 시스템.

노란색 화살표는 직접 연결을 나타냅니다. 빨간색 화살표는 네트워크 연결을 나타냅니다.

GNSS 시계 일반적으로 계층 0 시계로 간주됩니다. 즉, GNSS 시간 신호 수신기에 의해 동기화된 NTP-서버는 계층 1 클럭을 나타냅니다.

3. PTP – 정밀 시간 프로토콜

PTP(Precision Time Protocol)는 패킷 기반 네트워크 전체에서 시계를 동기화하는 데 사용되는 프로토콜입니다. 다양한 시스템 및 응용 프로그램에 대해 로컬 또는 광역 네트워크에서 매우 정확하고 안정적인 시간을 제공하는 데 사용됩니다. PTP는 IEEE 1588 표준에 정의되어 있습니다.

3.1. 동기화 원리 – PTP

자신의 시간을 마스터의 시간에 맞추려면 슬레이브가 값을 수정해야 합니다. 먼저 슬레이브는 클럭 드리프트(Syntonization)를 수정한 다음 전송 기간(동기화)에 따라 오프셋을 결정하여 시간을 조정합니다.

3.1.1. Syntonization – 슬레이브 주파수를 마스터로 조정

시간 동기화 이전에 슬레이브는 연속적인 동기화 메시지를 사용하여 자신을 마스터에 동기화합니다(주파수 정렬). 두 개의 연속 타임스탬프 간의 차이 t1 슬레이브는 마스터로부터의 동기화 메시지 간격을 알려줍니다. 자신의 타임 스탬프 t2 그는 이제 자신의 시계 편차를 계산하고 보상할 수 있습니다. 이 절차는 환경 조건이나 기타 변화로 인해 시간이 지남에 따라 변하는 주파수를 보정하기 위해 정기적으로 반복됩니다.

3.1.2. 동기화 – 마스터에 대한 슬레이브 시간 조정

PTP 슬레이브의 시간을 동기화하기 위해 여기에 표시된 프로세스가 사용됩니다. 마스터는 동기화 메시지를 전송하여 시작합니다(XNUMX단계 모드에서 후속 조치). 그런 다음 슬레이브는 지연 요청을 보내고 지연 응답을 다시 받습니다. 이 메시지로 슬레이브는 XNUMX개의 타임스탬프 t를 수집합니다.1 에 t4, 이를 통해 그는 오프셋을 계산하고 마스터 중 하나에 시간을 조정할 수 있습니다. PTP 정확도의 핵심은 하드웨어 타임스탬프가 필요하기 때문에 네 가지 타임스탬프의 정밀도입니다.

3.2. PTP 클라이언트 동기화

표준은 슬레이브가 내부 시계를 수정하는 방법을 정의하지 않습니다. 두 가지 옵션이 있습니다.

부드러운 전환: 슬레이브는 마스터 시간과 일치할 때까지 클럭을 가속하거나 감속합니다.
즉시 단계: 슬레이브는 시간을 마스터의 시간으로 설정합니다(앞으로 또는 뒤로 점프).

어떤 동작이 사용되는지 응용 프로그램에 따라 다릅니다. 시간 점프가 허용되지 않는 경우(예: 로깅 이유로) 부드러운 전환이 필요합니다. 반면에 빠른 얼라인먼트가 중요하다면 점프를 하고 곧바로 정확한 타이밍을 잡는 것이 좋다.

3.3. 구성 가능성

3.3.1. 지연 측정 모드 – E2E 또는 P2P

엔드 투 엔드(E2E):

이 지연 메커니즘은 슬레이브가 자신과 마스터(따라서 End-to-End) 사이의 지연을 측정하도록 요구합니다. 마스터와 슬레이브는 DELAY REQUEST 및 DELAY RESPONSE라는 IEEE 1588 메시지를 둘 사이에서 앞뒤로 전송하여 지연을 측정할 수 있도록 합니다. 지연이 알려지면 슬레이브는 주파수와 시간을 조정하여 마스터와 동기화할 수 있습니다.

이상적으로는 예를 들어 와이어를 사용할 때 마스터와 슬레이브 사이의 지연이 일정합니다. 실제 네트워크에는 지연 변수를 만드는 레이어 2 및/또는 레이어 3 장치가 있습니다. 마스터와 슬레이브 사이의 네트워크 장치가 투명 시계로 작동하는 경우 특정 PTP 메시지에 수정 값을 추가하여 슬레이브가 이 가변 지연을 제거하는 데 도움을 줍니다.

피어 투 피어(P2P):

이 지연 메커니즘을 사용하려면 각 네트워크 요소가 입력 포트와 이 입력 포트의 다른 쪽 끝에 연결된 장치(피어 장치) 사이의 지연을 측정해야 합니다. 마스터가 시간 보기(SYNC 메시지 사용)를 슬레이브(들)로 보낼 때 각 네트워크 요소는 SYNC 메시지를 수신하고 SYNC 메시지에 수정 사항을 추가합니다. 수정에는 SYNC 메시지가 수신된 입력 포트의 측정된 와이어 지연이 포함됩니다. 투명 시계의 경우 수정에는 브리지를 통한 지연도 포함됩니다. 이 수정은 노드를 홉 단위로 횡단할 때 누적됩니다. SYNC 메시지가 최종적으로 슬레이브에 도착함에 따라 SYNC 메시지의 누적 수정에는 마스터에서 슬레이브까지의 전체 지연이 포함됩니다. 이것은 슬레이브가 마스터와 메시지를 주고 받을 필요가 없도록 합니다. P1588P는 최신 IEEE XNUMX 기술이며 현재 배포된 모든 장치가 PXNUMXP를 지원하는 것은 아닙니다.

3.3.2. 멀티캐스트 및 유니캐스트 구성

원래 PTP는 멀티캐스트로 정의됩니다. BMCA는 멀티캐스트 메시지를 사용하여 grandmaster 그리고 멀티캐스트를 통해서만 슬레이브는 사용자 설정 없이 스스로 마스터를 찾을 수 있습니다.

더 큰 네트워크에서 멀티캐스트 통신은 훨씬 더 많은 트래픽을 생성하며 일부 네트워크는 다른 이유로 멀티캐스트를 지원하지 않습니다. 이러한 경우 유니캐스트 작업이 가능한 솔루션입니다. 유니캐스트 통신을 사용하는 경우 슬레이브는 미리 마스터의 주소를 알아야 합니다(사용자 구성에 의해). 슬레이브는 가능한 마스터 목록(허용 가능한 마스터 테이블)이 필요하며, 어디에서 시간을 보낼 수 있는지 알 수 있습니다.

멀티 캐스트	유니 캐스트
✅ BMCA를 통한 자체 구성 ❌ 일부 네트워크는 멀티캐스트를 차단합니다.	✅ 네트워크 트래픽 감소 ❌ 마스터의 사전 구성 필요

3.3.3. 레이어 2 및 레이어 3

레이어 2는 두 장치 간의 물리적 연결을 설정하고 종료하는 프로토콜을 정의합니다. 아래에 IEEE 802, 레이어 2는 두 개의 하위 레이어로 나눌 수 있습니다. MAC은 장치가 미디어에 액세스하고 전송하도록 승인하는 반면, 논리 링크 계층(LLC)은 먼저 네트워크 계층에서 프로토콜을 식별한 다음 오류 및 프레임 동기화를 확인합니다.

레이어 3이 IP 주소와 함께 작동하는 경우 레이어 2는 MAC 주소와 함께 작동합니다. MAC 주소는 각 장치에 있는 네트워크 어댑터의 고유 식별자입니다. IP 주소는 MAC 주소보다 높은 추상화 계층이므로 필연적으로 '느립니다'(이론적으로는 인간의 경험에 따르면 학문적입니다). IP 주소는 일반적으로 DHCP 서버에 의해 '임대' 또는 '할당'됩니다. MAC 주소는 네트워크 어댑터에 대한 고정 주소이며 하드웨어 어댑터를 변경하지 않고는 장치에서 변경할 수 없습니다.

PTPv2는 UDP(ISO/OSI Layer 3, Ethertype: UDP x0800) 또는 이더넷(Layer 2, Ethertype x88F7)에서 직접 실행할 수 있는 가능성을 제공합니다.

3.3.4. 1단계 및 2단계 구성

IEEE 1588 정확도의 핵심은 물리적 인터페이스에 들어가고 나올 때와 최대한 가깝게 PTP 메시지에 타임 스탬프를 찍는 기능입니다. 하드웨어를 사용하여 타임스탬프를 캡처하는 경우에만 높은 정확도가 가능합니다. 사용되는 타임 스탬프 모드에는 1단계 및 2단계의 두 가지 유형이 있습니다.

1단계 모드

메시지가 물리적 포트로 전송되기 시작하고 메시지가 전송될 때 타임스탬프가 즉석에서 추가될 때 타임스탬프가 실시간으로 캡처됩니다.

2단계 모드

메시지가 물리적 포트로 전송을 시작할 때 타임 스탬프가 실시간으로 캡처되지만 타임 스탬프는 이 메시지에 즉시 추가되지 않습니다. 처럼econdary 메시지는 캡처된 타임스탬프를 전달하는 데 대신 사용됩니다.

IEEE 1588v2의 이전 구현에서는 하드웨어가 즉석에서 타임스탬프를 추가할 수 없었기 때문에 2단계 타임스탬프 모드를 사용했습니다. 대부분의 최신 구현은 1단계 타임스탬프 모드를 지원합니다.

3가지 최고의 마스터 클럭 알고리즘:

PTP 도메인에서 모든 노드는 소위 «Announce» 메시지를 수신합니다.

An 메시지 발표 전송하는 시계의 품질 및 우선 순위 정보가 포함되어 있습니다.

없을 때 "발표하다" 정의된 간격 동안 메시지가 수신됨 노드 beco나 마스터하고 자신의 «알림» 메시지 보내기 시작
노드가 품질면에서 더 나은 «Announce» 메시지를 수신하면 노드는 «Announce» 메시지 전송을 중지하고 beco엉망 노예
노드가 품질이 더 나쁜 «Announce» 메시지를 수신하면 노드는 Master에 머물면서 정의된 간격으로 «Announce» 메시지를 계속 보냅니다.
- 네트워크가 네트워크에서 가장 좋은 노드를 결정하면 이 노드만 Announce 메시지를 전송합니다. => 1 Master, N Slave
- 이 알고리즘은 항상 실행됩니다. 즉, 다른 노드 b가eco더 낫거나 현재 마스터가 다른 노드보다 나빠짐 토폴로지 변경
이 알고리즘은 최고의 마스터 클록 알고리즘(BMCA)

3.3.5. 메시지 간격 및 시간 초과

PTP는 서로 다른 유형의 메시지에 대해 구성할 수 있는 세 가지 다른 간격을 정의합니다(3.1장에서 설명).

발표 간격:

알림 메시지의 간격은 2에서 구성 가능합니다.-7 2로7 seconds.

이 범위에서는 알림 메시지를 초당 128번 보낼 수 있습니다.econd ~ 128초마다 한 번econds.

달리 정의되지 않은 경우 설정 1이 사용되며, 여기서 매 2초econds 알림 메시지가 전송됩니다.

동기화 간격

동기화 간격에 대해 알림 메시지와 동일한 범위를 구성할 수 있습니다.

기본 설정 0이 사용되며, 여기서 모든 s는econd 동기화 메시지가 전송됩니다.

지연 요청 간격

지연 요청 간격에 대해 알림 메시지와 동일한 범위를 구성할 수 있습니다.

기본 설정 0이 사용되며, 여기서 모든 s는econd 지연 요청 메시지가 전송됩니다.

3.4. 프로필

PTP 프로필은 선택적 기능 및 속성 값의 선택입니다. 프로필의 목적은 특정 응용 프로그램에서 서로 다른 PTP 장치 간의 상호 운용성을 단순화하기 위해 가능한 PTP 속성에 대한 제한을 설정하는 것입니다.

IEEE 1588은 두 가지 기본 PTP 프로필을 정의했습니다.

기본 E2E:
레이어 3의 종단 간 동기화(2.3장 참조)

기본 P2P:
Layer 2의 P2.4P 동기화(XNUMX장 참조)

추가 프로필은 특정 응용 프로그램에 대해 다양한 산업에서 정의됩니다.

전력 산업:
IEEE 61850-9-3(전원 유틸리티 프로필), EEE C37.238(전원 프로필)

전화ecom 프로필:
ITU-T G.8265.1에 정의된 주파수 프로파일, ITU-T G.8275.1 및 G.8275.2에 정의된 위상 프로파일

방송:
SMPTE ST 2059-2 2015

TSN(방송, 자동화):
IEEE 802.1AS

4. 비교 - NTP 대 PTP

면책 조항: 아래 정보는 일반적으로 유효하지 않습니다. 비교는 요구 사항에 따라 다르며 실제 애플리케이션에서는 다를 수 있습니다! 기본적인 요소들을 대조하기 위한 시도가 이루어졌다. 각 프로토콜의 장점을 보여주기 위해 기본 요소를 서로 비교했습니다. 명확한 구분선이 없으며 애플리케이션이 궁극적으로 프로토콜 선택을 결정한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

NTP 및 PTP 시간 서버는 모두 네트워크 시간 프로토콜을 사용하여 네트워크의 다른 장치에 시간을 제공하고 시간 동기화를 달성합니다.

►'응용 프로그램 수준' 동기화에 사용되는 NTP

거친 레벨 세분성
동기화 보장 요구 사항이 존재하지 않습니다.
예: 타임스탬프 오류 로그 파일

►정밀 동기화에 사용되는 PTP

미션 크리티컬 애플리케이션
경로상의 문제를 최소화하는 전용 하드웨어
네트워크 및 장비 지터를 제거하는 고급 알고리즘

4.1. 네트워크 트래픽

두 프로토콜의 로드는 대부분 구성된 설정에 따라 다릅니다.

4.2. 클라이언트 수

NTP :

멀티캐스트 모드를 사용하면 기본적으로 클라이언트 수에 제한이 없습니다. NTP 시간 패킷은 한 번에 모든 클라이언트에 전송되므로 클라이언트 수는 서버와 관련이 없으며 부하를 증가시키지 않습니다.

유니캐스트 모드에서 NTP 서버는 클라이언트의 모든 요청에 개별적으로 응답해야 합니다. 강력한 최첨단 NTP 서버는 초당 수천 개의 요청에 응답할 수 있습니다.econd 정확도를 줄이지 않고.

클라이언트 자체의 경우 네트워크에 있는 다른 클라이언트의 수는 관련이 없습니다.

PTP :

대부분 PTP는 멀티캐스트 통신을 사용하므로 연결된 모든 장치와 함께 네트워크 부하가 증가합니다. 각 장치는 네트워크에서 전송된 모든 멀티캐스트 메시지를 처리할 수 있어야 합니다.

이 구성에서 최대 클라이언트 수는 마스터뿐만 아니라 연결된 모든 장치에 따라 다릅니다. 유니캐스트 모드를 사용하는 경우 이 제한이 제거되고 제한은 다음에 의해서만 정의됩니다. Grandmaster. Grandmasters는 초당 수천 개의 요청에 응답할 수 있습니다.econd 정확도를 줄이지 않고. 전반적으로 처리할 수 있는 클라이언트의 수는 구성된 간격에 따라 크게 다릅니다.

4.3. 애플리케이션에 적합한 프로토콜은 무엇입니까?

면책 조항: 아래 정보는 일반적으로 유효하지 않습니다. 명확한 구분선이 없으며 애플리케이션이 궁극적으로 프로토콜 선택을 결정한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

PTP와 NTP는 모두 패킷 기반 네트워크를 통해 시간 동기화를 제공합니다. 그러나 두 프로토콜이 모두 동일한 응용 프로그램에 사용되는 것은 아닙니다. 어떤 프로토콜이 선호되는지는 시스템의 요구 사항에 따라 다릅니다.

NTP는 Millis 범위의 동기화 정확도가 필요한 모든 응용 프로그램에 대한 선택입니다.econds로 충분합니다. 이러한 응용 프로그램의 경우 NTP가 가장 간단하고 가장 eco노멀 솔루션. 안정적이고 견고하며 구성이 간편합니다. NTP는 기본 네트워크에 특별한 구성이나 장비가 필요하지 않습니다.

일반적인 NTP 애플리케이션은 다음과 같습니다.

시계 동기화
로그 파일

더 높은 수준의 정밀도가 필요한 경우 PTP가 필요합니다. PTP 서브 마이크로econd 또는 나노econd 정확도가 가능합니다. PTP의 핵심은 하드웨어 타임스탬프입니다. 타임스탬프가 와이어 근처에서 발생하는 경우에만 이 높은 수준의 정확도에 도달할 수 있습니다. 단점은 전용 하드웨어와 엔지니어링 네트워크가 필요하다는 것입니다.

일반적인 PTP 응용 프로그램은 다음과 같습니다.

전화ecom – 기지국 동기화
트래픽 제어 – 다른 제어 장비 또는 다른 사이트의 동기화
방송 – 오디오 및 비디오 장비의 동기화
에너지 – 변전소 동기화
뱅킹 – 고속 거래를 위한 동기화

5. 모바타임은 어떻게 지원하나요?

모바타임 제공 NTP 및 PTP 제품, PRC, PTP IEEE1588 V2, NTP 등과 같은 고정밀 인터페이스를 제공하며, 정확도는 물론 추적성이 뛰어난 장점이 있습니다. Grandmasters와 Time Server는 중대형 인프라 네트워크를 위한 Global Navigation Satellite System을 사용하여 동기화를 지원하는 시간, 펄스, 위상 및 주파수 솔루션을 제공하기 위해 수정 또는 원자 발진기가 장착되어 있습니다.

NTP 시간 서버 높은 정밀도와 신뢰성으로 네트워크를 동기화합니다. IT 네트워크의 모든 시스템은 NTP를 통한 동기화 덕분에 정확한 시간을 갖습니다. 따라서 정확한 타임스탬프 덕분에 이벤트를 시간순으로 정렬할 수 있습니다.

모든 네트워크 환경을위한 고정밀 시간
다양한 애플리케이션을위한 NTP (Network Time Protocol) 시간 서버
복잡한 시계 시스템에서 사용하기위한 조합 시간 서버 마스터 시계

PTP Grandmasters 최대 정밀도와 가용성을 나타내는 결합된 시간 및 동기화 시스템입니다. IEEE-1588로 사용할 수 있습니다. PTP grandmaster예를 들어 고주파 거래 분야에서 엄격한 MiFID II 시간 정확도 사양을 준수하기위한 기본 요구 사항을 충족합니다.

루비듐 발진기로 인한 매우 안정적이고 고정밀
프리휠 모드에서 매우 정확
다양한 애플리케이션을 위한 PTP(Precision Time Protocol) 타임 서버

PTP 슬레이브 제품 - DTS 4020.타임브리지 PTP 신호를 레거시 신호로 변환할 수 있습니다.

데이터 테스트 및 수집을 위한 Precision Time Protocol

지난 수십 년 동안 다른 기기간의 동기화를 위해 수많은 시간 설정 메커니즘이 개발되었습니다. 네트워크 타임 프로토콜(NTP: Networked Time Protocol)은 최초의 표준 이더넷 기반 시간 동기화 프로토콜 중 하나입니다. 1982년에 개발된 뒤 1994년에 NTP 버전 4로 업데이트 되어 지방 또는 공공 시간 설정의 원천 소스로 사용되고 있습니다.

1956년 연구에 기초한 Inter-Range Instrumentation Group(IRIG) B 타임 코드는 분산 시스템을 동기화하기 위한 또 하나의 대안입니다. 이 경우 정밀 시간 설정을 위한 소스로서 위성 기반 리시버가 사용됩니다. 이때 타이밍 정보는 아날로그 또는 디지털 신호로 직접 전송됩니다.

1985년부터 사용되고 있는 FireWire는 2002년에 IEEE1394b로 표준화되었으며, 이 프로토콜은 자동 시간 동기화 메커니즘을 제공하기에 사용이 편리합니다. 주변장치 분야에서는 소비자 및 전문가 시장 모두 IEEE1394b 표준을 폭넓게 수용하고 있습니다. 예를 들어, 모든 HBM QuantumX modules 에는 FireWire 포트가 2개 달려 있습니다.

NTP, IRIG B, IEEE1494b 등의 표준에서도 이더넷 기반시설을 사용하여 분산 시스템을 동기화할 필요성이 대두되었습니다. 특히 적은 비용으로 Flexible 함 과 동시에 편리성을 높이기 위해서는 새로운 접근법이 필요했습니다. 산업용 기반시설에서부터 소비자 시장인 일반가정에 이르기까지 기기간 통신 또는 인간과 기기간의 통신에서 이더넷이 사실상의 표준으로 자리잡았습니다.

시간 동기화, 얼마나 정확한가?

우리는 회의나 행사 때 시간 맞춰 도착하기 위해 시계를 이용합니다. 스포츠의 경우 몇 분의 1초로 승패가 결정되기도 합니다. 증권거래소의 고속 거래에서는 마이크로초(μs)의 차이가 수천 달러의 매수가와 매도가를 바꿀 수 있습니다. 시험 및 계측 어플리케이션의 경우, 동일 시점에 포착된 물리 프로세스와 정확히 일치하는 초정밀 시간 스탬핑이 이뤄진 신호입력은 실시간 또는 후처리 모드에서 측정 데이터의 적합성을 검토하고 분석하는 데 중요한 역할을 합니다. 물론 위 사례를 비롯한 기타 여러 경우에 시계의 '정확성'이 무엇인가에 대한 정의는 특정 어플리케이션에 따라 달라집니다.

절대 시간(Absolute Time)과 상대시간(Relative Time)의 차이는 무엇일까?

절대 시간(Absolute Time)은 측정 데이터를 어떤 실생활에 대응시켜야 할 때, 또는 둘 이상의 DAQ 시스템이 동일 네트워크상에 있지 않을 때 필요합니다. 절대 시간이 적용되는 예로 교량을 통과하는 열차의 하중 영향을 모니터링하는 과정에 과적 경고 등의 추가 조치를 위해 열차 식별이 요구될 때를 들 수 있습니다. 절대 시간은 시간을 클럭(clock)으로 표시함으로써 분명하게 얻을 수 있습니다.

절대 시간의 소스가 될 수 있는 것은 다음과 같습니다.:

Precision Time Protocol(PTP) 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)
- 연구실용은 Meinberg사의 GPS 기준
- 모바일용은 OMICRON사의 GPS 기준
GPS 센서
- GPS 센서의 정밀측위서비스(PPS)를 직접 사용
- DAQ 작업을 시작할 때 프로토콜 기반의 절대 시간을 인수
네트워크 타임 프로토콜(NTP) 마스터
- 예를 들어, NIST 등, 인터넷 액세스로 일반이 사용 가능
- 로컬에서 전송 가능하며 Hopf 또는 Meinberg사 GPS 기준
- PC상에서 작동하며 운영체제에서 절대 시간 수신
저주파수 지상파에서 송신된 무선신호
- 예: 독일의 PTB가 운영 중인 DCF-77(원자시계)
심플 네트워크 타임 프로토콜(SNTP) 타임서버

대부분의 시험 및 계측 어플리케이션 또는 프로세스, 특히 시험을 재현할 수 있고 복수 신호간 상대 시간이 가장 중요할 때는 상대 시간 시스템을 사용할 수 있습니다. 만약 사용해야 하는 경우에는 절대 시간이 META 데이터의 일부가 되거나 파일명 자체에 포함시켜도 무방합니다(예: 015-08-03_RLDA-test_Viper_No12).

때로는 시간 정확도가 리액션(reaction), 레이턴시(latency) 또는 리얼타임(real-time)과 연관되는 수가 있습니다. 리얼타임 기능은 예를 들어, EtherCAT, ProfiNET, EtherNET/IP또는 기타 여러 제조사의 필드버스와 같은 리얼타임 버스를 통해 이용이 가능합니다.

하나의 DAQ 장비로 Real-time 과 high-speed 분석을 동시에 할 때 고려할 점은 ?

우리는 시험 및 계측 과정에서 매우 다양한 어플리케이션을 처리합니다. 시험 및 계측은 시간 동기화 측정 및 데이터 분석에 중점을 둡니다. 그 예로 구조부하시험, 차량시험, 실차 하중 데이터 수집(RLDA), 교량 모니터링 등이 있습니다. 또한 시험 및 계측은 시뮬레이션, 자극, 제어, 인더루프(in-the-loop)에 중점을 두는 동적 액추에이터 기반의 실험실 시험을 다루기도 합니다. 이 경우 분석을 목적으로 하는 데이터 수집이 큰 역할을 하지 않습니다. 다음은 주요 고려 사항입니다.

일부 어플리케이션은 데이터 분석을 목적으로 채널당 최대 100kS/s 이상의 데이터 전송 속도를 사용합니다. 실시간 응답은 주요 기준이 아니며 일반적인 리얼타임 버스에서는 가능하지도 않습니다. 더 복잡해질 뿐 아니라 자유도가 저하되기 때문입니다.
초정밀 계측기는 24 Bit Sigma Delta AD 변환기 및 필터와 함께 작동하므로 위상편이와 시간지연을 초래합니다. 실시간 어플리케이션은 밀리초 범위의 결정론에 초점을 맞추며 짧은 시간응답 특성을 필요로 합니다.
'분석'과 '제어'는 그 특성, 작업 흐름, 용도 및 책임이 서로 다릅니다. 이 둘을 하나의 솔루션으로 결합할 경우, 즉, 동력계 테스트 스탠드 또는 전기부하를 가동하는 동시에 시험대상 시스템(구동계통)에서 고속의 동적 데이터를 얻을 때는 충돌이 발생할 수 있습니다. 따라서 '제어'와 '분석'을 병행해야 할 때는 책임과 작업흐름을 분할시켜야 합니다.
현재는 고성능 실시간 버스와 관련하여 제정된 국제표준이 없습니다. 다만 ProfiNET RT, EtherCAT, 기타 여러 솔루션이 글로벌 기업에 의해 주로 자체 시장, 특정 어플리케이션에 맞게 독자기술로 개발되었을 뿐입니다. IEEE의 Time-Sensitive Networking(TSN) 태스크 그룹은 IEEE802.1AS의 일부로 실시간 이더넷 버스 표준을 제정하기 위해 현재 작업 중입니다. DAQ 솔루션은 게이트웨이를 사용하면 다양한 실시간 버스와 링크를 이용할 수 있습니다.
Real-time 은 실시간으로 작동하는 마스터 어플리케이션을 필요로 합니다. Reconfiguration 을 위해서 이 마스터를 정지시킬 수는 없습니다.

Real-time의 뜻은? Time latency 란?

리얼타임이란 제어 또는 측정 시 센서 -> 앰프 내 알고리즘 -> 응답 및 액추에이터 반응 단계가 짧은 시간 내 일어나는 것을 말합니다.

대기시간이란 제어 알고리즘을 설계할 때, 또는 주어진 최대 시간 이내에 응답이 필요할 때 고려해야 하는 요소입니다. 실시간 제어 어플리케이션은 일반적으로 센서에서 컨트롤러까지 고정적이면서도 대기시간이 매우 짧아야 합니다. Ethernet TCP/IP, CANbus 또는 PC 기반 등, 비결정적 프로토콜에서는 대기시간이 유동적입니다. 대기시간은 예를 들어, 데이터값과 함께 전송된 타임스탬프를 고려하지 않거나, 또는 고려할 수 없는 상황에서 모니터링 목적으로 데이터가 실시간 컨트롤러로 스트리밍되는 경우에도 역할을 수행합니다.

PTP(Precision Time Protocol) - IEEE 1588:2008 또는 PTPv2란? PTP의 작동 원리는?

PTP는 IEEE1588 및 IEEE1588의 2008년 2차 개정판으로 제정된 국제표준입니다. Precision Time Protocol(PTPv2)는 서로 다른 장치의 클럭을 동기화하여 마이크로초(μs) 이하의 시간 정확도를 달성하는 데 사용되는 네트워크 기반의 시간 동기화 통신 프로토콜입니다. PTPv2는 이더넷 기반의 프로토콜입니다. NTP와 비교하면, PTPv2는 물리계층에 포함되므로 이더넷 네트워크상의 모든 장치에 대한 정밀 시간 동기화를 실현하는 진정한 하드웨어 기반 타임 스탬핑이라고 말할 수 있습니다. PTPv2는 상대적 시간 동기화 메커니즘입니다. 어느 한 장치를 마스터 클럭으로 작동하도록 선택하면 이 마스터 클럭은 모든 슬레이브에 시간 동기화 메시지를 전달합니다. 시간 동기화 텔레그램이 네트워크로 전송되면서 동기화 프로세스는 시작됩니다. 모든 장치(슬레이브)는 자신의 로컬 타임과 마스터 클럭 사이의 시간 차이(지연)를 계산하여 단계적으로 2 µs 이내에 이 시간 차이에 적응합니다. 예를 들어, PTP 소스가 시간 1:00:00 pm을 알리는 PTP 메시지를 보낸다고 가정하겠습니다. 문제는 이 메시지가 행선지에 도달하기까지 시간이 걸리는 것입니다. 만약 PTP 패킷이 소스에 도달하는 데 1초가 걸렸다면, 소스가 1:00:00 pm을 나타내는 PTP 패킷을 받을 때면 1:00:01 pm이 될 것입니다. 따라서 네트워크 레이턴시를 보상해야 하는데, 다음 그림에서 보는 것처럼 이는 마스터와 슬레이브 클럭 사이에 교환된 일련의 메시지를 통해 달성할 수 있습니다.

1. 마스터 클럭이 동기화 메시지를 전송합니다. 동기화 메시지가 마스터를 출발한 시간에는 t1이라는 타임스탬프가 붙습니다. t1은 동기화 메시지 자체에 포함(한 단계 동작)되거나, 아니면 Follow_Up 메시지로 전송될 수 있습니다(두 단계 동작).
2. 슬레이브가 동기화 메시지를 수신합니다. 이 수신 시간이 t2입니다.
3. 슬레이브는 Delay_Req 메시지를 전송합니다. 이 메시지가 슬레이브를 출발할 때의 시간이 t3, 마스터가 이 메시지를 받을 때가 t4입니다.
4. 마스터는 타임스탬프 t4가 포함된 Delay_Resp 메시지로 응답합니다.

예: 초기의 마스터 시간이 100초, 슬레이브 시간은 80초. 시간이 슬레이브에서 조정되는 원리는 다음과 같습니다.

모든 PTP 장치가 PTP를 지원해야 하는데, 여기에는 이더넷 스위치는 포함되나 데이터 수신 장치(즉, DAQ 소프트웨어를 실행하는 PC)는 포함되지 않습니다. DAQ 모듈에 있는 클럭을 보통 클럭(Ordinary Clock)이라 부릅니다. 이더넷 스위치에 있는 클럭은 경계 클럭(Boundary Clock)이라 부릅니다. 절대 시간 정보를 제공하는 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)이 없을 경우 마스터가 자동으로 선택됩니다. 이와 같은 메커니즘을 BMC(Best Master Clock) 알고리즘이라고 합니다.

일부 DAQ 토폴로지(topology)는 여러 스위치를 연결한 Line 구조 또는 Ring 구조이며, 따라서 경계 클럭은 고유의 제어 루프를 사용합니다. 그 대안으로서 이른바 투명 클럭(Transparent Clock: TC)은 종단간(End-to-End: E2E) 싱크 제어 및 Follow-up 메시지를 허용합니다. 투명 클럭이 도입됨으로써 가변적인 스위치 레이턴시를 교정할 수 있는 훨씬 간단한 솔루션이 가능해졌습니다. 투명 클럭의 기본 개념은 PTP 이벤트 메시지가 스위치 내에서 소비한 시간(이른바 체류시간)을 측정하는 것입니다. 체류시간은 메시지 그 자체에 의해, 아니면 이후의 Follow_up 또는 Delay_Resp 메시지에 의해 수신자에게 보고됩니다. 이러한 목적을 위해 이른바 정정 필드(Correction Field)라는 새로운 메시지 필드가 추가되었습니다. 정정 필드는 일종의 시간 간격으로, 메시지 경로에 따른 체류시간 집계나 그 외 정정에 사용될 수 있습니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 설정 불필요: 투명 클럭은 계산이 불필요하며 BMC 알고리즘의 계산에서 고려하지 않아도 되므로 관리 메시지를 송수신할 필요가 없습니다.
• 장애 발생 시 네트워크를 신속히 재구성할 수 있습니다.
• 셋업시간 단축: 초기화 단계 및 토폴로지 변경 후, 투명 클럭은 유효한 동기화 경로의 일부로 간주되지 않는 한, 마스터 클럭과 재동기화할 필요가 없습니다.
• 소규모 구성에 최적.

Peer-to-Peer (P2P)를 사용하는 투명 클럭(Transparent Clocks)은 서브네트에 접속되는 장치의 수에 적절히 대응할 수 있을 뿐 아니라 네트워크 토폴로지 변화에 대응하여 신속한 복구가 가능합니다. 따라서 이 메커니즘은 확장성이 크게 향상되므로 캐스케이드 토폴로지(cascaded topology)(데이지 체인(daisy chain)으로 연결된 스위치를 다수 사용하는 대규모 시스템)에 가장 적합합니다.

PTPv2 의 장점은?

PTPv2는 표준화된 프로토콜을 사용하므로 다양한 벤더의 서로 다른 장치 타입 사이에 시간 동기화가 가능
DAQ modules 사이의 거리 확대 가능
여러 HBM 제품라인 사이에 상호 동기화 가능. QuantumX, SomatXR, Genesis High Speed 제품은 PTPv2를 지원하며 다음을 포함하여 모든 상황에서 데이터 수집이 가능:
o 분산, 모바일, 옥외 가혹한 환경
o 수백 개의 채널을 보유하거나 매 초 및 채널마다 엄청나게 많은 샘플이 있는 실험실 시험 또는 필드 테스트
고속의 데이터 전송속도로 작업 시 모든 장치 사이에 마이크로초(μs) 미만의 높은 시간정밀도
이더넷을 표준으로 사용
관리가 불필요한 간단한 설정o 자동 마스터 선택
o 마스터 장애에 대한 견고성(스마트 슬레이브)
o 토폴로지 변경에 대한 견고성
o 연속적인 시간 척도('점핑' 타임스탬프나 롤 오버가 없음)
필요 시 절대 시간 사용

PTP의 이점이 부각되는 대표적인 어플리케이션은 다음과 같습니다.

• 아래와 같은 용도로 사용되며 매우 광범위하게 분산되어 있는 데이터 수집 모듈:
   o 대형 지상차량(열차, 건설중장비)의 모바일 테스트: 제동장치, 동력, 구조 등
   o 항공기의 실험실 테스트: 기계(Iron Bird), 구조(내구성)
   o GPS 기반의 절대시간을 이용한 대형 구조물 모니터링: 교량, 타워, 풍력발전소
• 아래와 같은 용도로 사용되는 하이브리드 데이터 수집 장치:
   o 채널당 2 MS/s로 전압, 전류를 수집하는 고속 데이터 수집 장치 Genesis High Speed와 기계 센서, 온도 센서의 데이터를 수집하는 중속의 QuantumX를 결합한 전기자동차 또는 하이브리드자동차 동력계 시험
   o 항공기의 실험실 테스트: 전기(Copper Bird 시험장치)
   o 기계류 또는 발전기의 실험실 테스트: 전기, 기계, 열
   o 카메라, 휠 포스 트랜스듀서(wheel force transducer), 기타 아날로그 또는 디지털 차량 버스 데이터 보조기기를 사용한 동적 차량 시험 또는 모니터링
   o 임의의 용도에 따라 다양한 벤더의 서로 다른 DAQ 시스템을 결합
• 기존 아날로그 데이터 수집 장치에 카메라 또는 기타 정보원을 결합한 혼합 시스템 아키텍처

DAQ 소프트웨어에서 PTP를 ‘매개변수화’하는 절차는?

QuantumX는 다양한 시간 동기화 메커니즘을 지원하므로 처음 네트워크를 설정할 때는 매개변수화 작업이 필요합니다. 디폴트 또는 AUTO 시스템 클럭 타이밍 메커니즘은 FireWire입니다. 추가로 다음과 같은 타이밍 소스 또는 메커니즘을 선택할 수 있습니다.

PTPv2
NTP
IRIG-B
EtherCAT

PTPv2를 매개변수화 할 때는 HBM의 catmanEasy, MX Assistant 또는perception 과 같은 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

추천할 만한 이더넷 PTP 스위치 및 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)은?

PTPv2 스위치 선택 시 고려해야 할 기본 특성은 아래와 같습니다.

IEEE1588:2008 (PTPv2) 지원
Transparent Clock (TC)
지연 메커니즘: End-To-End (E2E) or Peer-To-Peer (P2P)
전송 메커니즘: IPv4 or IPv6

추천할 만한 스위치

HBM: 아래 파라미터를 갖는 기가비트 이더넷 스위치 EX23-R:
- 시스템 디자인: 10 포트, DC 10-30 V 전원, IP65/IP67, 내충격 특성의 견고한 옥외용 변형제품
- Delay Mechanism: E2E
- Transport Mechanism: IPv4, IPv6.
지멘스: Scalance XR324-12M
- 시스템 설계: 최대 16 포트(전기식 또는 광학식)의 랙 사이즈 변형제품
- Delay Mechanism: E2E
- Transport Mechanism: IPv4/UDP
- Mode: Transparent Clock

Hirschmann: RSP 이더넷 스위치
- System design: DIN rail mounted with 11 ports in total
- Delay Mechanism: E2E

Oregano Systems: syn1588® Gbit 이더넷 스위치
- System design: Desktop variant with 8 ports
- Delay Mechanism: 1-step with E2E
- Transport Mechanism : IP4 (IPv6 has not been tested)
- Mode: Transparent Clock (no parameterization)

B&K: LAN-XI 시리즈 PTPv2 스위치
- System design: Desktop with 8 ports electrical and 2 optical

기타 스위치(시판되고 있으나 미검증):

CISCO: IE 3000 Switch
MOXA: PT-7728-PTP Rack Type Switch
MOXA: EDS-405A-PTP Series

추천할 만한 이더넷 그랜드마스터 클럭(Clocks)

PTP는 '최상 클럭' 메커니즘을 지원하므로 그랜드마스터 클럭을 네트워크에 내장하는 것이 필수사항은 아니지만, 어플리케이션에 따라 절대 클럭 정보가 필요한 경우도 있습니다.

Meinberg: LANTIME M600 - IEEE 1588-2008 Grandmaster Clock (GPS based)
Omicron: OTMC 100 (integrated GPS)
Your PC can be used as Grandmaster Clock as well
- We then recommend using a network adapter with Intel i210 chip.

PTPv2의 PTPv1에 대한 하향 호환성?

PTP 버전1은 주로 시험, 계측 및 산업자동화가 그 대상으로, NTP 기능을 초과하는 성능의 LAN에서 사용하기 위한 멀티캐스트 프로토콜(multicast protocol)입니다.

PTP 버전2, 즉 IEEE-1588-2008은 버전1을 강화한 것입니다. 양 버전은 서로 호환되지 않습니다. PTPv2 표준의 주요 기능은 다음과 같습니다.

   • 멀티캐스트 메시지
   • 2스텝 클럭
   • 피어투피어(P2P) 또는 종단간(E2E) 지연 메커니즘
     • 동기화 간격: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 또는 128 패킷/초
     • 지연 요청 간격: 1, 2, 4, 8 또는 16 초
     • 전송 프로토콜 지원: IPv4 및 최신 IPv6

PTPv2 사용 시 정확도는?

시간 정확도는 네트워크 및 장치의 종류에 따라 큰 차이가 있습니다. 네트워크상의 모든 장치를 PTPv2를 100% 지원하는 사설 LAN으로 설정할 것을 추천합니다. 사설 LAN 구성의 경우, 장치 대 장치 및 그 채널의 시간 정확도는 100 나노초까지 낮출 수 있습니다. 다만, 서로 다른 데이터 전송속도와 필터가 타이밍 지터(timing jitter) 및 위상 지연(phase delay)을 초래할 수 있다는 점을 고려해야 합니다.

하드웨어 타임 스탬핑과 소프트웨어 타임 스탬핑의 차이?

가장 큰 차이는 달성 가능한 동기화 정확도입니다. 예컨대 NTP에서 사용되는 소프트웨어 기반 타임 스탬핑이라면 소규모 네트워크의 경우 슬레이브 동기화 정확도를 100마이크로초(μs)까지 높일 수 있지만 일반적으로 1ms까지 가능합니다. 하드웨어 기반 타임 스탬핑에서는 동기화 시간 정확도를 100 나노초까지 달성할 수 있습니다. 다만, 이 정도의 정확도를 얻기 위해서는 스위치, 슬레이브 하드웨어(slave hardware) 등의 네트워크 토폴로지가 하드웨어 타임 스탬핑을 지원해야 합니다.

표준 스위치를 사용해도 되는지, 그럴 경우 어떤 영향이 있는지?

PTP를 지원하지 않는 스위치를 사용하면 리스크가 있습니다. PTP 메시지 전송은 트래픽에 영향을 받습니다. 따라서 전반적인 시간 설정에 있어서 트래픽이 결정적으로 중요합니다. 스위치가 QoS를 지원할 경우, PTP 패키지의 우선순위 상향조정 원칙에 따라 이 문제는 해결할 수 있습니다. 일반적으로 PTPv2가 지원되지 않는 스위치 사용은 권장되지 않습니다. 최악의 경우에는 PTP 패킷이 유실되고 그로 인해 필수 데이터의 신뢰도를 보장할 수 없게 됩니다

https://www.hbm.com/kr/5143/precision-time-protocol/