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你知道嗎 - GPS 網路時間同步如何運作?

已更新:8月19日


無論你是要讓人們出席會議,或是管理可擴充的雲端商業應用,同步性(Synchronicity)真的非常重要。無數的利害關係人和機器在你的流程中扮演重要角色。讓他們都在同一時間表上,才能讓你的組織成為一個有凝聚力的團體向前邁進。


就網路硬體而言,你無法承受時間上的差異。以下是網路時間同步的運作方式,及如何讓你的作法更有效率。



關於網路時間同步:計時通訊協定簡介

有許多方法可以確保你的伺服器、保全系統、媒體錄影機及其他裝置都同步運作。幸運的是,你無需手動設定時鐘或拼湊自己的計時工具和shell指令碼(Shell Script)。


由於存在廣為接受的協定,因此可採用符合規範的系統,並確保系統能如預期的溯源時間。首先,讓我們先快速的瞭解兩種最常見的計時系統:網路時間通訊協定(Network Time Protocol – NTP)及精確時間通訊協定(Precision Time Protocol – PTP)。


GPS 網路時間同步 - 網路時間通訊協定

網路時間通訊協定(NTP)

NTP標準採用伺服器來提供用戶端(例如:你網路上的電腦)當前的世界協調時間(Coordinated Universal Time – UTC)資訊,以回應個別請求。雖然你的硬體可向網路上許多不同的伺服器請求目前的時間,但由於系統滯後(System Lag)和延遲(Latency)等因素,有些裝置所提供的資料,會比其他裝置更精確。


這些網路中的計時伺服器(Timekeeping Server)被安排在不同的階層(Strata)中,也稱為層(Layer)。最精確的裝置存在於第0層,它們包括原子鐘、無線電鐘及其他高精度時鐘,例如:在NIST實驗室(National Institute of Standards and Technology - 美國國家標準暨技術研究院))和GPS衛星中找到的那些。Stratum 1伺服器也稱為主要時間伺服器(Primary Time Server),直接連接至Stratum 0裝置及其同層對等的裝置。


本協議也:


  • 讓用戶端連接至多個NTP伺服器,以進行資料備份、提高準確性和測試目的

  • 修正通訊延遲和個別時鐘漂移(Clock Drift)

  • 使用標準化的64-bit UDP封包(Packet),理論上可達到皮秒(Picosecond - 萬億分之一秒)的計時(Timing),並確定136年內的日期

  • 允許點對點通訊(Peer-to-Peer Communication)、廣播、多播(Multicasting)、校正及安全MD5雜湊演算法(Hash Algorithm)


此協定的另一個變體稱為SNTP(Simple Network Time Protocol - 簡易網路時間協定),採用相同的封包和訊息格式,主要差別在於SNTP的精確度較低。由於用戶端無法從多個來源取得時間資料或使用MD5檢查碼(Checksum),因此很容易受到一般網路不準確性,及惡意代理程式(Malicious Agent)故意提供錯誤時間戳記(Timestamp)的影響。


精確時間通訊協定(PTP)

精確時間通訊協定(Precision Time Protocol - PTP)定義於IEEE 1588,有助於NTP精度不足的應用。利用基於硬體的時間戳記,它可提供更精確的同步。


與其由用戶端要求計時資訊,不如由主時鐘透過傳送資料與用戶端建立聯繫,以維持同步。當PTP主時鐘與其同步的時鐘進行通訊時,從一台機器傳送到另一台機器的資訊,在每次停止時都會獲得時間戳記。


為什麼時間戳記很重要?這些連續記錄可作為參考,有助於量化主時鐘與特定從屬時鐘之間存在多少網路延遲。這些功能讓符合IEEE 1588的裝置能夠:


  • 彌補本地網路條件(Local Network Condition)所造成的延遲,並修正時間戳記,以便計入這些延遲

  • 使用稱為最佳主時鐘(Best Master Clock - BMC)的演算法,從一系列候選時鐘中,選擇最適合的時鐘來源

  • 可靠溯源時間至納秒(Nanosecond - 或十億分之一秒)及皮秒等級

  • 支援多樣化的網路地形圖(Network Topography),例如:所有從屬時鐘都連接至單一的主時鐘,或主時鐘傳送時間資料至邊界時鐘(Boundary Clock),再由邊界時鐘同步其他從屬時鐘(Slave)


美國 Masterclock GMR1000


為什麼全球定位系統與時間同步相輔相成

透過使用專用的硬體裝置,PTP網路可將不可預見因素所造成的延遲降至最低。舉例來說,計時軟體通常必須面對本機作業系統資源不足、網路通訊延遲無法量化等挑戰。


有許多方法可以克服這些障礙。其中一種廣為接受的技術是使用包括高精度GPS衛星的同步參考(Synchronization Reference)。


全球定位系統(GPS)

全球定位系統(Global Positioning System),也就是一般所說的GPS,不只是讓消費者在度假旅途中找到路。此系統由固定的特殊軌道衛星星群所組成,每顆衛星都載有:


  • 穩定的Stratum 0原子時鐘(Atomic Clock)硬體

  • 先進的位置追蹤電路(Location Tracking Circuitry)

  • 不斷廣播其位置及時鐘時間的發射器


這些衛星都同步於同一時間,並因其地球同步軌道而有已知的位置。因此,接收器可以收聽多個廣播來源,並使用有些類似三角定位(Triangulation)的三角測量(Trilateration)來確定自己的位置和時間偏差。


彌補失去的時間

雖然全球定位系統非常精確,但也不是沒有問題。衛星網路採用自己的時間標準,這與我們在地球上使用的時間標準並不完全一致。


我們的星球自轉的速度並不相同,這種現象是由以下因素造成的:


  • 大規模的海流造成潮汐加速度,使我們世界的自轉速度減慢,日數逐漸延長

  • 地球內部流體金屬核心的移動

  • 不斷變化的大氣流動


為了處理這些因素,世界協調時間(Coordinated Universal Time)引入了閏秒(Leap Second),將其附加至時間上,使其與原子時間保持精確鎖定。然而,與極其可預測的閏年不同,這些額外的秒會在需要時加入,以確保 與平均太陽時間或UT1(世界時鐘)的差異不會超過0.9 秒。


GPS並不適用這些額外的秒數,因此它仍與1980年的UTC方式相連。因此,衛星必須播送額外的偏移(Offset)資訊,讓接收器知道他們需要調整多少估計值。


實際應用

使用者應該如何選擇GPS NTP伺服器硬體?


不同的網路計時選項各有利弊。雖然精確度絕對是正面的因素,但若要為每一台連網的機器都配備直接連結至Stratum 1來源的裝置,其成本可能會過於昂貴。或者,你可能會發現你的系統控制應用程式更重視本地同步,而非匹配外部UTC來源。


如何找出符合你目的的時間解決方案?專用GPS NTP伺服器具有許多優點。

美國 Masterclock NTP100-GPS 伺服器

可合法溯源的時間

可溯源性(Traceability)描述了你的時間估算結果與特定參考之間的關係。舉例來說,在網路計時的世界裡,你可以建立一個可溯源性鏈,將你的計時測量與其來源連結起來。然後,你就可以使用此鏈來滿足合法(Legal)的要求。


例如,你可將計算測量結果時所使用的各個來源的不確定性相加,進而為利害關係人及使用者,提供測量結果總模糊性(Ambiguity)的精確估算。這樣的精確度,在關鍵應用需要計時的時候非常重要,例如:


  • 財務交易(Financial Transaction)

  • 製造控制(Manufacturing Control)

  • 網路運作(Network Operation)

  • 商業投資(Commercial Venture)

  • 視訊監控(Video Surveillance)


提供可溯源時間的網路時間伺服器,可讓你在合法上更有地位。可溯源時間估算可讓你以不確定性測量的形式,提供額外的精確度,有助於你避免因不可避免的誤差造成損失,而被視為應負責任。


廣泛的標準符合性

最有效的伺服器不僅使用NTP。它們也熟悉PTP和其他標準。這表示你可將它們無縫整合至各種網路規劃中。


這種靈活性也延伸至計時架構(Timekeeping Architecture)的時鐘來源端。伺服器除了美國的全球定位系統(U.S. Global Positioning System)之外,也可以使用其他地球同步衛星星群,例如:俄羅斯的GLONASS系統,以取得合法可溯源的時間。這種做法很有優勢,因為採用更多資料點的系統可以產生更快、更精確的時間和定位估算。它們也可透過乙太網路接受各種同步訊號,因此可建立符合你的目的和預算限制的客製化執行方案。


你應該尋找哪些功能?請留意以下的有利條件:


  • NTP及IEEE 1588 PTP用戶端和伺服器功能

  • GPS或GNSS參考

  • MD5雜湊認證(Hash Authentication)

  • 用於安全通訊的SSH

  • IPv6相容性


功能特性與外型

隨著越來越多的企業、非營利機構及消費者,將運算作業轉移至雲端及其他獨特的網路架構,他們所使用的硬體也必須隨之進化。即使你將時間設備設置在室內,堅固耐用的重要性亦是不言而喻。


舉例來說,如果空調處理器在盛夏發生故障,你有信心你的伺服器能承受酷熱的自動化倉庫中的濕度嗎?如果你資料中心的基礎架構管理系統發生故障呢?你的設備應該針對相當廣泛的環境及電源供應條件進行評估,以確保意外發生時,不會造成營運連續性的缺口。


除此之外,請記住穩健性不只是物理實體上的,可靠的時間伺服器,即使在沒有衛星連線的情況下,也能正常運作。在訊號遺失的情況下,它們會使用高準確度的內部振盪器,來持續計算極小秒數的流逝。由於製造商會在伺服器失去訊號源的鎖定時,以極高的精確度校準這些裝置,因此振盪器可以補償任何漂移,直到GPS衛星或其他訊號源的訊號恢復為止。


其他功能讓你更容易建立獨特的網路,而不只是記錄時間。例如,有些伺服器具有可程式化的繼電器(Programmable Relay),你可根據自訂的每日排程來切換電路開關。



實施優異的網路計時 - 刻不容緩

你有許多選擇來建立有效的網路時間同步,但有一件事是你無法負擔的,那就是:一概不理。雖然硬體成本等因素的考量是再自然不過的事,但從長遠來看,投資於計時伺服器(Timekeeping Server)可為你節省金錢,因為:


  • 最小化你的組織責任

  • 更容易維持同步性

  • 運作更精確

  • 為你的客戶提供更高階的服務準確性


在建立網路時,選擇網路計時伺服器可能不是你唯一的考量,但絕對是最重要的考量之一。無論你是依賴IEEE 1588、或決定堅持使用合法可溯源時間的NTP運作,你的伺服器都需要提供經驗證過的可靠性、穩定性和彈性,以推動你的營運向前邁進。


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