On import substitution in creation of distribution of exact time systems in multiservice computer networks

Borodin Andrey Viktorovich PhD in Economics Professor, Department of Computer Science and System Programming, Volga State University of Technology 424000, Russia, respublika Marii El, g. Ioshkar-Ola, pl. Lenina, 3 bor@mari-el.com Other publications by this author

Современные крупномасштабные защищенные мультисервисные сети передачи данных (ЗМСПД) немыслимы без таких подсистем, как подсистема безопасности, службы мониторинга и диагностики неисправностей, и, в ряде случаев, подсистема динамической ремаршрутизации. Важно обратить внимание на то, что ни одна из названных подсистем не может функционировать без наличия в ЗМСПД службы точного времени.

Для дистрибуции точного времени в ЗМСПД чаще всего используется протокол NTP (Network Time Protocol) ^[1]. NTP использует для своей работы протокол UDP. Система NTP чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи данных. NTP использует алгоритм Марзулло (предложен Кейтом Марзулло из Университета Калифорнии, Сан-Диего), включая такую особенность, как учёт времени передачи. В версии 4 протокол способен обеспечивать точность дистрибуции точного времени до 10 мс при работе через Internet, и до 0,2 мс и лучше внутри локальных сетей ^[2].

Основными игроками на рынке разработки и производства специализированных NTP-серверов, базирующихся на синхронизации времени в рамках американской системы глобального позиционирования GPS ^[3], являются американские компании Symmetricom (с недавнего времени - Microsemi) и Spectracom, а также отчасти Trimble и Communication Systems Solutions, немецкий рынок NTP-решений представлен компанией Meinberg. Безусловный лидер на этом рынке – Symmetricom, Inc. Следует отметить, что стоимость специализированных серверов времени названных копаний достаточно высока и сопоставима между собой при близких технических характеристиках, однако их использование часто оказывается целесообразным ^[4]. Учитывая значительный масштаб большинства региональных ЗМСПД, приходится использовать не один источник точного времени, а несколько, распределенных по узлам ЗМСПД. В этих условиях актуальной становиться задача снижения совокупной стоимости владения подсистемой дистрибуции точного времени, как составной части совокупной стоимости владения ЗМСПД ^[5]. Еще большую остроту эта задача приобрела в последнее время в связи с вводом ограничений технологически развитыми странами на экспорт технологий в Российскую Федерацию.

Целью настоящей статьи является исследование возможности реализации схем импортозамещения технологий и оборудования, а также формирование рекомендаций для российских производителей, которые бы обеспечили создание условий эффективного решения задач дистрибуции точного времени в отечественных ЗМСПД.

Альтернативой, достаточно широко используемым в Российской Федерации источникам точного времени на основе приема спутниковых сигналов американской системы глобального позиционирования GPS, могут стать источники, использующие аналогичную отечественную систему глобальной навигации ГЛОНАСС ^[6], а также источники Эталонных Сигналов Частоты и Времени (ЭСЧВ), функционирующие на базе радиостанции РБУ, расположенной в Москве и использующей частоту 66.(6) кГц, и радиостанции РТЗ, расположенной в Иркутске и использующей частоту 50.0 кГц.

Дивизион космического базирования системы ГЛОНАСС в последние годы был в значительной степени усилен, что позволило добиться высоких показателей доступности, см. рис. 1.

Рис. 1. Мгновенная доступность системы ГЛОНАСС по состоянию на 14.05.2012 г. (доступные данные на момент подготовки статьи)

Геометрический фактор PDOP (Position Dilution of Precision) показывает, насколько геометрически удачно расположены спутники в небе относительно пользователя в данный момент времени ^[7]. Чем ниже значение геометрического фактора, тем лучше. Величину PDOP = 6 принято считать граничным значением, при котором, результаты вычисления дают приемлемую точность. Мгновенная доступность рассчитывается на текущий момент времени.

Среднесуточные значения несущих частот ЭСЧВ, излучаемых радиостанциями РБУ и РТЗ, согласуются с размером единиц частоты, воспроизводимой Государственным эталоном времени и частоты ^[8] с относительной погрешностью не более `2xx10^-12` . При этом зона обслуживания сигналами точного времени радиостанций РБУ и РТЗ не превышает 1000 км ^[9], см. рисунки 2 и 3.

Рис. 2. Расположение радиостанции РБУ и примерная зона ее охвата

Рис. 3. Расположение радиостанции РТЗ и примерная зона ее охвата

Одним из ключевых показателей качества синхронизации времени можно считать точность этого процесса. Для оценки легко достижимых показателей точности синхронизации на основе приема спутниковых сигналов системы глобального позиционирования GPS при использовании оборудования американского производства был собран стенд, см. рис. 4. Использованная система синхронизации времени содержит два первичных источника времени нижней ценовой категории: NTP-сервер с выделенным портом управления Truetime NTS-90 компании Symmetricom (в настоящее время снят с производства) и получивший достаточное распространение в виду низкой стоимости простейший NTP-сервер TM1000A компании Communication Systems Solutions. Данная система синхронизации использует физически выделенную сеть для доступа к первичным источникам времени с целью снижения влияния нецелевого траффика на точность синхронизации. Для дистрибуции точного времени потребителям, находящимся в сети общего назначения, используется вторичный NTP-сервер, построенный на базе операционной системы (ОС) Windows XP и службы NTPD, портированной немецкой компанией Meinberg с использованием исходных кодов одноименного демона Unix-подобных ОС (в стенде была использована версия 4.2.4). В качестве основных принципов построения данной системы синхронизации были использованы идеи, изложенные в ряде работ ^{[10, 11, 12]}.

Рис. 4. Топология вычислительной сети стенда для иссдедования процессов синхронизации времени на основе приема спутниковых сигналов системы глобального позиционирования GPS в условиях использовании оборудования компаний Symmetricom и Communication Systems Solutions.

Достаточно длительный (более двух с половиной месяцев) мониторинг работы описанного стенда позволил собрать статистику, представленную на рис. 5. (Для обработки и отображения статистики использовалось программное обеспечение NTP Time Server Monitor by Meinberg версии 1.04.) Обработка данных позволила получить следующие выборочные характеристики случайной величины точности синхронизации:

- рекордные значения: `min quadDelta t = -12.422` мс, `max quad Delta t = 10.778` мс;

- стандартное отклонение: `sigma = 4.453` мс.

Рис. 5. Статистика синхронизации времени от спутникоаого дивизиона GPS в рамках использования исследовательского стенда на основе двух эталонных источников времени: Truetime NTS-90 компании Symmetricom и TM1000A компании Communication Systems Solutions.

Полученные характеристики сдучайной величины точности синхронизации в дальнейшем могут служить ориентиром для оценки альтернативных технических решений.

Исследование отечественного рынка радиоэлектронной продукции соответствующего назначения, включая анализ продуктовой линейки производителей, позволил выделить две компании, чья продукция позволяет решить задачу синхронизации времени в ЗМСПД на основе использования протокола NTP сразу, без привлечения изделий сторонних производителей.

Одним из игроков отечественного рынка оборудования для частотно-временных измерений является нижегородская компания «Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро «Стабихрон», основанная в 1996 году и имеющая богатый опыт разработки радиоизмерительных приборов и аппаратуры тактовой синхронизации для цифровых сетей связи. Клиентами компании являются Министерство связи РФ, ОАО "Ростелеком", операторы региональных сетей связи, центры стандартизации, сертификации и метрологии и многие другие.

На сайте компании ^[13] представлено достаточно подробное описание линейки продукции, достаточное для принятия решения о составе и конфигурации тестовых стендов, предназначенных для испытания изделий компании в условиях обеспечения практических потребностей в источниках точного времени для мультисервисных сетей передачи данных.

В частности, в перечне продукции компании присутствуют следующие изделия.

1) Радиочасы РЧ-011, предназначенные для приема ЭСЧВ, передаваемых радиостанцией РБУ или РТЗ (в зависимости от исполнения) и выдачи информации о времени в объеме, соответствующем ГОСТ 8.515-84. Эти радиочасы при использовании фирменной программы TimeSync обеспечивают синхронизацию векового таймера компьютера относительно эталонной шкалы времени UTC с погрешностью не более 60 мс.

2) Радиочасы РЧ-011 повышенной точности используют те же источники синхронизации. При работе с внутренним кварцевым генератором аппаратурная погрешность синхронизации сигналов 1 сек и 1 мин составляет не более 10 мс. При работе с внешним высокостабильным генератором возможна синхронизация сигналов 1 сек, 1 мин и 5 мин с погрешностью не более 50 мкс.

3) Антенна магнитная активная, предназначенная для приема сигналов радиостанций РБУ на частоте 66,(6) кГц и РТЗ на частоте 50 кГц и ориентированная на работу с радиочасами РЧ-011. Полоса пропускания данной антенны по уровню 3 дБ – 2 кГц. Выходное сопротивление симметричного выхода – 120 Ом. Габаритные размеры – 36x200 мм.

4) Антенна электрическая активная, предназначенная для приема сигналов в диапазоне частот от 30 до 100 кГц и ориентированная на работу с радиочасами РЧ-011. Изготавливается в двух исполнениях: с коаксиальным выходом и выходным сопротивлением 50 Ом, и с симметричным выходом и выходным сопротивлением 120 Ом. Габаритные размеры антенны – 36x510 мм.

5) Блок интерфейсный предназначен для приема информации о дате и времени с радиочасов РЧ-011 и выдачи информации о дате и времени по протоколам NTP версий 2, 3 и 4. Информация о времени и дате может так же выдаваться в персональный компьютер по интерфейсам RS-232 и USB. Интерфейсный блок построен на базе процессора семейства ARM7 и операционной системы для встроенных решений проекта uClinux ^[14].

6) Спутниковые радиочасы РЧ-021, предназначенные для выдачи информации о текущей дате и времени, синхронизированных по шкале спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Часы поддерживают три режима работы: ГЛОНАСС, GPS, ГЛОНАСС+GPS. Погрешность синхронизации сигнала 1 сек обеспечивается данным оборудованием на уровне 1 мкс.

Технические решения по построению NTP-серверов на базе оборудования компании «Конструкторское бюро «Стабихрон» представлены на рис. 6 и в таблице 1, а также на рис. 7.

Рис. 6. Структурная схема подсистемы синхронизации времени на основе протокола NTP, построенной на базе радиочасов серии РЧ-011 конструкторского бюро «Стабихрон»

Таблица 1. Варианты конфигураций подсистемы синхронизации временина основе протокола NTP, построенной на базе радиочасов серии РЧ-011 конструкторского бюро «Стабихрон»

Рис. 7. Структурная схема подсистемы синхронизации времени на основе протокола NTP, построенной на базе радиочасов РЧ-021

В конфигурации, представленной на рис. 7, NTP-сервер реализуется на базе операционных систем Windows XP/2003 с настройками реестра, представленными в таблице 2.

Таблица 2. Настройки Windows

Заметим, что радиочасы серии РЧ-011 также могут быть использованы в подсистеме синхронизации, построенной по схеме, приведенной на рис. 7. Однако отметим, что такой подход менее предпочтителен в связи с использованием в качестве NTP-сервера в данной схеме встроенных средств Microsoft Windows, целевые возможности которых весьма ограничены.

Другой отечественной компанией, предлагающей законченное решение по синхронизации времени в вычислительных сетях по протоколу NTP, является «Закрытое акционерное общество «НПФ Прорыв», которое c 1990 г. присутствует на рынке распределенных систем автоматизации, сбора данных, контроля и управления в нефтяной промышленности и энергетике ^[15]. Клиентами компании являются крупнейшие российские компании нефтегазовой и энергетической отраслей, такие как Газпром, Роснефть, Сибнефть, Лукойл, Мосэнерго, РусГидро и т. д.

В частности в линейку продукции «НПФ Прорыв» входит радиосервер точного времени РСТВ-01-01 ^[16]. РСТВ-01-01 работает под управлением высокопроизводительного RISC процессора, имеет встроенное коммутационное поле для подключения внешних устройств, часы реального времени, поддерживает механизм автоматического включения резервного питания. На специальном выходе РСТВ-01-01 формируется собственная шкала времени – последовательность секундных импульсов, синхронизированных метками шкалы времени UTC. Информация о времени принимается от спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS и передается через порты изделия на устройства, включенные в информационно-измерительную систему. При передаче через порт Ethernet используется протокол NTP, передача через порты RS-232 и RS-422-1, RS-422-2 выполняется в формате пакета GPRMC.

По данным, представленным на соответствующей странице официального сайта компании ^[17], радиосервер РСТВ-01-01 обеспечивает следующие параметры точности синхронизации времени. Пределы допускаемой абсолютной погрешности синхронизации фронта секундных импульсов (1 PPS) относительно шкалы UTC – 0.1 мкс. Задержка сигналов времени на портах Ethernet, RS-422-1, RS-422-2, RS-232 относительно выходных сигналов 1 PPS, не более 500 мс.

Техническое решение на базе радиосервера РСТВ-01-01 является моноблочным, внешней конструкцией по отношению к РСТВ-01-01 является лишь антенная система.

Подводя итог, можно заметить, что технические характеристики, заявленные отечественными производителями оборудования, вполне соответствуют сложившемуся уровню точности синхронизации в отрасли (см. пороговые показатели качества синхронизации времени из предыдущего раздела статьи).

Обсуждение рыночной позиции отмеченных в предыдущем разделе производителей стоит начать с явно выделяющейся полнотой предоставления технической информации о своих продуктах компании «Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро «Стабихрон». В то же время поиск прайс-листа компании на официальном сайте не дал результата. Не дали результатов и поиски дистрибьютеров компании, а также обращения по электронной почте в компанию с запросом прайс-листа. На многочисленные запросы по электронной почте ответов просто не поступало. На прямое обращение по контактному телефону был получен ответ, который несколько озадачил. Оказывается, для получения информации о стоимости продукции, во-первых, необходимо указать перечень исключительно того, что интересует, и, во-вторых, «в настоящий момент доступны для заказа только часы РЧ-011 стандартной точности по цене около 60 тыс. р.». В кавычки взят дословный ответ представителя компании. На вопрос о стоимости интерфейсного блока был получен ответ о том, что это изделие в настоящее время уже не производится. Далее состоялся разговор о явных преимуществах продукции компании в связи с возможностью ее государственной сертификации.

Для второго производителя из нашего перечня («НПФ Прорыв») ситуация с информированием потенциального клиента обстоит несколько лучше: прайс-лист присутствует на официальном сайте. Согласно ему комплект оборудования для решения задачи синхронизации времени в ЗМСПД обойдется как минимум в сумму 76 700 р. без НДС, это позиции 1 и 3, см. таблицу 3.

Таблица 3. Стоимость оборудования синхронизации времени компании «НПФ Прорыв»

Вернемся теперь к нашему стенду, см. рис. 4. В нем использован, в частности, NTP-сервер TM1000A компании Communication Systems Solutions, по факту испытаний не уступающий заявленным параметрам рассмотренной продукции двух отечественных производителей. При этом розничная стоимость этого изделия (с учетом НДС) в комплектации, достаточной для решения поставленной задачи, в одном из крупнейших Internet-магазинов мира составляет сегодня 319.99 долл. США ^[18].

Интересно, что описанная ситуация никак не согласуется с принципом информационной ценовой открытости ^[19], являющимся одним из целевых ориентиров по решению проблем импортозамещения и развития потребительского патриотизма. Представляется, что отечественным производителям оборудования временной и частотной синхронизации стоит проанализировать свою текущую рыночную позицию и рассмотреть возможность корректировки своих издержек и нормы прибыли, а также принять во внимание важность всестороннего расширения целевой аудитории своей продукции, в том числе ориентируясь на мировой опыт.

Сформулируем основные итоги нашего исследования.

1) Российская Федерация обеспечивает функционирование целого ряда технологических платформ для решения задач синхронизации времени и частоты.

2) Отечественные производители, по крайней мере, две компании, ООО «КБ «Стабихрон» и ЗАО «НПФ Прорыв», технически готовы обеспечить импортозамещение средств синхронизации времени и частоты в ЗМСПД, гарантируя при этом приемлемые уровни параметров эталонов времени и частоты.

3) Отмеченным в исследовании компаниям целесообразно провести первичную коррекцию своей рыночной позиции в части снижения издержек и нормы прибыли, а также, в перспективе, дополнительные изменения этой позиции, с целью максимально возможного расширения круга потребителей продукции, включая физических лиц, повышения ценовой конкурентоспособности решений, и, возможно, расширения перечня продукции, обсуждаемого целевого назначения.

Дальнейшие исследования возможности импортозамещения в части оборудования временной и частотной синхронизации предполагают переход от этапа сбора и обработки маркетинговой информации к практическому этапу. Необходимо испытание оборудования в условиях сетевых конфигураций, аналогичных конфигурации стенда, представленного на рис. 4, при различных интенсивностях NTP-запросов.

Одним из самых критичных к точности синхронизации времени и частоты приложений является задача организации скрытых радиоканалов на основе концепций SDR и когнитивного радио ^{[20, 21]}. В этой связи представляет значительный интерес сравнение различных решений по синхронизации времени с использованием критерия затрат на внутреннюю синхронизацию в SDR-канале связи:

`C =sum_(i=1)^nzeta(Delta t_i)` , (1)

где `Delta t_i` – смещение, формируемое алгоритмом Марзулло в `i` -ый момент времени; `zeta` – ступенчатая функция затрат на внутреннюю синхронизацию скрытого канала связи в зависимости от точности синхронизации времени; `n` - количество интервалов времени функционирования системы связи. Суммирование в соотношении (1) происходит по моментам времени, отстоящим друг от друга на фиксированную величину. Эта величина равна среднему промежутку времени между моментами начала передачи смежных пактов данных по скрытому каналу (при попакетной синхронизации) или между смежными сеансами связи (при посеансовой синхронизации).

И последнее, на что хотелось бы обратить внимание. Учитывая достаточно высокую стоимость отечественного оборудования синхронизации времени, не стоит сбрасывать со счетов более дешевые подходы, основанные на программных решениях ^[22] и появлении дешевых ГЛОНАСС-приемников ^[23], использующих протокол NMEA и пока еще доступных в Российской Федерации.