Sistemi di sincronizzazione oraria

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SINCRONIZZAZIONEORARIA
ver.1.2
Sistemidisincronizzazioneoraria
copyright2015
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TableofContents
Sistemidisincronizzazioneoraria............................................................1
TableofContents....................................................................................2
Introduzione............................................................................................4
TAI-TempoAtomicoInetnazionale........................................................6
UTC-UniversalCoordinatedTime..........................................................7
LeapSecond.............................................................................................8
Gliorologiatomici.................................................................................10
DCF77....................................................................................................12
sincronizzazioneadondelunghe........................................................12
PrecisionedelDCF77..........................................................................13
Sistemidinavigazionesatellitare..........................................................15
GPS.........................................................................................................16
Sistemadiposizionamentoglobale....................................................16
FontidiinterferenzadelGPS..............................................................17
Installazionedell'antennaGPS............................................................18
Posizionamentoottimaledell'antenna...............................................19
Verificadiproblemisull'antennaGPS.................................................19
PrecisionedelGPS..............................................................................20
GLONASS................................................................................................21
Sistemaglobaledinavigazionesatellitare..........................................21
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GALILEO(EU).........................................................................................24
COMPASS/BDS(Cina)...........................................................................25
IRNSS(India)..........................................................................................26
NTP|SNTP|PTP|IEC61850|SINECH1..............................................27
L'importanzadellasincronizzazioneorariaperlarete.......................27
Unmodopersincronizzarel'orasullarete.........................................28
Unmodomigliorepersincronizzarel'orasullatuarete.....................29
NTP/SNTP.............................................................................................30
LagerarchiadellasincronizzazioneorariaviaNTP.............................32
StrutturadelpacchettodatiNTP........................................................35
PTP.........................................................................................................39
IEC61850.............................................................................................41
SINECH1..............................................................................................42
IRIG......................................................................................................45
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Introduzione
Sincronizzazioneorariavuoldireallinearepiùorologituttiesattamentesullo
stessoorario(timestamp).Adundeterminatoistantet0tuttigliorologgiavranno
lastessaora,lostessominuto,lostessosecondoelastessafrazionedisecondo.
Lasincronizzazioneorariastadiventandounaspettosemprepiùcriticointuttele
areeincuièrichiestaelaborazionedati(computing).Societàfinanziaireditrading
sonostatepioniere,maoggistadiventandosemprepiùimportantenell'industria,
nellecentralielettriche,neisistemidistribuiti,nelleretiditelecomunicazionee
neicentridielaborazionedati(CED)dellegrandiaziende.
Neltrading,vogliamochepiùcomputersisuddividanoilcaricodilavororendendo
sempredisponibilel'aperturagestioneeconfermadinuovetransazioni
finanziarie.
Nellecentralielettrichelasincronizzazioneorariapermettediscollegaree
ricollegarevariramidellareteelettricasenzadaredisservizioagliutilizzatori.
Nell'industriapermettecomplessiprocessidiautomazionecreandoordinenel
flussodidatichearrivanodaeversoivarisensoriedattuatori.
NeiCEDvogliamoaccessiinletturaescritturasuidischiemodifichemultiplein
parallelosuidatabaseutilizzandoitime-stampsdegliorologgisincronizzatiper
risolvereeventualiconflitti.
Nell'ingegneriacivilevogliamosincronizzarelaraccoltadidatidimonitoraggio
inviatidavarisensoriinstallatisuinfrastrutturequaliponti,grattaceli,ferrovie,...
cheraccolgonodatisullevibrazioni,oscillazioni,corrosioni,venti,...
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Ilprocessodisincronizzazionehacomeconcettobasequellodiregolaretuttigli
orologisuunostessoorariopresodaunorologiodiriferimento.Adesempiosi
puòpensareaquandoneifilmdiazioneilcapitanodiunasquadrachiedeai
membridelgruppodiallinearegliorologiecomunical'orariodelsuoorologio.
Questopermetteràalgruppodiagireinmanieraprecisaesincronizzata.
Lacomplessitàrispettoalconcettobaseèdatadallaprecisionedicuiabbiamo
bisognoinambito"computing".Inmolteapplicazionigliorologidevonoessere
allineatialmiliardesimodisecondo(10-9).Ladifficoltàinizialeèallineareun
orologioconiltimestampricevutodall'orologiodiriferimentoperchénonèfacile
stabilirequantotempohaimpiegatoiltimestampdell'orologiodiriferimentoad
arrivareall'orologiodasincronizzare.Inoltregliorologiclientdevonoessere
continuamenteri-sincronizzatiperchéilloroquarzointernohaunaderiva(tende
adanticipareoaritardare)equesta,anchesepiccola,nonètrascurabileperil
gradodiprecisionerichiesto.
Inoltresempredipiùgliapparatichehannobisognodisincronizzarsisono
distribuitisuretigeografichesemprepiùampiecheoltrepassanoiconfini
nazionaliedarrivanoadestendersialivellomondiale.Questohareso
indispensabilelaricercadiuntempodiriferimentoestremamenteprecisochesia
disponibilealivelloglobale.
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TAI-TempoAtomicoInetnazionale
Isecondimisuratineltemposolarenonhannoduratacostante.Conl'invenzione
dell'orologioatomiconel1948,iltempononèpiùmisuratosubaseastronomica,
masubasefisica,condandoletransizionidell'atomodicesio133.
Ilsecondoèdefinitocomeiltemponelqualel'atomodicesio133effettua
esattamente9.192.631.700transizioni(valoresceltoperrendereilsecondopari
alladuratamediadiunsecondomisuratosubasesolarenel1958).
Cisonocirca50orologiatomicinelmondo,checomunicanolapropriaora
periodicamentealBureauInternationaldel'Heure(BIH)aParigi.IlBIHcalcolail
valoremedio,cherappresentailTempoAtomicoInternazionale(TAI).
IsecondiTAIhannounaduratacostante.
Attualmente,86.400secondiTAIsonocirca3msmenodelladuratamediadel
giornosolare(le24ore).Conilpassaredeglianniquestadifferenzatendead
aumentareperchéladuratadelgiornosistàallungandoacausadiun
rallentamentodellarotazioneterrestre.
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UTC-UniversalCoordinatedTime
E'ilsistemabasatosuorologiatomici,conlacorrezionedei"leapseconds".Il
"leapsecond"èunsecondochevieneaggiuntoosottrattononappenala
differenzatrailtempoatomicoequellosolareraggiungelasogliadi800ms.Ha
sostituitoilvecchiostandarddelGreenwichMeanTime(GMT),basatosultempo
astronomico.Adoggi,sonostatiintrodotticirca50"leapseconds"neltempoUTC.
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LeapSecond
Il"secondointercalare"(LeapSecond),èstatointrodottonel1972.Daalloraè
accadutoper25volte,l'ultimadellequalinel2012
Ancheiltempohalesuestranezze.
Il2015,infatti,saràpiùlungodiun
secondo:il30giugno(ilprimoluglioin
Italia)gliorologiatomicisi"fermeranno
"Il30giugno2015gliorologi
atomicifermiunsecondo...
...peraspettarelaTerra"
unsecondoperaspettarelaTerra,ilcuimovimentodirotazioneviene
progressivamenterallentatodall'attritodioceani,mareeeatmosfera".Accade
periodicamente,maèimpossibileprevedereaqualiintervalli
GliorologiatomicisonopiùprecisirispettoallaTerraeperquestomotivo,in
modononpredicibile,siaccumulanomoltimillisecondidiritardo",prosegue
Tavelli.
Quandoilritardoaccumulatoèpariaunsecondo,laretediosservatoriche
misuralarotazionedellaTerraechecostituisceil"Serviziointernazionalesulla
rotazioneterrestreeisistemidiriferimentò(Iers)decidecheèilmomentodi
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fermaregliorologiatomicidiunsecondopersincronizzarliconilritmodellaTerra.
"LeirregolaritànelritmodirotazionedellaTerradivenneromoltoevidentinegli
anni'50e'60,quandosicostruironoiprimiorologiatomici",osservaTavella.
L'unitàdimisuradeltempo,ossiailsecondo,vennedefinitasullabasedegli
orologiatomici.Inquestomodo,però,sirischiavadiperderel'accordoconla
rotazionedellaTerra."Sidecisealloraperuncompromesso,fermandoognitanto
ilticchettiodegliorologiperchèlaTerraarrivialpasso".Ilsecondoinpiù,
chiamato"secondointercalare",èstatointrodottoil30giugno1972(ilprimo
luglioperl'Italia).Daalloraèaccadutoper25volte,l'ultimadellequalinel2012.
Quest'annoi350orologiatomicidituttoilmondofarannoscattareilsecondoin
piùallamezzanottedel30giugno(leduedelmattinodelprimoluglioinItalia).In
questomodolamisurastandardregistratadalTempoCoordinatoUniversale(Utc)
verràriallineataconlarotazioneterrestre.
Manonsitrattasolodiunacuriositàscientifica.Lospostamentodellelancettedi
unsecondocomportaancherischiperisistemiinformatici.L’ultimavoltachefu
effettuatouncambiamento,il30giugno2012,molticomputerandaronointilt,
bloccandosiperminutie,inqualchecaso,ancheperore,perl’aggiuntadiun
secondo:tralevittimeillustriLinkedIneMozilla.Arischiocisarebberoanchei
sistemidiaeroporti,borseeagenziespaziali.Avolte,bastaunsecondo.
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Gliorologiatomici
Nessunorologioalmondomisurailtempoconpiùprecisionediunorologio
atomicoeoraquestatecnologiaèdiventataancorapiùprecisa.Basatisuatomidi
itterbio,inuoviorologisono10voltepiùstabilideiprecedentiesicomportano
comependolichepotrebberooscillareavantieindietroconuntempismo
perfetto,senzamaisbagliare,perunadurataparagonabileall’etàdell’universo,
ossia13,7miliardidianni.
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Gliorologiatomici,spieganogliesperti,tengonoiltempononutilizzandogli
impulsielettrici(cheguidanoilticchettiodeisecondi),comefannogliorologi
elettronici,mautilizzanoicambiamentidell’attivitàdegliatomi.
Neinuoviorologisperimentali,iricercatoridelNistmisuranoicambiamentinegli
atomiconunastrategianuova,illaser,cheoffrel’opportunitàdiridurre
‘l’instabilità’degliorologiatomicioleoscillazionideiticchettii.Possonosbagliare
diunsecondonell’arcodimilionidianni.
Lanuova‘scoperta’rappresentaunpassoimportantenell’evoluzionedella
prossimagenerazionediorologiatomiciinfasedisviluppointuttoilmondoepuò
avereungrandeimpattonellavitadituttiigiorniperchémisurareconestrema
precisioneiltempoècrucialeperaltremisure,dallanavigazionesatellitarealla
gravitàterrestre,finoaicampimagneticieallatemperatura.
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DCF77
ConlasiglaDCF77sidefinisceunsistematedescoditrasmissionedell'oralegalee
delleprevisionimeteorologicheattraversodelleonderadio,versoun'ampiazona
dicopertura.ÈstatocreatodalPhysikalisch-TechnischeBundesanstalt(PTB)su
iniziativadelgovernotedesco.
D:Deutschland(Germania)
C:Carrier(ilsegnaleditrasportoadondelunghe)
F:Frankfurt(Francoforte)
77:77.5kHz(lafrequenzadelsegnaleditrasporto)
sincronizzazioneadondelunghe
Ilsegnaledisincronizzazioneorariaèemesso
inondelunghe,confrequenzadellaportante
paria77,5kHz,daunemettitoreda50kW;la
portatadelsegnale,conriflessionesulla
ionosfera,èdicirca1900kmdigiornoe2100
kmdinotte:riescequindiacoprirequasitutta
l'Unioneeuropeaedalcunipaesidell'Europa
orientale.Lesueantennesonosituatea
Mainflingen,neipressidiFrancoforte.Dispone
ditreorologiatomiciedistribuiscequindil'ora
assolutaconunoscartominimo.Ledueantennesonosostenutedadeicavi
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orizzontali,sostenutiinposizionedadiversipilastridellalunghezzadicirca200
metri.
Questastazionetrasmettecontinuamente,adeccezionedibreviinterruzioni
dovuteaguastitecniciomanutenzione.Pausepiùlunghepossonoessere
sperimentateduranteitemporalilocalizzatineipressideltrasmettitore.
PrecisionedelDCF77
Imasterclocksricevonoil
segnaledicalibraturatramite
ricevitoriradioadondelunghe.
Sonoutilizzateleondelunghe,
piuttostocheleondecorteo
medie,pernoninfluenzarela
precisionedegliorologiconvariazionideisegnalioraricheviaggianodal
trasmettitoreallaionosferaedinfinealricevitore.Siccomeleondelunghe
viaggianovicineaterra(groundwave),piuttostocheversoilcielo(skywave),il
tempodipropagazionenonvaria.
All'iniziodiognisecondol'ampiezzadelsegnaleèridottaal25%per100-200ms.
L'iniziodelladiminuzionedell'ampiezzadelsegnalemarcal'inizioesattodel
secondo.ImarcatorideisecondisonoinfasesincronaconilsegnaleDCF77.In
generale:l'inesattezzadelsegnaleorarioricevutoègranderispettoalsegnale
orarioemesso.Adunadistanzadicirca100km,èottenibileun'incertezza
inferiorea0,1ms.
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IlsegnaleDCF77èpiùsensibileaidisturbi
elettromagneticiasesempioantenne
radiooWi-finellevicinanze.
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Sistemidinavigazionesatellitare
Nell'immagineinaltosonoevidenziateleprincipaliretidisatellitidedicateal
posizionamentoglobale:
• GPS-USA
• GLONASS-Russia
• Galileo-Europa
• COMPASS-Cina
• IRNSS-India(nonrappresentatasulgrafico)
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GPS
IlsistemadisatellitiGPSdistribuiscetempopreciso,frequenzaeposizioneintutto
ilmondo.
G:Global(Globale)
P:Positioning(Posizionamento)
S:System(Sistema)
Sistemadiposizionamentoglobale
Adun'altezzadicirca20.000kmvarisatelliti
ruotanointornoallaterrasudiverseorbite.
Ognisatelliteèequipaggiatoconunorologio
atomico(precisionedialmeno1x10-12)e
trasmettecostantementeiltempoinsiemeai
datidell'orbita.IlricevitoreGPSregistraidati
deisatellitiricevutieutilizzaqueste
informazionipercalcolarelasuaposizione.I
datidell'orbitasonoinoltreutilizzatiperdeterminareiltempodipercorrenzadei
segnalideisingolisatelliti,permettendoagliorologgiGPSdicompensarequesti
valorinellavalutazionedeltempo.
Isatellititrasmettonocontinuamentelaloroposizioneediltempo(GPS-UT)ad
unafrequenzadi1.5GHz.
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L'antennaGPSriceveconstantementeidatidaidiversigruppidisatellitichesi
trovanoviaviavisibilisullapartedicielo.Primalaposizionedell'antenna
riceventeècalcolatadaquestivalori.Unavoltachelaposizioneècalcolatai
tempidipercorrenzadelleinformazionitrasmettitoredaisingolisatellitipuò
esseredeterminato.
L'informazionedeltempoGPSelamediadeitempidipercorrenzasonoutilizzati
percostruireilGPSworldtime(GPS-UTC)raggiungendounaprecisionedi±1
µsec.Laprecisioneneldeterminareiltempodipendesoprattuttodallaprecisione
concuièstatacalcolatalaposizione.
IlworldtimeUTCècalcolatosottraendoi"leapseconds"dalGPS-UTC.I"leap
seconds"offronolapossibilitàdicompensarel'inaccuratezzadellavelocitàdi
rotazionedellaterra.Attualmenteladifferenzaèdi9secondi.Laregolazionepuò
essereeffettuataautomaticamente,perchéisatellitiincludonoquestadifferenza
nellaloroinformazionitrasmesse.
L'oralocalepuòadessoesserecalcolatasemplicementeconsiderandoifusiorarie
oralegale/orasolare.Quindiaggiungendoosottraendoil"timeoffset"dall'UTC
FontidiinterferenzadelGPS
IlsegnaleGPSèquasiaprovadidisturbiacausadellafrequenzaditrasmissionedi
1.5GHz.
Latrasmissionetraglistratinell'atmosferapuòcausareoffsetditempo,masolo
interminidipicosecondi.Idatida4satellitivengonoutilizzatiperilcalcolodella
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posizione3D.Sel'antennahaunavisionechiaraall'orizzonteunamediadi7a9
satellitisonovisibili.Ciòsignificachel'informazioneditempoèdel100%
disponibile.Anchesemetàdell'orizzonteècoperto,ladisponibilitàraggiunge
ancorail90-95%.Acausadell'altafrequenzaedellabassapotenzaedi
trasmissionedeisatellitiladistanzadeicavitral'antennael'elettronicadeve
esserebreve,altrimentiilsegnalenonpuòesserefiltratodalrumore.
Installazionedell'antennaGPS
LaricezionedelsegnaleGPSèmigliorediquella
delsegnaleDCF77.L'antennaèimportanteche
abbiaunavisibilitàdelcieloancheparziale.
L'installazionedell'antennaèprevistaper
l'esterno.Seinstallataall'internopuòfunzionare
manonègarantitalaricezione.Inquestocasofareattenzioneadalcunitipidi
vetrooscurato,tipoquellichesihannonellapartealtadialcuniparabrezzadelle
auto,perchéincorporanodelleparticellemetallichecheschermanoilsegnale
GPS.
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Posizionamentoottimaledell'antenna
Figure1:distanzadell'antennadalmuroinmetri.
Figure2:GraficocorrispondentedelsegnaleGPS
Comesipuònotare,conriferimentoallafigura2,nonvièalcunaricezioneGPS
nellatosinistroallaposizione0mperchéilmuroscermacompletamenteil
segnale.Quandol'antennavienegradualmenteespostaadunavistalibera,la
coperturadelsegnalerecuperadiconseguenza(grafici1m-11m).Secondole
nostreesperienze,sièstimatocheunangolodicirca70°traantennaeunoggetto
dischermatura(vedereFigura1,posizione11)èunabuonaregoladimassimaper
unaricezioneGPSsenzadisturbi.
Verificadiproblemisull'antennaGPS
ChefarequandounmasterclocknonsisincronizzaconilsegnaleGPS?
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• Verificareseilcavodiantennaèattaccato
• VerificareilvoltaggiosuunconnettoreBNC.Inunostatonormaledovrebbe
essere5Vdc.I5Vdcsonoinviatidall'apparatoHopfversol'antennaper
alimentarel'antenna,quindilamisurazionevafattastaccandoilcavolato
antenna.
• Verificailpiazzamentodell'antennaGPSperunaottimalericezionedel
segnale.
• Provareadutilizzareglialtricavidiantennadisponibili
• Perverificareuncortocircuitosullaconnessione,misurarelaresistenza.
• Sostituisciilcavocortocircuitatoeconnettol'antennanelmodocorretto.
• verificarelavisibilitàdeisatellitisulpannellinoLEDdelmasterclocko
connettersiviainterfacciawebedapriamoilpannellodellaricezionedei
satelliti.
PrecisionedelGPS
Laprecisionedelsingolomarcatoredelsecondo,alcontrariodelDCF77,èuguale
inogniposizione.Sitrattadicirca±1µsecutilizzandoricevitoriedecodificatori
GPSstandard.
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GLONASS
GLONASSèlaversionerussadelGPS(GlobalPositionSystem).
GLO:Globalnaya(Globale)
NA:Navigazionnaya(Navigazione)
S:Sputnikovaya(Satellite)
S:System(Sistema)
Sistemaglobaledinavigazionesatellitare
L'UnioneSovieticahainiziatolosviluppodiGLONASSnel1976.GLONASSèil
programmapiùcostosodellaagenziaspazialefederalerussa.IlGLONASShauna
retedi24satellitiadifferenzadelGPSsviluppatodagliUSAchehaunaretedi31
satellitiecheèstatousatointuttoilmondoancheperfinicommercialicomei
navigatorioglismartphones.Diseguitounatabellacomparativa.
GLONASS
GPS
Russia
USA
Codifica
FDMA
CDMA
Numerodisatelliti
24
31
Altezzadell'orbita
21150km
19130km
Precisione
Posizione:5–10m
Posizione:3.5-7.8m
Proprietario
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GLONASS
inclinazionedelpiano 64.8degree
GPS
55degree
orbitale
Periodoorbitale
11oree16minuti
11oree58minuti
Frequenza
1.602GHz(SP)
1.575GHz(L1signal)
1.246GHz(SP)
1.227GHz(L2signal)
Operativo
Operativo
Stato
Nell'immagineinaltoledueretidisatellitiorbitandointornoallaterra.Asinistrail
GLONASSeadestrailGPS.
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TraGPSeGLONASSnonc'ènessunvantaggiorilevanteapartelaprecisione.Se
usatodasoloGLONASSnonhalagrandecoperturachehailGPS,maquando
sonoutilizzatiinsiemecertamenteaumentalaprecisioneelacopertura.Edil
GLONASSèpiùutilealatitudinisettentrionali,poichéilprogettooriginarioeraper
ilsoloterritoriodellaRussia.
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ver.1.2
GALILEO(EU)
L'UnioneeuropeastaattualmentelavorandosuunsistemachiamatoGALILEO
chefornisceunserviziodiposizionamentoglobalealtamenteaccuratosottoil
controllocivile.IlsistemaGalileoècompostoda30satelliti(27operativi+3di
ricambio),posizionatisutrepianicircolariMediumEarthOrbita23222kmdi
altitudinesopralaTerra,eadunainclinazionedeipianiorbitalidi56gradi
rispettoall'equatore.
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COMPASS/BDS(Cina)
LaCinastasviluppandounapropriaretedi35satellitichiamatiBeidouNavigation
SatelliteSystem(BDS),notoanchecomeCOMPASS,edèincostruzionedal
gennaio2015.Essooffriràpiùpossibilitàdell'attualeGPS.
E'diventatooperativoinCinanelmesedidicembre2011,con10satellitiinuso,e
hainiziatoaoffrireserviziaiclientinellaregioneAsia-Pacificoneldicembre2012.
Oggiha11satelliinusoesiprevedechesaràdisponibilealivelloglobaleentroil
2020.
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ver.1.2
IRNSS(India)
L'agenziaspazialeindianaISRO(IndianSpaceResearchOrganisation)hainfasedi
sviluppounaretedisatellitisimilealGPS.
I:Indian(Indiano)
R:Regional(Regionale)
N:Navigation(Navigazione)
S:Satellite(Satellite)
S:System(Sistema)
Laretedisatellitièautonomaedoffriràunserviziopubblicoedunservizio
limitato,soloperutentiautorizzaticomeimilitari.Talesistemaconsisterebbein
unaretedi7satellitidicui4sonogiàstatimessiinorbita.Ilprogettodovrebbe
essereoperativoentroil2016.
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NTP|SNTP|PTP|IEC61850|SINECH1
Lamaggiorpartedellagentesupponechegliorologideicomputerinserver,
workstationedispositividiretesianointrinsecamenteaccurati.Questononè
corretto.Lamaggiorpartediquestiorologisonoimpostatiamanocon
approssimazionediunoodueminutirispettoaltemporealeesonoraramente
controllatisuccessivamente.Moltidiquestiorologisonomantenutidadeicircuiti
sullaschedamadremantenutiattividaunabatteriatamponeepossonoandare
alladeriva(inanticipooinritardo)finoadunsecondoalgiorno.Averequalsiasi
tipodisincronizzazionesignificativaèimpossibileseitimestampsonopresida
questiorologilasciatiandarepercontoproprio.
L'importanzadellasincronizzazione
orariaperlarete
Nellemoderneretidicomputerlasincronizzazioneorariaèfondamentale,perché
ogniaspettodellagestione,sicurezza,pianificazione,edebugdiunareteha
necessitàdideterminarequandoglieventiaccadono.Senzasincronizzazione
orarianonsiriesceacorrelarecorrettamenteifilesdilogedun'analisiprecisa
risultaimpossibile.Diseguitounelencodeiprincipalipunti:
• Monitorareviolazionidellasicurezza,utilizzodellarete,oproblemi
distribuitisuungrannumerodiapparati,èquasiimpossibilesei
timestampsdellelogssonoinesatti.
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ver.1.2
• Perridurrelaconfusioneneifilesystemcondivisi,èimportantecheitempi
dimodificasianocoerenti,indipendentementedaqualeserverhaifile
systemodaqualecomputersiacceda.
• Servizidifatturazioneeapplicazionisimilidevonoconoscerel'oracon
precisione.
• Alcuniservizifinanziaririchiedonouncronometraggiodialtaprecisioneper
legge.
Unmodopersincronizzarel'orasullarete
IlNetworkTimeProtocol(NTP)èstatoalungoilsistemaprincipalediregolazione
dell'ora.Molteaziendeperrisolvereilproblemadisincronizzazionedellelororeti
hannoutilizzatoNTPottenendol'orariodaunserverpubblicosuInternet
(InternetTimeServer).Maquestoapproccioèsoggettoadiversiproblemiperchè:
• Iltimeserverèaldilàdelfirewall.Questosignificachesidevelasciareil
firewallconunaccessosullaportaUDP123perconsentireaipacchettiche
contengonoleinformazioniditempodipassare(NTP).
• LaprecisionedegradaquandosiutilizzaunInternetTimeServeracausa
dellalatenzaasimmetrica(ritarditraquandoipacchettiditempolascianoil
NetworkTimeServerequandoarrivanoalvostronetwork).
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ver.1.2
• Agenzieesterne(adesempiouniversità),chefornisconoTimeServer
pubblicinonsonoobbligatiacontinuareilservizioogarantiredisponibilità
eprecisione.
Unmodomigliorepersincronizzarel'ora
sullatuarete
Untimeserverdiretededicatotiproteggedairischiperlasicurezzainerenti
l'ottenereiltempodaInternet.Conl'installazionediunserverditempo
all'internodelfirewall,irischidall'esternosonoridottialminimoelaprecisionedi
temporizzazionesullareteèmassimizzata:
• Installareuntimeserverdietroilfirewallequindiisolandosincronizzazione
orariadarichiestesuInternetoffrelamiglioresicurezza.
• Sievitaillavorosupplementarediriconfigurarefirewallerouterche
possonoesserenecessariperconsentireaidispositivisullaLANl'accessoa
unTimeserverpubblico.
• VistalabassalatenzadiunaLAN,ilTimeserverpuògarantireuna
precisionedellasincronizzazioniedituttiisistemiall'internodellaLANcon
unaprecisionealmillisecondo.
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ver.1.2
NTP/SNTP
NTP(NetworkTimeProtocol)èun'implementazionedelprotocollodireteTCP/IP
iniziatanel1980daDaveL.Millschecercavadiottenereunasincronizzazione
orariadielevataprecisionepericomputerinrete.Ilprotocolloerelativialgoritmi
sonostatispecificatiindiversiRFC.Daalloral'NTPèstatocontinuamente
ottimizzatoedèalmomentoampiamenteutilizzatointuttoilmondo.La
precisionemassimaraggiungibiledipendeanchedalsistemaoperativoedalle
prestazionidellarete.
AttualmentecisonodueversionidiNTPchepossonocoesistere:
NTPv3èl'ultimaversionerilasciata,chegiramoltostabilesumoltisistemi
operativi.
NTPv4haalcunimiglioramentirispettoNTPv3edhaunmiglioresupportoper
alcunisistemioperativi.
IlNetworkTimeProtocol,insiglaNTP,èunprotocollopersincronizzaregliorologi
deicomputerall'internodiunareteacommutazionedipacchetto,quindicon
tempidilatenzavariabiliedinaffidabili.L'NTPèunprotocolloclient-server
appartenenteallivelloapplicativoedèinascoltosullaportaUDP123.
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IlSimpleNetworkTimeProtocol,insiglaSNTP,èunaversionesemplificatadel
protocolloNTPchenonrichiedelamemorizzazionedeidatitraduesuccessive
comunicazioni.E'impiegatonormalmenteinsistemiembeddeddovenonè
richiestaun'estremaprecisione.
Inoltre,c'èancheunaversionesemplificatadelprotocollochiamatoSNTP(Simple
NetworkTimeProtocol).SNTPutilizzalastessastrutturadeipacchettiTCP/IP
comeNTPmaacausadialgoritmipiùsemplici,laprecisionefellasincronizzazione
èmoltoridotta.IlpacchettoNTPcontieneunprogrammainbackground(daemon
oservizio)chesincronizzailtempodisistemadelcomputerdaunoopiùorologi
diriferimentoesternichepossonoesseresiaaltridispositivisullareteoun
orologioradio,cheècollegataalcomputer.
NetworkTimeProtocol,unmezzodisincronizzazionedegliorologi
suunaretedicomputer.
NTPfornisceilCoordinatedUniversalTime(UTC)compreselecorrezionidei"leap
seconds".Nonètrasmessanessunainformazionesuifusiorariol'oralegale.
Questeinformazionisonofuoridalsuoambitoedevonoessereottenute
separatamente.
31
ver.1.2
Unamenocomplessaimplementazionedell'NTP,utilizzandolostessoprotocollo,
masenzarichiederelamemorizzazionedellostatoperperiodiditempo
prolungati,ènotocomeSimpleNetworkTimeProtocol(SNTP).E'utilizzatoin
alcunidispositiviembeddedeinapplicazioniincuinonèrichiestaun'elevata
precisioneditemporizzazione.
Lagerarchiadellasincronizzazioneoraria
viaNTP
IlservizioNTP(service/deamon)puòregolaresolol'oradisistemadelcomputer
sucuièinstallato.InoltreogniservizioNTPpuòessereclient,serveropeerpergli
altriserviziNTPpresentineglialtricomputersdellarete.
• Comeclientrichiedeilriferimentoditempo(timestamp)daunoopiù
serviziserver.
• Comeserverfornisceilproprioriferimentoditempo(timestamp)aiservizi
clientchelorichiedono.
• Comepeerconfrontalasuaoradisistemaconglialtrimembridelpeer
affinchétuttistabiliscanoedinviinounostessotimestamp.
Questecaratteristichepossonoessereutilizzatepercreareunastruttura
gerarchicadisincronizzazioneoraria.Ilivelligerarchicidellastrutturadi
sincronizzazionesonochiamatistratum.Unnumerodistratumpiùpiccolo
significaunlivellosuperiorenellastrutturagerarchica.
32
ver.1.2
Adifferenzadelleapplicazioniditelecomunicazioniincuilaparola"stratum"è
usataperclassificaresecondolaprecisioneassoluta,iltrermine"stratum"nel
contestoNTPnonindicaunacertaclassediprecisione,èsolounindicatoredel
livellogerarchico.
NTPutilizzaunsistemagerarchico,apiùlivellicondifferentisorgentidi
sincronizzazione.Ognilivellodiquestagerarchiaèdefinito"stratum"edhaun
33
ver.1.2
numeroprogressivoapartireda0(zero)nellapartepiùaffidabile.Ilnumerodel
livellodellostratumdefinisceladistanzadalclockdiriferimentoedesisteper
evitaredipendenzeciclichenellagerarchia.
Stratum0
Sitrattadidispositivialtamenteaffidabiliqualigliorologiatomici(cesio,rubidio),
orologiGPSoaltriorologiradio.Idispositividistratum-0nonsono
tradizionalmentecollegatiallarete.Sonoinvececollegatilocalmenteai
computers(adesempio,tramiteuncollegamentoRS-232utilizzandounsegnaledi
unimpulsoalsecondo).
Stratum1
Sitrattadicomputercollegatiadispositividistratum-0.Normalmenteagiscono
comeserverperlatemporizzazionerichiestedaserversdistratum-2viaNTP.
QuesticomputersonoanchedenominatiTimeServers.
Stratum2
QuestisonoicomputercheinvianolerichiesteNTPaiTimeserverdellostratum1.NormalmenteuncomputerdiStratum-2faràriferimentoaduncertonumero
diserverdistratum-1eutilizzeràl'algoritmoNTPperraccogliereilmiglior
campionedidati,scartandoogniserverdistratum-1chesembrievidentemente
sbagliato.Icomputersdistratum-2sonospessoraggruppaticonaltricomputers
34
ver.1.2
distratum-2(peers)perfornireun'infrastrutturadisincronizzazionepiùstabilee
robusta.
Stratum3
Questicomputerutilizzanoesattamenteglistessialgoritmidipeeringe
campionamentodeidaticomeStratum2,epotrannoagirecomeserverper
computersdistratum4,ecosìvia.
Nellarealtàlamaggiorpartedelleaziendecheimplementaretiprivatedisitemi
NTPsifermanoadunoopiùtime-serversdistratum1.Aziendedigrandi
dimensioniimplementanoanchesoluzionichearrivanoadusaregruppiditimeservers(peers)distratum2.Raramentesiimplementanosoluzionicontimeserversdistratum3.
StrutturadelpacchettodatiNTP
Leap
Version
Indicator
Number
Mode
Stratum
Poll
(0-15)
intervall
Precision
RootDelay
RootDispersion
ReferenceIdentifier
ReferenceTimestamp-Seconds(32),Fraction(32)
OriginateTimestamp-Seconds(32),Fraction(32)
ReceiveTimestamp-Seconds(32),Fraction(32)
TransmitTimestamp-Seconds(32),Fraction(32)
35
ver.1.2
Ext.Field1KeyIdentifier(optional)
Ext.Field2MessageDigest(optional)
Key/AlgorithmIdentifier
MessageHash(64or128)
NTPtimestampformat(64bits):
Seconds(32)
Fraction(32)
SecondsandFractionssince01.01.1900
LasincronizzazionetraClienteServerfunzionainquestomodo:
• IlclientmandaunmessaggioNTPalserveremarcailmomentodell'invio
(TransmitTimestamp)
• Ilserverriceveilpacchettoemarcailmomentodellaricezione(Receive
Timestamp)
• IlserveranalizzailpacchettoerimandaindietroilmessaggioNTPalcliente
marcailmomentodell'invio(OriginateTimestamp)
• Ilclientriceveilpacchettoemarcailmomentodellaricezione(Reference
Timestamp)poianalizzai4timestampsconilclientNTPperdeterminarela
correzionedaapportarealproprioorologiointerno.
36
ver.1.2
Vediamoi4timestampsedalcunicalcolidibase:
Client
Connection Server
Timestamp1
Timestamp2
Timestamp4
Timestamp3
t1=clienttimestampdirichiestasincronizzazione(TransmitTimestamp)
t2=servertimestampdirichiestaricevuta(ReceiveTimestamp)
t3=servertimestampdiinviosincronizzazione(OriginateTimestamp)
t4=clienttimestampdisincronizzazionericevuta(ReferenceTimestamp)
Daquestiquattrotimestampsilclientpuòcalcolareduevalori:
•
Ilritardo(Delay),iltempocheèstatonecessariopertrasferireipacchetti
sullarete(roundtripdelay).
delay=(T4-T1)-(T3-T2)
•
Ladeviazione(Offset),ladifferenzaditempotragliorologiinternideidue
computers.
offset=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2
37
ver.1.2
SipuònotarecheilprotocolloNTPfaunamediadelritardo(delay)perché
presupponecheilviaggiodelpacchettosialostessoinentrambeledirezioni,
questosignificacheasimmetrienelroundtripcreanounerrorenelcalcolodella
deviazione(offset).
38
ver.1.2
PTP
Unprotocollodisincronizzazionedefiniscecomeleinformazionidi
sincronizzazionesonocodificateneimessaggiequalimessaggisonoscambiatitra
timeserveredapparatoclient.
Cisonodueprotocollistandardperlasincronizzazionediunareteethernet:ilpiù
vecchioNetworkTimeProtocol(NTP)eilpiùrecenteIEEE1588PrecisionTime
Protocol(PTP).
Noncommettiamol'errorediconfondereleimplementazionisoftwareo
hardwaredeiprotocolliconiprotocollistessi.Adesempio,moltideilimitidi
precisionedicuièincolpatoilprotocolloNTPsonoinrealtàdovutiantpd-uno
deiservizi/demoni(software)piùutilizzatoperimplementarel'NTP.Enonèche
ntpdèstatoprogettatomale,semplicementeèstatoprogettatocondiversilivelli
disincronizzazioneinmente.Inrealtà,nonostantelemoltecampagnedi
marketingfattedaaziendechevoglionovendereapparatidireteche
implementanoilprotocolloPTP,entrambiiprotocollipossonoessereutilizzatiper
laproduzionedisimililivellidiprecisioneesonomoltosimilipercertiversi.
Entrambiiprotocollidevonocompensareledifficoltàchesihannoconretidi
computeredispositivicomplessi.Ipacchettidiaggiornamentodeltempopossono
subireritardicreandounasituazionedi"stallo"-ediritardipossonovariareda
aggiornamentoadaggiornamento.Switcherouterdiretepossonointrodurre
ritardiopossonoscartare(drop)deipacchettioanchelasciarechesolounaparte
delprotocollosiainstradata.LacodadelleoperazionidiretedelSistema
39
ver.1.2
Operativopuòaggiungereulterioreritardorandomicoaipacchettidi
aggiornamentodeltempo.
IricevitoriGPSpossonoperderetracciadelsistemaGPS,opossonoessere
schermaticondeglistrumentiabuonmercatoefacilidatrovare(GPSjammers),o
possonoesserealterati/manipolati(GPSspoofing).Fulminipossonodanneggiare
leantenneGPSodisturbarneilsegnale.Alcunitimeserverpossonoinviareuna
differenzadialcunisecondiperchènonprendonoinconsiderazionei"leap
seconds".Personaledelcentrodielaborazionedatipuòscollegareicavio
mettereanormedisicurezzachebloccanoiprotocolliNTP.
Anchesforziperaiutarepossonoritorcersicontro-adesempioalcunimeccanismi
difailovernelleimplementazionidiPTPeNTPpossonocausareerroridi
temporizzazione.PTPhaunprotocollochiamato"bestmasterclock"(miglior
orologiodiriferimento)chepuòportareunclientaprendereunriferimento
orariosbagliatonelcasoincuiuntimeserverconunproblemasipresentacome
bestmasterclockpuravendounriferimentoorariosbagliato.Inoltrequesto
erroresipropagaintuttalasottoretecreandoproblemiancheaglialtritime
serverschestavanolavorandocorrettamente.
40
ver.1.2
IEC61850
LoIEC61850èunostandardperlaprogettazionedeisistemidiautomazioniperle
sottostazionielettriche.IlmodellodidatiastrattodefinitonelIEC61850può
essere"mappato"suundiversonumerodiprotocollichegeneralmentegiranosu
retiTCP/IPoLANdistazioneconswitchethernetmoltoperformantiper
rispondereairequisitistringentideidispositividiprotezione,chenecessitano
tempidirispostainferioria4o5millisecondi.
41
ver.1.2
SINECH1
42
ver.1.2
IlSinecH1èunprotocollobasatosuEthernetcheforniscelafunzionedilivellodi
trasporto.IlprotocolloèstatosviluppatodaSiemensedèutilizzato
principalmenteperapplicazionidicontrollo.Haunagrandelarghezzadibandaed
èadattoperlatrasmissionedigrandivolumididati.
IlprotocolloSINECH1èunprotocollosempliceusatoperiltrasferimentodidati
PLC(ProgrammableLogicController)tradispositiviSiemensSIMATICS5.
AncheselareteSINECH1èfisicamentedifferentedallareteEthernet,il
protocolloSiemensSINECH1èunostrato4delprotocolloISOOSIchepuò
tranquillamentepassaresopraun'infrastrutturaEthernet,quindisipuòcollegare
adeinormaliapparatidireteethernet(hub,switch)senzachesianorichiesti
aggiornamentifirmwareocambidiconfigurazione.Ladifferenzaprincipaleèchei
dispositivisonoriconosciutiabassolivello,attraversoiloroindirizziMACenon
permezzodeiloroindirizziIP.
Ingenere,H1utilizzaCOTPcomeprotocolloditrasporto(IsoProtocolFamily).
QuestoprotocolloèstatosostituitodalTCPnellamaggiorpartedelleapplicazioni.
Perunconfrontotraidueprotocollisipuòfarriferimentoallatabellainbasso:
TCP(TransmissionControlProtocol)
providesstream-basedconnectionoriented
transferofdataoftheInternet-ProtocolFamily.
Internetprotocolfamily(TCP/IP)
5-7Applicationlayer(HTTP,FTP,...)
4TCP(connections)UDP(connectionless)
3Internet(IP,ICMP)
1-2NetworkAccess(ARP,PPP,Ethernet,...)
DataLinklayer+Phisical
TheTCP/IPInternet-Protocols-familyis
widelyusedtoday.
COTP(ConnectionOrientedTransport
Protocol,ISO8073)providespacket-based
connectionorientedtransferofdataofthe
ISO/OSI-Protocol-Family.
ISO/OSIProtocolFamily
7Applicationlayer(FTAM,...)
6PresentationProtocol
5SessionProtocol
4COTP(connections)CLTP(connectionless)
3Network(CLNP,ES-IS)
2DataLinklayer(LLC,...)
1Phisical
TheISO/OSIfamilyofprotocolsisn'twidely
used.
43
ver.1.2
SINECH1TimeDatagram:
44
ver.1.2
IRIG
L'IRIG è uno standard di sincronizzazione creato dal gruppo di telecomunicazioni
delle forze armate U.S.A (Inter-Range Instrumentation Group). Esistono diversi
standard IRIG che sono codificati con le lettere dell'alfabeto. Gli standard definiti
nell'ultima versione (IRIG 200-04) sono : A, B, D, E, G ed H.
Code
A
B
D
E
G
H
Bit rate
1000 Hz
100 Hz
1/60 Hz
10 Hz
10 kHz
1 Hz
Bit time
1 ms
10 ms
1 minute
100 ms
0.1 ms
1s
Bits per frame
100
100
60
100
100
60
Frame time
100 ms
1000 ms
1 hour
10 s
10 ms
1 minute
Frame rate
10 Hz
1 Hz
1/3600 Hz
0.1 Hz
100 Hz
1/60 Hz
La differenza principale tra i codici è il loro Bit rate, che varia da un impulso al
minuto (1/60 Hz) a 10.000 impulsi al secondo (10 kHz).
I bits sono modulati su una portante. Un suffisso di tre cifre indica:
•
il tipo di modulazione (Modulation Type)
0: Digitale - DCLS (Direct Current Level Shift)
1: Analogico - onda sinusoidale ad ampiezza modulata
•
la frequenza della portante (Carrier Frequency)
0: No carrier (Digitale - DCLS)
2: 1 kHz (1 ms resolution)
3: 10 kHz (100 µs resolution)
4: 100 kHz (10 µs resolution)
5: 1 MHz (1 µs resolution)
•
informazioni aggiuntive sulla codifica binaria (Coded Expressions)
0 : BCD, CF, SBS
1 : BCD, CF
45
ver.1.2
2 : BCD
3 : BCD, SBS
4 : BCD, BCD_Year, CF, SBS
5 : BCD, BCD_Year, CF
6 : BCD, BCD_Year
7 : BCD, BCD_Year, SBS
BCD: Giorno dell'anno(1-366), ore, minuti e secondi codificati in binario (Binary Coded
Decimal).
Ad esempio le sei cifre dell'ora 10:37:49 sono rappresentate in binario
come 0001 0000 : 0011 0111 : 0100 1001
Nell'orologio a lato i LED indicano l'ora codificata in binario. Ciascuna
colonna di LED mostra in base binaria la cifra riportata in basso su
base decimale.
BCD_Year: Anno espresso in codice binario (BCD) con le sole due cifre finali (00-99)
quindi senza considerare il secolo.
CF : User-defined "control functions" occupying bits not defined by IRIG
SBS : "Straight binary seconds", a 17-bit binary counter that counts from 0 to 86399
46

Sistemi di sincronizzazione oraria

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scheda del prodotto

ProLite E2407HDS-1

Specifiche tecniche