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  • 901GB型NTP时间同步服务器概述京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器是一款支持NTP和SNTP网络时间同步协议,高精度、大容量、高品质的高科技时钟产品。设备采用冗余架构设计,高精度时钟直接来源于北斗、GPS系统...

    时间同步装置(NTP时间同步服务器)京准为您2020报价

    时间同步装置(NTP时间同步服务器)京准为您2020报价

    京准电子科技官微——ahjzsz

    京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器

    概述

      京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器是一款支持NTP和SNTP网络时间同步协议,高精度、大容量、高品质的高科技时钟产品。设备采用冗余架构设计,高精度时钟直接来源于北斗、GPS系统中各个卫星的原子钟,通过信号解析驯服本地时钟源,实现卫星信号丢失后本地时钟精准保持功能。独特的嵌入式硬件设计、Linux操作系统,可灵活扩展多种时钟信号输出。支持NTP/SNTP时间协议、MD5安全加密协议及证书加密协议,时间精度优于2毫秒。同时支持TOD、10MHz、 1PPS、日志记录、USB端口升级下载和干接点告警功能,配合全网时间统一监控软件,轻松实现网络时间同步及有效监控。

      京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器可以广泛应用于医疗、安防、金融保险、移动通信、 云计算、电子商务、能源电力、石油石化、工业自动化、智能交通、智慧城市、物联网等领域。

    系统结构

      京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器创新性的融合了参考源无缝切换技术、高精度时间间隔测量TIC技术和自适应精密频率测控技术。采用模块化设计,由北斗接收机、GPS接收机、高性能工业级主板、人机界面及监控管理单元、本地时钟驯服单元、输出接口模块和电源模块组成。

      京准电子科技HR-901GB型NTP时间同步服务器核心由64位高性能CPU、高速FPGA及高稳振荡器(铷原子钟或OCXO)构成,采用Linux进行多任务实时并行处理及调度。

    系统可同时接收北斗、GPS发送的秒同步和时间信息及满足NTP/SNTP协议的网络时间报文,按优先级自动选择外部时间基准信号作为同步源并将其引控 到锁定状态(LOCKED).具有输入传输延时补偿算法,采用卡尔曼数字滤波技术滤除外部时间基准信号的抖动后,对铷原子钟或OCXO进行控制和驯服, 由内部振荡器分频得到1PPS信号,这样输出的1PPS信号同步于外部时间基准 输出的1PPS信号的长期稳定值,克服了由外部时间基准的秒脉冲信号跳变所 带来的影响,使输出的时间信号不但与外部时间基准信号保持同步而且更加稳定。当失去外部时间基准信号后,进入守时保持状态(HOLD-OVER),当外部 时间基准信号恢复时,自动结束守时保持状态并牵引跟踪到锁定状态。从而不间断的输出与UTC保持同步的时间信息。

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    重要特点

    1、超高带宽NTP服务器

    2、GPS/北斗双参考源一级时钟服务器

    3、高性能工业级主板、嵌入式Linux操作系统

    4、提供六路独立10/100/1000Mbs网络接口

    5、可连接另一台NTP服务器,构成2级时钟

    6、可选内部精密时钟OCXO或铷原子钟

    7、安全高效的Web的用户界面

    8、支持SSH,SSL,SCP,SNMP,CustomMIB,HTTPS,Telnet等更多协议

    9、兼容IPv6和IPv4协议

    10、相对UTC时间准确度达到毫微秒级

    11、支持IBM主机需要的SysPlex时间信息输出

    12、支持固定位置模式下单星授时功能

    13、VFD高清真空荧光显示屏

    14、可靠性MTBF达80000小时

    15、支持4000条日志记录功能

    16、支持远程唤醒和定时开关

    17、支持MD5加密协议

    18、支持证书加密协议

    19、支持干接点告警功能

    重要功能

    1、可同步数万台客户端、服务器和工作站等设备时钟

    2、提升网络系统的可靠性和安全性

    3、六路NTP端口,方便网络配置和改建

    4、提高网络日志文件准确度及网络故障诊断和定位速度

    5、可参考多种时间源,获取可靠安全的时间

    6、1U结构易于安装和维护

    7、直观的网管界面,便于用户操作 控制管理

    8、支持bonding功能,快速实现单机备份

    9、支持心跳检测功能,实现两台设备同一IP互为备份

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    技术参数指标

    网络协议

    NTP v1.v2.v3&v4(RFC1119&1305)

    SNTP(RFC2030)

    MD5 Authentication(RFC1321)

    Telnet(RFC854)

    NTP Unicast,Broadcast,Multicast,Autokey TIME(RFC868) FTP(RFC959)DAYTIME(RFC867) DHCP (RFC2131)

    HTTP/SSL/HTTPS(RFC2616)

    SSH/SCP (Internet Draft)

    SNMP v1,v2、MIB II (RFC1213) RSA非对称加密

    IPV4、IPV6、IPv4/IPv6 Hybrid

    服务器性能

    1、GPS北斗双参考源一级时钟服务器,同步精度1µs

    2、用户终端同步授时精度:(局域网典型值)

    3、用户容量:可支持数万台客户端

    4、NTP请求量:14000次/秒

    5、可连接另一台NTP服务器,构成2级时钟

    6、支持大于4000条日志记录功能

    授时型GPS/北斗接收机

    1、频率:GPS L1;BD2 B1

    2、系统模式:(可设置):单北斗/单GPS/混合定位模式

    3、通道:32通道

    4、首刺定位时间:冷启动:<35s;热启动<1s,重捕获<1s

    5、授时精度优于<30ns(RMS)

    6、定位精度:3m(RMS)

    前面板

    1、VFD高亮度液晶屏显示卫星收星状态、时间、卫星个数、经纬度、高度、 各网卡IP、系统工作状态;

    2、三色指示灯——指示NTP服务是否启动、网络连接是否正常、 NTP请求是否超过8000次/秒和卫星是否锁定等;

    后面板

    1、天线口:BNC,1路,GPS L1;BD2 B1,输出5V DC

    2、网口:RJ-45,6路,10/100/1000M自适应以太网接口

    3、Console: RJ-45,1路,RS232电平,控制接口

    4、TOD: DB-9 female,1路,RS232电平,时间、位置信息

    5、VGA: DB-9 female,1路,显示输出

    6、ALARM干接点报警:3对,电源、GPS、端口容量报警

    7、1PPS:BNC,1路,精度30ns(RMS)

    8、USB:1路,备份、恢复、升级功能

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    物理及环境参数

    尺寸:1U机箱440××364mm

    重量:

    电源:220V±20% 47Hz~63Hz

    工作温度:-10℃~+55℃(主机)-40℃~+75℃(天线)

    存贮温度:-45℃~+85℃ 湿度:95%无冷凝

    功耗:20W

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  •  使用导航卫星对机载高速摄像机进行时间同步,可以满足图像测试系统对时间同步精度要求。随着我国北斗二代卫星导航系统一期组网完成和接口控制文件的公布,北斗卫星导航系统开始向亚太大部分地区正式提供连续无源...
  • 北斗卫星的授时精度为基础,传输对时信息采用IRIG-B码,在FPGA对IRIG-B码解调中引入全数字Costas环,能够很好地提取出IRIG-B码的过零点信息,避免了过零点检测电路的零点漂移和脉冲抖动等问题.仿真结果表明,该算法减小...
  • 超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用 超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用 1 引言 时间,这是最早被人类意识到的同时也是最神秘的一个基本物理量。从古时代人们的日出而作,日落而息,到...

    超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用
    超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用
    1 引言

    时间,这是最早被人类意识到的同时也是最神秘的一个基本物理量。从古时代人们的日出而作,日落而息,到地心说和日心说,再到相对论和宇宙大爆炸理论,人类从未停止过对时间本质与起源的探求。另一方面,如何不断地提高“时间”这一基本物理量的测量精度,也一直是人类不懈追求的重要目标之一。早在18 世纪,为争夺海上霸权,解决远距离航海定位(经度)的难题,欧洲各国都在积极寻找海上精确守时的办法。最终,一位英国钟表匠约翰·哈里森(John Harrison)发明了航海钟,首次使钟摆的摆动频率摆脱了重力影响,大大提高了航海过程中的时间测量精度,从而使安全的长距离海上航行成为可能。在一定程度上,这也是日后英国成为“日不落帝国”的根本原因所在。

    在此之后,随着现代高精度原子钟的快速发展,时间测量的精度已经遥遥领先于其他物理量的测量精度,时间因而成为测量精度最高的基本单位。1967年,国际度量衡大会通过了新的国际单位制原子秒的定义——位于海平面上的铯(133Cs)原子基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁振荡9192631770周期所持续的时间为1 秒(定义中的铯原子在温度为0 K时必须是静止的),这标志着时频计量由天文基准过度到量子基准。极高的测量精度和可直接传递的特性也使时频计量成为其他计量向量子基准转化的先导;1983年,国际计量大会(CGPM)会议重新定义长度计量单位“米”为光在真空中1/299792458秒所传播的距离。长度和时间的这种密切关系已被广泛应用于卫星定位系统,例如全球定位系统(GPS)以及我国的北斗系统。在卫星定位系统中,星载钟之间的时间同步精度决定了定位精度。为了提高定位精度,一方面要提高星载守时钟的稳定度和准确度,更重要的则是提高整个系统的时间同步精度。

    超高精度时间频率同步的重要性不仅仅体现在导航领域,而且在基础科学、天文观测、国防安全、通信以及金融等领域,精密授时与同步均有着广泛而重要的应用。本文将介绍几种主要的时间同步方法及其在科学领域的一些重要应用。

    在此,有必要指出,约翰·哈里森在250年前提出的使用高精度守时钟保持时间同步的基本概念影响至今。就基本概念而言,假如有两台独立守时钟,计时分别为t1与t2,那么,二者相对误差为

    其中,σ1和σ2分别为两台钟的独立稳定度,σ12为二者相互不确定度。当两台钟完全独立时,其互相关系数C12=0,那么它们都必须有很高的稳定度(即σ1,σ2均较小)才可以保证其相对误差很小。今天,我们需要重新审视这个基本假设。事实上,当两台钟频繁地进行比对时,则两台钟可以不再独立,其相对误差可以非常小,而对其“绝对”稳定度,例如σ21的要求可以大大放宽。在大家熟知的重要应用方面,超高精度的异地时间频率同步才是根本;“绝对”时间并没有太多意义。所以,近年来国际、国内大量发展的“光钟”假如不能做到长期运行(守时)和异地可搬运,其实际应用意义并不是很大。相比之下,“授时”(同步)将有可能带来相关方面科学上的革命性进展。

    2 时频同步方法

    在原子钟技术发展初始,人们最早采用搬运钟的方法进行时间同步,然而这种方法限制了同步距离,同时对原子钟稳定性有很高要求。随着卫星导航系统的发展,目前异地时钟的时间频率传输与同步主要是通过卫星链路来实现的。利用卫星双向时间频率传递(TWSTFT),卫星共视(CV)等方法可以实现10-15/天量级的频率传输稳定度以及纳秒量级的时间同步精度。

    随着现代高精度原子钟的快速发展,频率稳定度在10-16/s的频率振荡器以及频率不确定度在10-18的光钟相继出现。现有的时频传输和同步技术已无法满足高精度原子钟时间频率比对的需求,需要发展具有更高精度的时频传输与同步方法。基于光纤链路的时频同步技术以其具有的低损耗、高稳定度优势而逐渐发展成为一种新型同步技术,世界各国均已开展对此项技术的研究。2012年6月1日,由欧盟9国(德国、法国、英国、奥地利、意大利、荷兰、瑞典、芬兰、捷克)共同出资合作进行的联合研究项目NEAT-FT正式启动,旨在未来建设一个频率传输稳定度优于10-17/天,时间同步精度优于100ps的欧洲时频光纤同步网络。此外,在光纤链路中,在进行微波、光频、脉冲以及飞秒光梳信号的传输与同步技术方面,也逐渐有越来越多的研究成果出现。

    清华大学精密测量联合实验室长期从事超高精度时频同步领域的研究,且其成果在世界上处于领先水平。2011年,我们在清华大学与中国计量科学研究院(昌平)之间往返80km的商用光纤链路上,首次演示了时标脉冲、微波频率的同时传输与同步实验。图1 为该实验的原理图,通过在发射端(图中左侧)主动探测并补偿光纤传输引入的相位噪声,实现了7×10-15/s,5×10-19/天的频率传输稳定度以及优于50ps的时标同步精度。使用此时标,并进一步使用频率信号过零点作为时间同步基准,可以将时间同步精度提高至50fs。相比于卫星传输中常见的ns级稳定度指标,这一结果在传输天稳定度上提高了4个数量级。

    图1 时间频率光纤传输与同步系统原理图

    与卫星同步相比,基于光纤的时频同步方法一个显著的不足之处就在于其覆盖范围的局限性——传统方案具有“点对点”结构,即一个发射端对应一个接收端,这在很大程度上限制了光纤时频同步技术的应用范围。基于此,我们提出并演示了一种可在光纤链路任意位置处下载高稳定度频率信号的方案,如图2 所示,这一技术大大拓展了传统方案的应用范围,使光纤时频同步的网络化建设成为可能。

    图2 可多点下载光纤时频同步系统原理图

    我们还进一步研究了不同拓扑结构的光纤同步网络,针对一个发射站对应于多个接收站的多分支网络化结构,提出了在接收端对光纤传输引入相位噪声进行被动式补偿的同步方案,采用此方案进行高精度时频同步,各接收站相互之间独立,具有树状拓扑结构并且易于扩展,增加新的分支。在国际合作建设的平方公里阵列天文望远镜(SKA)等实际系统中具有广阔的应用前景。

    3 重要科学应用

    超高精度的异地时间频率同步与精密授时在众多科学领域均扮演着举足轻重的角色,研究结果往往取决于时间同步的精度。

    在卫星导航领域,星载钟之间的时间同步精度很大程度上决定了最终的定位精度。卫星定位、导航的基本原理十分简单:假设位于地表或地表附近的用户看到四颗或更多导航卫星,并接收到了导航卫星所广播的信号。此信号包括了精确的发射时刻及该时刻卫星的精确位置,据此,用户可以列出至少4个方程:

    其中Rj是第j颗卫星在tj时刻所处的位置, R是用户在接收时刻t的位置。这里的未知量一般是位置R(x,y,z)及时刻t,共4个变量。通过上述4个方程可以求出这4个未知数,用户也就得到了自己的时间和位置信息。从以上方程我们很容易看出,定位精度取决于星载钟之间的时间同步精度。以GPS系统为例,其星载钟与分布在全球范围的地面监测站地面站之间每天进行两次时间同步校准,校正后便自由运行,运行一段时间≈40000s之后,这些钟的时间将不再一致,偏离值的不确定量为。其中σ为描述原子钟频率稳定度的阿伦标准方差,典型原子钟的频率稳定度满足关系式。因此,星载钟间的偏离值将随着运行时间发生正比于的积累。针对于此,我们提出了对北斗系统星载钟利用星间微波链路进行相位锁定时间同步的设想,有望使其定位精度得到大幅度提高。例如,相比于GPS每40000s校准钟差,假如北斗系统每5分钟校准钟差,则其精度可以提高10倍。

    另一方面,将卫星导航的原理反过来应用,即所谓倒GPS系统(reversed GPS),通过设立在地面的观测站,实现对卫星以及其他天体进行观测定位,由于地面守时钟精度远高于星载钟,且利用光纤进行时间同步可以大大提高同步精度,因此可对卫星运行轨道以及天体星历进行精确测定。

    在天文观测领域,采用甚长基线干涉测量技术(VLBI)时,可以通过距离达数千公里的观测站对同一射电源发出的信号进行接收,并根据时延差做相关处理,最终得到超高分辨率的干涉信号。观测精度最终取决于延时的测量精度,即时间同步精度。传统的方案是,通过在各观测站放置独立运行的高精度原子钟(如氢钟)进行守时,时延误差随时间积累。若采用光纤链路进行时间同步,各观测站无需分别放置守时钟即可获得高精度同步的时频信号,并对时延实时进行补偿,保证误差不随时间积累,天稳定度可比采用独立氢钟守时提高3个数量级。

    此外,清华大学精密测量实验室已加入“平方公里射电望远镜阵列(SKA)”这一国际大型合作项目的研究工作,此项目由澳大利亚、加拿大、意大利、新西兰、荷兰、南非、英国、中国等20个国家共同合作,旨在通过建设一个由3000—4000个大型天线组成的阵列,形成1km2的信息采集区,构成世界上最大的射电天文望远镜。实施SKA将有助于科学家真正了解宇宙和人类起源的奥秘,并有望推动一些直接影响人们日常生活的新技术的诞生。超高精度时间同步是其中一项十分关键的新技术,为保证组成阵列的数千面天线之间的相位相干,短期时间同步精度需要达到1ps量级,同时长期稳定度要达到10年内时间误差不超过10ns,并且天线阵列具有在中心处呈网状分布,在3个旋臂处呈链状分布的不同的拓扑结构。针对以上要求,我们提出了适用于不同网络结构的光纤时间同步方案,有望最终应用于SKA项目。

    综上所述,在众多科学研究领域,新兴的基于光纤链路的超高精度时间同步技术以及空间微波链路时间同步技术与传统的授时与同步技术相比,有着巨大的精度优势;随着相关技术的逐步发展与完善,这两项新技术也会逐步展现其在其他领域的巨大应用潜力。

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  • 网络时间服务器(GPS北斗时钟同步)设备工作原理剖析 网络时间服务器(GPS北斗时钟同步)设备工作原理剖析 分布式系统由Tanenbaum定义,“分布式系统是一组独立的计算机,在”分布式系统 — 原理和范例“中作为...

    网络时间服务器(GPS北斗时钟同步)设备工作原理剖析
    网络时间服务器(GPS北斗时钟同步)设备工作原理剖析

    分布式系统由Tanenbaum定义,“分布式系统是一组独立的计算机,在”分布式系统 — 原理和范例“中作为用户的单一,连贯的系统出现”。
    区块链通过构建全球分布式系统,尝试实现分散的新数据存储和组织结构。
    首先,定位到分布式系统的原因主要是可扩展性,位置和可用性。区块链也不例外。地理可扩展性,形成全球价值存储网络/信息保护区域,包括非集中式结构下的防篡改/零停机时间的可用性。这些未来都是使用分布式系统在block中实现的。
    0.目录
    X.区块链和分布式系统
    1.简介(同步和整体流程概述)
    2.时钟同步
    2–1。物理时钟(时钟和时钟偏移)
    2–2。 时钟同步算法(网络时间协议(NTP)/伯克利算法)
    3.逻辑时钟
    3–1。 Lamport的逻辑时钟(完全有序的多播)
    3–2。 矢量时钟(因果订单组播)
    4.独家控制
    4–1。 集中算法
    4–2。 分散算法
    4–3。 分布式算法
    5.选举算法
    5–1。 欺负算法
    5–2。 环算法
    6.阻止链和同步作为分布式系统
    6–1。 块链和时钟同步(块链和物理/逻辑时钟)
    6–2。 块链和独占控制算法(PoW·PoS·BFT中的独占控制算法)
    6–3。 块链和领导者选举算法(PoW·PoS·BFT中的领导者选择算法)
    1.简介(同步和整体流程概述)
    与集中式系统不同,在分布式系统中就时间达成一致并不容易。
    在前一种情况下,可以基于全局共享时钟确定绝对顺序关系,但是在后一种情况下,由于存在时钟值错误和对应时间,因此难以共享绝对时间。
    但是,绝对时间的顺序并不是绝对必要的,如果相对顺序是固定的,通常就足够了。
    在本文中,将按以下顺序解释节点之间的同步。
    时钟同步是如何发生的?
    使用逻辑时钟和矢量时钟的相对排序方法
    关于分布式系统一致性的排除控制算法
    关于分布式系统中的领导选举算法
    2.时钟同步
    2–1. 物理时钟
    时钟和时钟歪斜
    大多数计算机都有保持时间的电路,这种设备称为“时钟”。这是基于频率的振动,该振动可以通过晶体类型,切割方法和向精确加工的石英增加张力时的压力大小明确定义。
    虽然这个频率相当稳定,但不能保证不同计算机的所有晶体都能以完全相同的频率运行。由此引起的同步时间的差异称为时钟偏差。
    在这种情况下,特别是在实时系统中,如何使多个时钟与现实时钟同步以及如何同步时钟是一个问题。
    现实世界中的时间最初基于平均太阳秒,但现在铯133过渡9,192,631,770次的时间定义为1秒,并且定义了国际原子时间和通用协调时间(UTC)。为了向需要准确时间的人提供UTC,使用WWV并且时间以±10毫秒的精度提供。
    2–2. 时钟同步算法
    但是,大多数机器没有WWV接收器。因此,每台机器都需要时间跟踪和管理算法,以便所有机器都可以同步时间。
    顺便提及,用于确定是否需要重新同步的错误,即时钟偏移,如下测量。
    将H定义为每台机器计数的晶体振动引起的每秒中断次数(刻度数),并将C表示为该时钟的值。设Cp(t)表示机器的时钟值,当UTC时间为t时。
    如果将p定义为定义允许的时钟偏差量的最大漂移率,则假定它在以下范围内运行。
    1-p 《= dC/dt 《= 1+p
    也就是说,在从先前同步开始经过At秒之后,两个时钟最多分开2pΔt。
    当保证在操作执行时没有大于&的偏差时,必须至少每&/2p重新同步软件。
    网络时间协议(NTP)
    在许多协议中很常见,[Cristian,1989]首先提出的方法是一种与客户服务器通信的方法。由于时间服务器具有WWV接收器或具有准确的时钟,因此它可以提供当前时间。在与服务器通信时,重要的是延迟报告消息传播延迟的时间,但是通过估计延迟,这里可以最小化错误。目前,已知NTP能够在1至50毫秒的范围内实现精度。
    伯克利算法
    在诸如NTP的许多算法中,时间服务器是被动的并且仅回答查询。另一方面,在Berkeley算法中,时间服务器接收每个参与节点所持有的时间,并且还基于平均值改变其自己的时间。当时间值不必与现实世界有关系时,很容易在同一当前时间达成一致,并且它对此算法有效。
    3.逻辑时钟
    到目前为止,虽然我们描述了一种根据实际时钟将时钟与绝对时间同步作为参考的方法,但通常只执行相对同步。这里,逻辑时钟的概念用于确定相对顺序。
    3–1. Lamport的逻辑时钟
    为了同步逻辑时钟,Lamport定义了一个名为happen-before的关系。表达式a→b表示“a发生在b之前”,这意味着事件首先发生,然后所有进程都同意事件b将发生。发生之前 — 可以在以下两种情况下直接观察到关系。
    如果a和b是同一过程中的事件且a出现在b之前,则a→b为真。
    2. 如果a是由一个进程发送的消息的事件,并且b是由另一个进程接收的该消息的事件,那么a→b也是如此。在发送消息之前无法接收消息,即使消息同时也需要有限的非零时间。
    因为发生前关系处于过渡关系中,如果a→b和b→c,则可以证明a→c。如果事件x,y出现在不交换消息的不同进程中,则x→y和y→x都不为真,并且这些事件被认为是并发的。 (之前发生的关系未知。)
    利用逻辑时钟,通过分配所有进程对每个事件a一致的时间C(a)来测量相对时间。如果这些时间值是a→b,则通过向时间添加正值来校正它们,使得C(a)《C(b)。通过分配如下图所示的时间值,可以掌握之前发生的关系。
    分布式数据库

    在Lamport的逻辑时钟中,如果a→b,则可以证明C(a)《C(b),但如果C(a)《C(b)则a→b不一定成立。换句话说,a→b是C(a)《C(b)的必要条件,并且不是充分条件。 Lamport的逻辑时钟增加了改进,它是一个矢量时钟,可以满足这种必要和充足的条件。
    完全有序的多播
    有关详细信息,请参阅“分布式系统一致性”一文中的内容
    在许多情况下,有必要在重复的副本之间执行完全有序的多播。换句话说,所有消息都需要以相同的顺序传递给每个收件人。 Lamport的逻辑时钟可用于在完全分布式系统下实现完全有序的多播。
    当进程收到某个消息时,它会根据时间戳按顺序放入本地队列。收件人向另一个进程多播确认。如果您按照Lamport的算法调整本地时钟,则所有进程实际上都具有本地队列的相同副本。只有当消息位于队列的头部并且被所有其他进程确认时,才有一个进程可以将队列中的消息传递给正在运行的应用程序,因此,所有消息都以相同的顺序传递到各处。换句话说,已经建立了完全有序的多播。
    3–2. 矢量时钟
    使用矢量时钟,可以掌握Lamport逻辑时钟无法掌握的因果关系。 假设事件a的向量时钟是VC(a),则执行以下步骤,使得a→b成为VC(a)《VC(b)的必要和充分条件。
    在通过网络发送消息之前,节点Pi向矢量时钟VCi [i]添加1,或者操作一些内部事件。
    2. 如果处理Pi将消息m发送到Pj,则Pi在执行前一步骤之后将m的向量时间戳ts(m)设置为等于VCi。
    3. 当接收到消息m时,进程Pj执行步骤1,将消息分发给应用程序,然后更新其自己的向量时钟的每个k,如下所示:VCj [k]←max {VCj [k],ts(m)[k]}。

    因果关系多播
    通过使用向量时钟,可以实现稍微弱于上述完全有序多播的因果有序多播。
    通过比较矢量时钟的值并掌握发生在之前的关系,对于特定事件x,其他事件可以被分类为过去事件,并发事件和未来事件。例如,在上图中,当事件d用作参考点时,过去事件是a,b,c,i,并发事件是j,l,m,未来事件是f,g,h。
    此时,假设因果有序多播是过去事件和因果事件的序列,其中发生所有因果关系,以便在所有过程中保持一致,但是关于并发事件的顺序是无关紧要的。通过这种方式,与Lamport的逻辑时钟不同,可以用向量时钟来掌握因果关系。
    4.独家控制
    多个进程之间的并发操作和协作操作是分布式系统的基本,但是为了保证对资源的独占访问,以便通过多个进程同时访问相同资源时不处于不一致状态时,需要分布式排他算法。
    分布式独占控制算法可以分为以下两种类型。
    基于Token的解决方案
    基于权限的方法
    在基于Token的方案中,很容易避免StarvaTIon(很长时间内不允许访问资源)和死锁(多个进程等待彼此的进展)。一个代表性的例子是Token环算法。但是,当持有Token的过程异常停止并且Token丢失,有必要只生成一个新Token,这种复杂性是一个严重的缺点。
    许多其他分散的独占控制算法采用基于权限的方法,并有许多不同的获取权限的方法,我们将分别具体解释。
    4–1. 集中算法
    通过模拟单处理器系统的功能,可以轻松实现分布式系统中独占控制的单一访问。在集中式算法中,一个进程被指定为协调器,并且当进程访问共享资源时,请求消息被发送到协调器以获得许可。如果其他进程未访问共享资源,则协调器返回权限响应,并且在接收到回复之后,所请求的进程执行该进程。
    很容易看出,该算法保证了对资源的独占访问,但它具有单点故障的严重缺点。虽然这可能是大型系统中的性能瓶颈,但这种简单性带来的优势仍然可以弥补这些缺点。
    4–2. 分散算法
    假设各项都会重复n次。在分散算法中,当进程访问资源时,需要批准大多数m》 n / 2。如果获得大多数批准,则该过程获得许可并可以进行处理。
    虽然该方案解决了集中式算法的单点故障问题,但是如果有太多的节点试图访问,则存在另一个问题,即没有节点可以获得足够的投票而无法获得充分的性能。
    4–3. 分布式算法
    在该算法中,假设系统上所有事件的顺序可以定义为完全有序的关系。作为这个基础,使用了前一章中描述的Lamport的逻辑时钟,并且假设没有消息会丢失。
    当进程尝试访问共享资源时,它会创建一条消息,其中包含资源名称,自己的进程号和当前逻辑时钟,并将其发送给所有其他进程。当接收到该请求消息时,根据其自身状态执行以下操作。

    1. 如果收件人未访问该资源且未尝试访问该资源,则收件人会向发件人返回“确定”消息。
    2. 如果收件人已在访问资源,请不要回复并执行排队请求。
    3. 如果收件人正在尝试访问资源但尚未完成,请将输入消息中的时间戳与发送给其他进程的消息中的时间戳进行比较,并将较低的一个作为获胜者。如果收到的消息具有小的时间戳,则收件人返回OK消息。如果自己的消息具有较小的时间戳,则接收方将不会将输入消息排队。
      显然,如果它不像process1或2那样冲突,这个算法就能正常工作。即使在冲突的情况下,也只建立了唯一一个进程可以访问的条件。
      与集中式算法一样,该算法可以保证独占控制,不会出现死锁或饥饿。 此外,没有单点故障。 尽管如此,单点故障被故障n位置特征所取代。 它可以通过回复权限或拒绝权限并引入超时来解决,但也会出现其他问题,例如需要多播通信原语。 不幸的是,目前尚未设计出超越集中式算法的分布式算法,并且仍在研究中。
      当比较各个算法时,变为如下。

    5.领导者选举算法
    许多分布式算法需要一个特殊的过程,它具有领导者作为协调者或发起者的角色。哪个过程是领导者,唯一过程是否可以成为领导者是一个重要问题,研究人员在过去几十年中一直在努力。
    5–1. 欺负算法
    当协调员失败并且任何进程P注意到该情况时,P根据以下过程激活选举。
    · P向所有具有比其自身更高数值的进程发送ELECTION消息。
    · 如果没有人回复,P将赢得选举并成为协调员。
    · 如果来自具有高于P的数值的过程的答案,则将替换它。 P的工作结束了。
    使用该算法,可以唯一地确定协调器。但是,该算法需要大量的消息和数据流量,可以说是冗余的。作为替代方案,存在环算法。
    5–2. 环算法
    与一般环算法不同,该算法不使用Token。发现协调器不工作的任何进程构造一个包含其自己的进程号的ELECTION消息,并将该消息发送给其后继者(环网中的下一个节点)。如果继任者失败,请跳过。如果没有比您更高的数值的节点,您的消息将仍然返回给您自己的进程号,因此它将被指定为协调员。
    在该算法中,执行具有减少数量的消息的领导者选举,但是还可以通过将消息的目的地设置到两个相邻节点来实现具有较少量数据流量的算法。
    6.阻止链和同步作为分布式系统
    因此,在作为分布式系统之一的块链中,进程之间的同步如何发生?
    6–1. 区块链和时钟同步
    块链和逻辑时钟
    首先,考虑是否可以使用区块链中的物理时钟来掌握绝对时间关系。如第2章所述,参与网络的每个节点并不总是保持正确的物理时钟,并且应该存在时钟偏差。由于比特币区块链的平均生成时间是10分钟,因此认为即使一定程度的大时钟偏差也是可接受的。然而,当节点散布在世界各地时难以同步各个物理时钟,并且还可能存在伪装时钟的节点。通过引入网络时间协议(NTP)来重新同步节点之间的正确时间是一项困难的技术。
    区块链和逻辑时钟
    因此,准备逻辑时钟而不是物理时钟是切合实际的。实际上,通过在块中加入时间标记,可以制备出与Lamport逻辑时钟非常相似的机制。
    如[比特币:点对点电子现金系统Satoshi Nakamoto]中所述,对作为矿工的区块执行写操作的每个节点本身具有作为时间戳服务器的角色。每个时间戳通过在其哈希中包含前一个时间戳来形成链。但是,无法保证这些节点保持正确的物理时钟。时间戳的数值,即每个事务的顺序和时间相对模糊。
    由于时钟的这种模糊性,有可能会进行双重付款。但是,在比特币区块链中,只有最长的链是合法的,在次要验证后丢弃不正确的交易。因此,区块的顺序随着时间的流逝唯一确定。随着每个时间戳的增加,前一个时间戳被加强。
    总之,在区块链中的模糊时间戳下,事务的顺序一致性是不准确的。然而,利用链式连接的简单机制,每个交易的发生前关系随着时间的推移而建立。此外,还有一种激励结构,以便矿工转移到良好,交易不一致的顺序不会发生。
    可以说,实现类似于Lamport的逻辑时钟的时钟同步方法,因为事务之间的相对顺序关系,即发生在之前的关系变得更清楚。
    对于大多数交易,没有因果关系,因此如果您引入向量时钟并采用因果关系排序的概念,则可以极大地放松订单关系的约束。然而,在区块链中,由于结构本身默认共享所有块的顺序关系,所以保持总排序(相对于在一段时间之后的块)。
    6–2. 区块链和独占控制算法
    即使在作为分布式系统的区块链中,也需要排除控制。在区块链网络中,每个节点并行地异步操作。此时,要共享的区块链本身的信息不应该不一致。
    PoW·PoS中的独占控制算法
    如第4章所述,分布式排他控制算法可分为以下两种类型。
    · 基于Token的解决方案
    · 基于权限的解决方案
    PoW和PoS是基于权限的,其中,可以说它是类似于分布式算法的机制。那么,您什么时候获得访问资源的权限?是的,就在你找到一个随机数时。
    在PoW中,只有当找到在哈希值后跟0后跟n为0的随机数时,才可以执行有效的新块写操作。执行操作的矿工将其广播给所有矿工并分享。
    通常,当节点找到一个nonce并创建一个比他自己更早的块时,minor会同步该信息并移动以搜索下一个nonce值。这是因为如果您使用最长链被认为合法的规则搜索下一个nonce值,它们可以获得更多利润。尽管PoS优先为具有较大硬币持有量的人提供资源访问,但基本排除控制算法结构也类似于分布式算法。
    但是,严格来说,不执行排除控制。这是为了在公共时间内同步并形成共识10分钟,直到下一个区块为止。当两个或更多个节点同时找到随机数值时,写入操作以非独占状态执行。此时,由于只有最长的链被认为是合法的,因此区块链网络中的信息与时间的流逝保持一致。叉子发生的一个问题是因为没有执行严格的排他控制而且没有确认最终结果。
    BFT类型的独占控制算法
    另一方面,通过BFT类型,基于许可的分散算法执行排他控制。该算法解决了分叉和终结问题,这是PoW中与分布式算法类似的问题。
    在BFT类型中,只有一个名为Proposer,Orderer等的节点有权生成新区块。创建区块时,您可以从所有参与节点收集投票,获得超过2/3的同意,您才有权创建新块。此时,有必要同意超过2/3而不是多数的原因是处理拜占庭故障,有关此问题的详细信息在“分布式系统中的容错”一文中有所描述。
    在BFT类型算法中,与PoW等不同,只有一个节点可以获得对区块链的独占访问权限,因此不会立即确定fork和finality。但是,任何人都可以作为矿工参与网络的财产往往会丢失。
    6–3. 区块链和领导者选择算法
    PoW,PoS和领导者选择算法
    区块链上的领导者选择算法类似于独占控制算法的机制。在比特币中,用于选举领导者的算法,即,新创建块的节点是PoW。
    PoW允许添加一个块作为一个好的领导者,为比特币网络提供有计算复杂性和发现nonce的节点。每个成为领导者的矿工都会尝试为比特币网络做出贡献,因为更容易早期同步到首先发现现时的节点并开始搜索下一个块的现时值更有可能获得奖励。尽管存在链条完全由硬叉分支的问题,但是通过基于博弈论准备非常简单的激励结构,在块链网络中实现作为分布式系统的同步。
    在以太坊的情况下,由于块生成的时间很短,因此倾向于发生更多的分叉。关于这一点,通过采用unkle块的概念,我们实现了一种结构,即使产生不合法的链条也会给予一定的奖励。
    将来引入未来的PoS允许优先生成具有大硬币保持量的节点的块作为引导者。这是一种解决/改善PoW中必要电量变得巨大且易受51%攻击的问题的算法。这是一种基于博弈论的选举算法,如果一个节点持有大量硬币,就不会采取破坏网络等恶意行为。
    BFT和领导者选择算法
    BFT类型算法的问题在于如何选择将投票给块生成的领导者作为Proposer或Orderer。
    在PBFT采取的HyperLedger当中,原为可信赖的机构才会注册为Orderer。 但这是集中式的领导者选择方法,与分布式系统存在着明显的区别。
    在Tendermint协议当中,领导者以循环方式被选出,以通过与不同验证者的轮换交替来提出建议。 此时,领导候选者是基于PoS,并且可以说是可以在分布式系统中实现领导者选择的算法之一。

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  • 1PPS+TOD高精度时间同步

    千次阅读 2020-11-11 18:47:56
    1PPS+TOD高精度时间同步 1、系统架构介绍 常见的时间同步接口规范有1588V2时间同步、1PPS+TOD时间同步这两种方式,而在实际的项目使用中采用的是时间同步设备与承载设备直接使用1588V2时间同步接口协议,而承载设备...

    1PPS+TOD高精度时间同步

    1、系统架构介绍

    常见的时间同步接口规范有1588V2时间同步、1PPS+TOD时间同步这两种方式,而在实际的项目使用中采用的是时间同步设备与承载设备直接使用1588V2时间同步接口协议,而承载设备和应用设备之间采用1PPS+TOD时间同步接口协议。系统使用的架构如下:
    在这里插入图片描述

    与北斗系统进行时间同步采用的是:武汉星旗科技的XQ-750时间同步设备。这个设备硬件时间戳分辨率小于10ns,背靠背授时精度可达100ns的级别。时间同步设备通过北斗卫星得到准确时间,然后通过1588V2协议把时间信息发送到承载设备。

    2、常用的TOD协议

    常规用户在获得时间信息时一般是从承载设备通过1PPS+TOD协议来得到准确时间信息。

    TOD 信息波特率默认为9600,无奇偶校验,1 个起始位(用低电平表示),1 个停止位(用高电平表示),空闲帧为高电平,8 个数据位,应在1PPS 上升沿1ms
    后开始传送TOD 信息,并在500ms 内传完,此TOD 消息标示当前1PPS 触发上升沿时间。TOD 协议报文发送频率为每秒1 次。对于1PPS 秒脉冲,采用上升沿作为准时沿,上升时间应小于50ns,脉宽应为20ms~200ms.而在实际应用时通过改变输出PPS秒脉冲的上升沿时间来提高时间同步精度。TOD协议报文发送频率为每秒1次。

    1、 协议格式

    NMEA-0183协议采用ASCII码来传递信息,我们称之为帧。

    帧格式如下:$aaccc,ddd,ddd,…,ddd * hh
    \x0d\x0a

    Ø “$”——帧命令起始位

    Ø aa(识别符号)ccc(语句名)——地址域

    Ø ddd…ddd——数据

    Ø “*”——校验和前缀

    Ø hh——校验和(check sum),$与*之间所有字符ASCII码的校验和

    (各字节做异或运算,得到校验和后,再转换16进制格式的ASCII字符。)

    Ø CR LF 回车和换行

    通用TOD报文一般支持:gprmcgprmc、gpzda的输入输出,格式如下:

    3.1$GPRMC语句

    3.1.1帧格式

    $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>

    1. UTC(Coordinated Universal Time)时间,hhmmss.ms(时分秒.毫秒)格式

    2. 定位状态,A=有效定位,V=无效定位

    3. 保留

    4. 保留

    5. 保留

    6. 保留

    7. 保留

    8. 保留

    9. 保留

    10. UTC日期,ddmmyy(日月年)格式

    11. 保留

    12. 保留

    13. 校验和

    3.1.2示例

    报文:$GPRMC,083550.00,A, 200919,A*57

    1) 083550.00 含义:当前UTC时间为8:35:50.00

    2) A 含义:当前状态有效

    10)200919 含义:20日9月19年

    3.2$GPZDA语句

    3.2.1帧格式

    $GPZDA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*<7>

    1. UTC(Coordinated Universal Time)时间,hhmmss.ms(时分秒.毫秒)格式

    2. UTC日期,dd (日)

    3. UTC日期,mm(月)

    4. UTC日期,yy (年)

    5. 保留

    6. 保留

    7. 校验和

    3.2.2示例

    报文:$GPZDA,083550.00,20,09,19,00,00*57

    1) 083550.00 含义:当前UTC时间为8:35:50.00

    2) 20 含义:当前UTC日期为20日

    3) 09 含义:当前UTC日期为9月

    4) 19 含义:当前UTC日期为19年

    然而在实际的应用中由于TOD信息结束滞后于PPS的上升沿,因此应该注意秒脉冲和时间信息的对应关系。

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北斗时间同步精度