Основные подходы к частотно-временному обеспечению (синхронизации)

Юрий Миронов

Основные подходы обеспечения синхронизации

На сегодняшний день в телекоммуникационных сетях активно используются несколько протоколов синхронизации [1], среди которых можно выделить наиболее распространённые: NTP (Network Time Protocol) [2], PTP (Precision Time Protocol) [3], Sync Ethernet (Synchronous Ethernet) [4-6], IRIG-B [7] и сигнал 1PPS [8].
В зависимости от требований потребителя используются различные протоколы синхронизации, которые обеспечивают требуемую степень точности и надёжности передачи данных, а также учитывают специфику работы с конкретными устройствами и системами.
NTP представляет собой сетевой протокол, предназначенный для синхронизации внутренних часов компьютера через сети с переменной латентностью. Основанный на алгоритме Марзулло [9] и использующий протокол UDP, NTP обеспечивает устойчивость к изменениям латентности среды передачи. В четвёртой версии протокол NTP достигает точности 10 мс при работе через Интернет и 1 мс внутри локальных сетей [10, 11].
Протокол PTP изначально был определён в стандарте IEEE 1588-2002 и предназначен для синхронизации часов по компьютерной сети [12]. На данный момент существует три версии данного протокола: PTPv1 [12], PTPv2 [13], PTPv2.1 [14].
Точность протокола PTP зависит от архитектуры сети и интенсивности сетевого трафика. Программные реализации PTP позволяют передавать сигналы синхронизации с точностью порядка 100 мкс. При программно-аппаратной реализации можно добиться точности порядка 20 нс. В случае полной аппаратной реализации протокола PTP точность составляет порядка 10 нс [15].
Synchronous Ethernet (SyncE) является стандартом Международного союза электросвязи (МСЭ, ITU) для компьютерных сетей, который обеспечивает синхронизацию путём передачи тактовых импульсов на физическом уровне Ethernet. SyncE был стандартизирован МСЭ-Т в сотрудничестве с IEEE в виде трёх рекомендаций: ITU-T Rec. G.8261 [16], ITU-T Rec. G.8262 [17], ITU-T Rec. G.8264 [18]. Механизм синхронизации сети SyncE основан на иерархии тактовых генераторов. В корне иерархического древа тактовых генераторов расположен наиболее точный (по сравнению с другими используемыми генераторами) генератор. Практически во всех сетях SyncE самый точный генератор представлен PRC-генератором (Primary Reference Clock, первичный эталонный генератор, который используется для построения сети синхронизации) с точностью 10–11 Гц [19].
IRIG-B – промышленный стандарт GPS-синхронизации, разработанный компанией Inter-Range Instrumentation Group. Этот стандарт может применяться на объектах энергетики для контроля качества и стабильности процессов. В этом случае последовательность событий с временной синхронизацией записывается с шагом 1 мс. Коды временной синхронизации IRIG-B могут быть переданы только по выделенным физическим каналам типа витой пары или коаксиальных кабелей. IRIG-B также требует внешнего источника точного времени. Точность передаваемых значений точного времени лежит в микросекундном диапазоне. С помощью кодов IRIG-B коммерческие устройства синхронизируются с точностью до 1 мкс [7].

Технология 1PPS (Pulse Per Second) основана на сигнале временной синхронизации, который означает начало каждой секунды. Сигнал 1PPS передаётся потребителю по выделенной линии. Потребители не могут с помощью 1PPS получить информацию по дате и времени, поэтому его чаще используют совместно с другими протоколами синхронизации. Точность сигналов PPS сильно варьируется в зависимости от источника: приёмники ГНСС (глобальная навигационная спутниковая система) обеспечивают погрешность от нескольких десятков до сотен наносекунд, в то время как высокостабильные атомные часы поддерживают точность пикосекундного диапазона [20]. IRIG-B и 1PPS считаются стандартными протоколами для прямой синхронизации, т.е. работают только при прямом подключении к серверу времени по выделенному каналу связи.

Основные потребители синхронизации и их требования

Основными потребителями синхронизации являются сети связи, системы часофикации, автоматизированные системы управления, автоматизированные рабочие места информационных и информационно-управляющих систем, автоматизированные системы расчётов, оборудование тарификации и т.д. [21]. Перспективным потребителем синхронизации является наземный беспилотный транспорт. Но на данный момент отдельных стандартов по точности синхронизации таких потребителей нет, и используется существующая инфраструктура синхронизации (ГНСС). Следовательно, требования к точности синхронизации шкал времени аналогичны требованиям к GPS/ГЛОНАСС.

Пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении разности (расхождения) шкал времени в диапазоне от 10-7 до 8,64∙104 c [22] относительно национальной шкалы времени Российской Федерации UTC(SU) не должны превышать ± 60 мс для протокола NTP. Для протокола PTP расхождение шкал времени не должно превышать ± 10 мкс. Пределы допускаемой абсолютной погрешности смещения собственной шкалы времени (ШВ) относительно ШВ UTC(SU) в режиме синхронизации по сигналам ГНСС ГЛОНАСС/GPS не должны превышать ± 1 мкс в диапазоне от 10-7 до 8,64∙104 c, при этом реальные значения точности синхронизации шкал времени составляют порядка 10 нс при использовании дифференциальных технологий и порядка 100 пс при использовании технологии PPP (Precise Point Positioning) [23].

Для обеспечения работы основных подсистем сетей связи 4G, 5/6G необходима подсистема частотно-временной синхронизации. К этой подсистеме предъявляются требования по точности синхронизации ШВ – не выше 1,5 мкс по отношению к ШВ UTC для сетей 4G и 65-150 нс для сетей 5/6G [24-29].

Для служб предоставления услуг, основанных на определении текущего местоположения мобильного телефона, и некоторых реализаций LTE-A требования к точности временной синхронизации составляют порядка 100 нс [30].

Отдельные требования предъявляются к точности синхронизации в средствах автоматизации управления воздушным движением. В России данные требования закреплены в [31]. По данному стандарту погрешность синхронизации шкалы времени средств обработки информации наблюдения (СОИН) не должна превышать 5 мс.

В финансовом секторе для обеспечения синхронизации используется протокол точного времени PTP. Точность синхронизации в данном случае регламентируется MiFID 2 (Директива о рынках финансовых инструментов 2014 г.) [32]. Для высокочастотной алгоритмической торговли допустимое отклонение от UTC – не более 100 мкс.

В энергетическом секторе в качестве примера рассматриваются требования по точности синхронизации шкал времени ПАО «Россети Московский регион». В [33] в качестве требований указано обязательное требование по использованию протокола SNTP v3+. В настоящее время актуальная версия данного протокола SNTP v4. Согласно [2] точность синхронизации составляет 1-10 мс.

Заключение

В настоящее время в качестве основного источника сигнала синхронизации используются сигналы ГНСС, таких как ГЛОНАСС, GPS Navstar, Galileo и BeiDou. Параллельно с этим развиваются региональные навигационные спутниковые системы (региональные НСС), такие как QZSS (Япония), IRNSS (Индия) [34]. Кроме того, в качестве источника эталонного времени используются атомные часы – например, они применяются в Государственном первичном эталоне единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ), от сигналов рабочих шкал которого работают NTP-серверы Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Росстандарта.
Но, несмотря на широкое распространение и длительную эксплуатацию, ГНСС имеют ряд уязвимостей. Основываясь на исследовании «Лаборатории Касперского» [35], можно выделить следующие уязвимости: подавление спутникового сигнала, перекрытие сигнала большими конструкциями, подделка спутникового сигнала (спуфинг), физические атаки на спутник (маловероятно) и на приёмники ГНСС. Реализация описанных уязвимостей может привести к нарушению работы ГНСС, что негативно повлияет на функционирование значительной части критически важной инфраструктуры страны. Наряду с уязвимостями на функционирование ГНСС может оказывать влияние космическая погода [36].
За последнее время участились случаи нарушения работы ГНСС [37-42]. Так, авиационная ассоциация Eurocontrol сообщает о 3500 сообщений о нарушении работы ГНСС в 2019 году. По данным компании SiTime минимум 100 тысяч случаев отказа в доступе к GPS происходит ежегодно: 27 апреля 2024 года два самолёта финской авиакомпании Finnair не смогли приземлиться в городе Тарту из-за сбоев в работе GPS [39]. Аналитическая компания RTI International [40] подсчитала предварительные убытки при глобальном сбое в работе GPS в течение одних суток. Потери в экономике составят порядка $1 миллиарда [41]. В октябре 2024 года была нарушена работа 120 из 140 российских NTP-серверов [42]. Причиной нарушения стала новая прошивка умных колонок серии «Станция» компании «Яндекс», которая перегружала запросами NTP-серверы. Отсутствие своевременного вмешательства привело к тому, что к 23-24 ноября этого года в Сети осталось всего четыре сервера. Данная статистика обуславливает целесообразность разработки и испытаний альтернативных способов доставки сигналов синхронизации конечным потребителям.

Источники:

[1] Воробьёв, А.С. Тенденции развития оборудования сетевой синхронизации / А.С. Воробьёв, Н.Л. Сторожук // Радионавигация и время. – 2022. – Т. 10, № 18. – C. 29-34.
[2] RFC 5905: Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification. RFC Editor, USA. – DOI: 10.17487/RFC5905.
[3] EEE Std 1588-2008: IEEE Standard for A PrecisionClock Synchronization Protocol for Networked Measurementand Control Systems, 2008.
[4] ITU-T Recommendation G.8261: Timing and synchronization aspects in packet networks, 2008.
[5] ITU-T Recommendation G.8262: Timing characteristic of equipment clocks, 2008.
[6] ITU-T Recommendation G.8264: Distribution of timing information through packet networks, 2008.
[7] IRIG STANDARD 200-04. – URL: https://www.irigb.com/pdf/wpirig-200-04.pdf (дата обращения 09.03.2026).
[8] L . Mengtong and T. Linwei, “Synchronization Technology and System Based on 1 Pulse Per Second Signal”, 2021 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), Xi’an, China, 2021, pp. 1-5, DOI: 10.1109/ICSPCC52875.2021.9565027.
[9] Marzullo, K. Maintaining the time in a distributed system. / K. Marzullo, S. Owicki // PODC ‘83: Proceedings of the second annual ACM symposium on Principles of distributed computing. – 1983. – С. 295305. – DOI: 10.1145/800221.806730.
[10] The NTP FAQ and HOWTO. – URL: http://ntp.org/ntpfaq (дата обращения: 09.03.2026).
[11] Fubin, P. “The accuracy of IEEE 1588 time synchronization protocol and its improvement” / Pang Fubin, Yuan Yubo, Gao Lei and Song Liangliang // 2015 12th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments (ICEMI), Qingdao, China. – 2015. – С.280-284. – DOI: 10.1109/ICEMI.2015.7494173.
[12] IEEE Std 1588-2002 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurements and Control Systems.
[13] IEEE Std 1588-2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurements and Control Systems.
[14] IEEE Std 1588-2019 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurements and Control Systems.
[15] Телегин, С.А. Протокол PTP для синхронизации сетей NGN. Вопросы применения / С.А. Телегин // Первая миля. – 2009. – Т.5, № 6. – C. 20-23.
[16] ITU-T Recommendation G.8261: Timing and synchronization aspects in packet networks, 2008.
[17] ITU-T Recommendation G.8262: Timing characteristic of equipment clocks, 2008.
[18] ITU-T Recommendation G.8264: Distribution of timing information through packet networks, 2008.
[19] Ибрагимов, И. Синхронизация в больших и неоднородных сетях SyncE / И. Ибрагимов // Электронные компоненты. – 2020. – №6. – С. 30-33.
[20] ITU-R Handbook on Selection and Use of Precise Frequency and Time Systems, 1997, https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/hdb/
R-HDB-31-1997-PDF-R.pdf (дата обращения 09.03.2026).
[21] Прошин, Ф.А. Методы синхронизации в сетях связи / Ф.А.Прошин, М.Н. Сторожук, Н.Л. Сторожук // Первая миля – 2024. – Т. 2, №118. – С. 62-69. – DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.62.69.
[22] Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 9 октября 2017 г. № 538 “Об утверждении Методики измерений разности (расхождения) шкал времени на основе протоколов NTP и РТР (МИ РШВ.01.08-2017)”.
[23] Скакун, И.О. Сличение шкал времени с использованием сигналов ГНСС / И.О. Скакун // Труды МАИ. – 2014. — №73. – 26 с.
[24] Рыжков, А.В. Опыт внедрения систем частотно-временного обеспечения сетей связи / А.В. Рыжков, М.Л. Шварц, В.М. Аладин, А.В. Исупов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.– 2022. – Т. 16, № 7. – С. 21-28. – DOI:10.36724/2072-8735-2022-167-21-28.
[25] Рыжков, А.В. Предпосылки создания когерентной сети связи общего пользования – основы сквозных цифровых технологий / А.В. Рыжков, М.Л. Шварц // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2021. – Т. 15, №7. – С. 14-22. – DOI:10.36724/20728735-2021-15-7-14-22.
[26] Шварц, М.Л. Современные тенденции развития систем сетевой синхронизации в сетях электросвязи. От плезиохронных до когерентных сетей / М.Л. Шварц, А.В. Рыжков // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. – 2021. – Т. 1, № 4. – С. 27-38.
[27] Рыжков, А.В. Пути формирования прецизионной шкалы времени национальной сети связи / А.В. Рыжков, М.Л. Шварц // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2020. – Т. 14, №2. – С.17-24. – DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-2-17-24.
[28] Рыжков, А.В. Частотно-временное обеспечение сети связи общего пользования: состояние и перспективы развития / А.В. Рыжков, А.Ю. Насонов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2014. – Т. 8, №2. – С. 41-46.
[29] Рыжков, А.В. Частотно-временное обеспечение в сетях электросвязи. Учебное пособие для вузов // М.: Горячая линия – Телеком. – 2018. – 270 с.
[30] ITU-T Recommendation G.8271.1: Network limits for time synchronization in packet networks with full timing support from the network, 2022.
[31] ГОСТ Р 59406-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. «Обработка информации наблюдения в средствах автоматизации управления воздушным движением единой системы организации воздушного движения Российской Федерации» (утверждён и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 марта 2021 г. N 161-ст).
[32] Directive 2014/65/EU of the European Parliament and of the Council of 15 May 2014 on markets in financial instruments and amending Directive 2002/92/EC and Directive 2011/61/EU.
[33] Методические указания по применению в ПАО «Россети Московский регион» основных технических решений по эксплуатации, реконструкции и новому строительству электросетевых объектов. – 2023. — №6. – 267 с.
[34] Куприянов, А.О. Глобальные навигационные спутниковые системы: Учебное пособие / А.О. Куприянов // М.: МИИГАиК. – 2017. – 76 с.
[35] Уязвимости ГНСС. – URL: https://securelist.ru/internet-exposed-gnss-receivers-in-2024/111056/ (дата обращения 16.04.2025).
[36] Demyanov, V. Space Weather Impact on GNSS Performance / V. Demyanov, Y. Yasyukevich, M. A. Sergeeva, A. Vesnin. // Springer Cham. – 2022. – DOI: 10.1007/978-3-031-15874-2.
[37] Нарушения работы ГНСС. – URL: http://vestnik-glonass.ru/news/tech/v-2020-godu-gnss-glushili-tysyachi-raz/ (дата обращения 09.03.2026).
[38] Alternative PNT. – URL: https://www.mpdigest.com/2022/10/24/alternative-pnt-solutions-patch-gnss-vulnerabilities/ (дата обращения 09.03.2026).
[39] Сбои в работе GPS. – URL: https://www.dp.ru/a/2025/05/25/zamedlenie-tempov-rosta-dohodov (дата обращения 09.03.2026).
[40] RTI International. – URL: https://www.rti.org/impact/gps-14-trillioneconomic-engine (дата обращения 09.03.2026).
[41] Нарушения работы ГНСС. – URL: https://oninvest.com/article/vnezony-dostupa-pocemu-my-teraem-svaz-s-kosmosom-i-cem-etogrozit (дата обращения 09.03.2026).
[42] Нарушения синхронизации. – URL: https://3dnews.ru/1114713/oshibka-v-obnovlenii-yandeks-stantsiy-narushila-rabotu-serverov-sinhronizatsii-vremeni-v-runete (дата обращения 09.03.2026).

Об авторе:

Миронов Юрий Борисович, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
© Юрий Миронов 2026