In sehr viele Wirtschaftssektoren ist es für den Betrieb wichtig, sicherzustellen, dass die Rechner in einem Computernetzwerk synchronisiert sind. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Rechner über das Netzwerk zeitlich zu synchronisieren. Zeitsynchronisationsprotokolle kommen zum Einsatz, um verschiedene Rechner mittels Verteilung von Zeitstempeln zu synchronisieren. Dafür verbreiten diese Protokolle meist die Zeit einer Referenzuhr wie einer Atomuhr oder eines GPS. Jedoch wird es umso schwieriger, die Rechner zu synchronisieren, je größer ein Netzwerk ist.
Derzeit sind die am weitesten verbreiteten Protokolle das Network Time Protocol (NTP) und das Precision Time Protocol (PTP). Jedes von ihnen erfüllt bestimmte Ziele, die sich für eine bestimmte Anwendung mehr oder weniger gut eignen.
NTP
Das NTP-Protokoll (Network Time Protocol) gehört zu den ersten Zeitsynchronisationsprotokollen, die erstellt wurden. Im Jahr 1985 wurde es erstmals in der Norm RFC 958 standardisiert. Von Version 0 an bietet dieses Protokoll eine Genauigkeit von unter einer Sekunde. Die Version 1 wurde 1988 als RFC 1059 vorgestellt. Sehr schnell (im folgenden Jahr) wurde dann Version 2 von NTP formalisiert, hauptsächlich um einen Authentifizierungsmechanismus hinzuzufügen (Version RFC 1119). Die Version 3 wurde 1992 als RFC 1305 vorgestellt. Schließlich wurde die aktuelle Version (Version 4) im Juni 2010 als RFC 5905 veröffentlicht.
NTP ist ein hierarchisches Protokoll. An der Spitze der Hierarchie steht die Referenzuhr, die ihre Zeit an das gesamte NTP-Netzwerk weitergibt. Das NTP-Netzwerk ist in Schichten organisiert, über die sich die Entfernung der Uhren zur Referenzuhr definieren lässt. Die Referenzuhr befindet sich in Schicht 0.
Das Protokoll ist baumartig organisiert: Die ersten NTP-Server befinden sich auf Schicht 1 und werden mit einer Referenzzeitquelle synchronisiert (Atomuhr, Zeitcodeempfänger, GPS-Empfänger ...). Die nächsten Server befinden sich in Schicht 2 und synchronisieren sich mit einem oder mehreren Servern in Schicht 1; und so geht es weiter bis zur letzten Schicht.
Der Standard sieht maximal 16 Schichten vor, in der Praxis befindet sich die Mehrheit der Server in Schicht 3 und 4. Je weiter unten in der Hierarchie die Server stehen, desto länger sind die Kommunikationsverzögerungen, die auftreten und die Qualität der Synchronisation stören können.
Dank verschiedener Weiterentwicklungen kann NTP heute eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich erreichen und gleichzeitig die Kommunikation schützen, wenn dies gewünscht ist. Diese Eigenschaft macht das Protokoll zu einer einfachen Wahl für den Einsatz in größeren Netzwerken.
PTP
Das PTP-Protokoll (Precision Time Protocol) ist ein neueres Protokoll, das vom IEEE-Institut unter dem Namen IEEE-1588 standardisiert wurde. Seine erste Version stammt aus dem Jahr 2002 und wurde 2008 und 2019 überarbeitet. Die Version von 2008 gilt als Version 2 und ist nicht mit der Version von 2002 kompatibel. Die Version von 2019 ist keine Hauptversion und bietet lediglich einige Optimierungen, z. B. bei der Verwaltung von Umgebungen mit mehreren Domänen.
PTP bietet eine sehr hohe Genauigkeit, die in lokalen Netzwerken bis zu einer Nanosekunde betragen kann. Da PTP ein Netzwerkprotokoll ist, funktioniert es auch über große Distanzen hinweg, jedoch können längere Kommunikationswege zwischen den Uhren auch dazu führen, dass es häufiger zu Verzögerungen kommt. Dadurch wird es schwieriger, die maximale Genauigkeit zu erreichen. Im Gegensatz zu NTP beruht das Precision Time Protocol auf Hardware- und nicht auf Software-Zeitstempeln und erfordert daher spezielle Hardware.
PTP funktioniert mit Domänen. Domänen werden von einer Gruppe von miteinander synchronisierten Uhren gebildet. Die Standardkonfiguration enthält nur eine Domäne. Das PTP-Protokoll funktioniert nach einem asymetrischen Prinzip mit einer Master-Uhr, die ihren Zeitstempel an sie Slave-Uhren verteilt. Diese wiederum senden Nachrichten an die Master-Uhr, um die Zeitverzögerung zwischen ihnen zu berechnen, damit ihre Uhren korrekt synchronisiert werden können. Um festzulegen, wer die Master-Uhr einer Domäne ist, verwendet PTP den BMCA-Algorithmus (Best Master Clock Algorithm). Der BMCA beobachtet, wie jede Uhr ihre Merkmale an andere Uhren weitergibt, und ermittelt dann diejenige, die am besten geeignet ist, die Master-Uhr zu werden. Die Master-Uhr wird dann die Zeit einer Referenzuhr (Atomuhr oder GPS) weitergeben, um eine möglichst genaue Synchronisation zu erreichen.
Aufgrund seiner sehr hohen Genauigkeit und seiner Eignung für den Betrieb in Standardnetzwerken wird PTP häufig in Branchen mit anspruchsvollen Anforderungen an die Zeitsynchronisation eingesetzt. Diese Branchen verfügen in der Regel über spezifizierte Profile (PTP-Konfiguration), die auf die besonderen und anwendungsspezifischen Bedürfnisse zugeschnitten sind.
Welches Protokoll für welchen Bedarf?
Diese Protokolle erfüllen nicht dieselben Bedürfnisse. NTP gehört zu den Pionieren unter den Protokollen für die Zeitsynchronisation. Das Protokoll hat sich immer weiterentwickelt und ist daher bis heute nicht veraltet, sondern erfüllt weiterhin die Bedürfnisse vieler Nutzer. Die einfache Einrichtung, die vielen öffentlich verfügbaren NTP-Server und die Genauigkeit im Mikrosekundenbereich machen das Protokoll zur optimalen Wahl für Organisationen, die selbst keine Anwendungen entwickeln und für der Synchronisationsbedarf nicht kritisch ist. Anwendungen, bei denen eine geringe Verzögerung zwischen verschiedenen Uhren nicht relevant ist, können sich vollständig auf NTP verlassen, das nur als Software in einem Netzwerk bereitgestellt wird.
PTP bietet mehr Sicherheiten, allerdings um den Preis einer komplizierteren Einführung und Wartung. Durch die Standardisierung von PTP wurde jedoch die Verwendung von Profilen für jeweils bestimmte Anwendungen ermöglicht und dadurch die Inbetriebnahme und Interoperabilität der Geräte erleichtern. Netzwerkgeräte (Switch oder Router) unterstützen häufig nativ das PTP-Protokoll, was zu einer besseren Einschätzung der Verzögerungszeiten und damit zu einer höheren Genauigkeit über große Distanzen hinweg führt. PTP ist darüber hinaus für die anspruchsvollsten Anwendungen in der Industrie unverzichtbar, bei denen ein Problem mit der Zeitsynchronisation große Auswirkungen hätte.
Letztendlich hängt die Wahl des Synchronisationsprotokolls von vielen Parametern ab, z. B. von der geplanten Anwendung, der Größe des zu synchronisierenden Netzwerks, der erwarteten Genauigkeit etc.
Mit über 150 Jahren Erfahrung in der Zeiterfassung und im Zeitmanagement und einer Präsenz in über 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz. Der modulare Aufbau der Netsilon-Zeitserver passt sich den Bedürfnissen und Anwendungen an und wächst mit ihnen. Die Server bieten eine Zeitsynchronisation unter anderem über das NTP- und das PTP-Protokoll an.