مزامنة الساعة

📅 آخر تحديث: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مزامنة الساعة موضوعٌ في علوم وهندسة الحاسوب يهدف إلى تنسيق الساعات المستقلة . حتى عند ضبطها بدقة في البداية، ستختلف الساعات الحقيقية بعد فترة من الزمن بسبب انحراف الساعة ، الناتج عن حساب الساعات للوقت بمعدلات مختلفة قليلاً. هناك العديد من المشاكل التي تنشأ نتيجةً لاختلافات معدل الساعة، والعديد من الحلول، بعضها أكثر قبولاً من غيرها في سياقات معينة. [ 1 ]

مصطلحات

في الاتصالات التسلسلية ، قد يشير تزامن الساعة إلى استعادة الساعة ، التي تحقق تزامن التردد، على عكس تزامن الطور الكامل . يُستخدم هذا النوع من تزامن الساعة في التزامن في الاتصالات السلكية واللاسلكية والكشف التلقائي عن معدل الباود . [ 2 ]

يشير التشغيل شبه المتزامن أو المتزامن إلى نظام يتميز بتزامن التردد وقيود غير صارمة على تزامن الطور. أما التشغيل المتزامن فيعني تزامنًا أدق يعتمد على الزمن، وربما بالإضافة إلى التردد.

مشاكل

نتيجةً لصعوبات إدارة الوقت على نطاقات أصغر، تظهر مشكلات مرتبطة بانحراف الساعة ، وتزداد هذه المشكلات تعقيدًا في الحوسبة الموزعة حيث تحتاج عدة أجهزة حاسوب إلى تحقيق نفس التوقيت العالمي. على سبيل المثال، في أنظمة يونكس ، يُستخدم الأمر make لتجميع التعليمات البرمجية الجديدة أو المُعدّلة، ويسعى إلى تجنب إعادة تجميع التعليمات البرمجية غير المُعدّلة. يستخدم الأمر make ساعة الجهاز الذي يُشغّله لتحديد ملفات المصدر التي تحتاج إلى إعادة تجميع. إذا كانت ملفات المصدر موجودة على خادم ملفات منفصل ، وكان الجهازان لا يتزامنان في توقيت الساعة، فقد لا يُنتج برنامج make النتائج الصحيحة. [ 3 ]

يُعدّ التزامن ضروريًا لإعادة إنتاج الوسائط المتدفقة بدقة . ويُعتبر تزامن الساعة عنصرًا أساسيًا في أنظمة الصوت عبر الإيثرنت .

الحلول

في نظام ذي خادم مركزي، يكون حل التزامن بسيطًا؛ إذ يُحدد الخادم وقت النظام. تُعد خوارزمية كريستيان وخوارزمية بيركلي حلولًا محتملة لمشكلة تزامن الساعة في هذه البيئة.

في الحوسبة الموزعة، تزداد المشكلة تعقيدًا نظرًا لصعوبة تحديد التوقيت العالمي. يُعد بروتوكول وقت الشبكة (NTP) الحل الأكثر استخدامًا لمزامنة الساعات على الإنترنت، وهو عبارة عن بنية خادم-عميل متعددة الطبقات تعتمد على بروتوكول بيانات المستخدم (UDP) لتمرير الرسائل. تُعتبر طوابع لامبورت الزمنية وساعات المتجهات من مفاهيم الساعة المنطقية في الحوسبة الموزعة.

في الشبكات اللاسلكية ، تزداد المشكلة تعقيداً بسبب احتمالية تصادم حزم التزامن على الوسط اللاسلكي، وارتفاع معدل انحراف الساعات في الأجهزة اللاسلكية منخفضة التكلفة. [ 4 ] [ 5 ]

خوارزمية بيركلي

تُعدّ خوارزمية بيركلي مناسبة للأنظمة التي لا تحتوي على ساعة لاسلكية . لا يملك هذا النظام أي وسيلة للتأكد من الوقت الفعلي إلا من خلال الحفاظ على متوسط ​​زمني عالمي. يقوم خادم الوقت بجلب الوقت دوريًا من جميع عملاء الوقت، ثم يحسب متوسط ​​النتائج، ويُبلغ العملاء بالتعديلات اللازمة لساعاتهم المحلية للوصول إلى المتوسط. تُبرز هذه الخوارزمية حقيقة أن الساعات الداخلية قد تختلف ليس فقط في الوقت الذي تحتويه، بل أيضًا في معدل دقتها .

مزامنة الشبكة المتبادلة لأخذ عينات الساعة

يُعدّ تزامن الشبكة المتبادل بأخذ عينات الساعة (CS-MNS) مناسبًا للتطبيقات الموزعة والمتنقلة. وقد ثبتت قابليته للتوسع عبر شبكات المش التي تتضمن عقدًا غير متجاورة مرتبطة بشكل غير مباشر، وهو متوافق مع معيار IEEE 802.11 والمعايير المشابهة. ويمكن أن تصل دقته إلى بضعة ميكروثانية، ولكنه يتطلب اتصالًا لاسلكيًا ماديًا مباشرًا مع تأخير ضئيل جدًا في الوصلات (أقل من ميكروثانية واحدة) بين العقد المتجاورة، مما يحدّ المسافة بين العقد المتجاورة إلى بضع مئات من الأمتار. [ 6 ]

خوارزمية كريستيان

تعتمد خوارزمية كريستيان على وجود خادم زمني. [ 7 ] يحافظ الخادم الزمني على ساعته باستخدام ساعة لاسلكية أو مصدر زمني دقيق آخر، وبذلك تبقى جميع أجهزة الكمبيوتر الأخرى في النظام متزامنة معه. يقوم عميل الوقت بالحفاظ على ساعته عن طريق استدعاء إجراء إلى الخادم الزمني. تُجري بعض التعديلات على هذه الخوارزمية حسابات زمنية أكثر دقة من خلال مراعاة زمن انتشار موجات الراديو عبر الشبكة.

أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية

إضافةً إلى استخدامه في الملاحة، يُمكن استخدام نظام تحديد المواقع العالمي  (GPS) لمزامنة الساعات. تبلغ دقة إشارات التوقيت في نظام GPS ±10 نانوثانية. [ 8 ] يتطلب استخدام نظام GPS (أو أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأخرى ) للمزامنة جهاز استقبال متصل بهوائي ذي رؤية واضحة للسماء.

رموز الوقت لمجموعة أجهزة القياس بين النطاقات

تُعدّ رموز IRIG الزمنية تنسيقات قياسية لنقل معلومات التوقيت. غالبًا ما تُجهّز معايير التردد الذري وأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المصممة للتوقيت الدقيق بمخرج IRIG. وقد وضع هذه المعايير فريق عمل الاتصالات التابع لمجموعة أجهزة القياس بين النطاقات (IRIG) التابعة للجيش الأمريكي، وهي الهيئة المسؤولة عن وضع المعايير في مجلس قادة النطاقات. بدأ العمل على هذه المعايير في أكتوبر 1956، وتم اعتماد المعايير الأصلية في عام 1960. [ 9 ]

بروتوكول وقت الشبكة

بروتوكول وقت الشبكة (NTP) هو بروتوكول عالي الكفاءة، يُستخدم على نطاق واسع عبر الإنترنت. بعد سنوات من الاختبارات المكثفة، يُعتبر عمومًا أحدث ما توصلت إليه تقنيات مزامنة الوقت الموزعة للشبكات غير الموثوقة . فهو قادر على تقليل فروق التوقيت إلى بضعة أجزاء من الألف من الثانية عبر الإنترنت العام، وإلى أقل من جزء من الألف من الثانية عبر الشبكات المحلية .

يمكن أيضًا استخدام نسخة مبسطة من بروتوكول NTP، وهي بروتوكول وقت الشبكة البسيط (SNTP)، كبروتوكول مزامنة أساسي/ثانوي أحادي اللقطة بدون حالة ، ولكنه يفتقر إلى الميزات المتطورة لبروتوكول NTP، وبالتالي يتمتع بمستويات أداء وموثوقية أقل بكثير.

بروتوكول التوقيت الدقيق

بروتوكول التوقيت الدقيق (PTP) هو بروتوكول رئيسي/تابع لتوفير توقيت عالي الدقة عبر الشبكات المحلية.

مزامنة البث المرجعي

تُستخدم خوارزمية مزامنة الوقت عبر البث المرجعي (RBS) بشكل شائع في الشبكات اللاسلكية وشبكات الاستشعار. في هذه الخوارزمية، يقوم جهاز الإرسال ببث رسالة مرجعية لحث أجهزة الاستقبال على ضبط ساعاتها.

مزامنة البنية التحتية للبث المرجعي

بروتوكول مزامنة البنية التحتية للبث المرجعي (RBIS) [ 10 ] هو بروتوكول مزامنة رئيسي/تابع، مثل بروتوكول RBS، يعتمد على نموذج مزامنة جهاز استقبال/جهاز استقبال. وهو مصمم خصيصًا للاستخدام في شبكات IEEE 802.11 اللاسلكية المُهيأة في وضع البنية التحتية (أي، يتم تنسيقها بواسطة نقطة وصول). ولا يتطلب هذا البروتوكول أي تعديل على نقطة الوصول.

إيثرنت متزامن

تستخدم تقنية إيثرنت المتزامنة الإيثرنت بطريقة متزامنة بحيث يتم تحقيق دقة تزامن أقل من نانوثانية عند دمجها مع بروتوكولات التزامن مثل PTP في حالة مشروع White Rabbit .

شبكات لاسلكية مخصصة

تُحقق المزامنة في الشبكات اللاسلكية المخصصة من خلال إرسال رسائل المزامنة عبر عدة قفزات ، حيث تتزامن كل عقدة تدريجيًا مع العقدة التي أرسلت رسالة المزامنة مباشرةً. ومن الأمثلة على ذلك بروتوكول مزامنة وقت الفيضان (FTSP) [ 4 ] وبروتوكول هارمونيا [ 5 ]، وكلاهما قادر على تحقيق المزامنة بدقة تصل إلى أجزاء من الميكروثانية.

هيغنز

قدّم باحثون من جامعة ستانفورد وجوجل خوارزمية هيغنز، وهي خوارزمية مزامنة ساعات شاملة تعتمد على المجسات. تُنفَّذ هيغنز برمجياً، ما يسمح بنشرها في مراكز البيانات أو بيئات الحوسبة السحابية العامة . من خلال الاستفادة من بعض الجوانب الرئيسية لمراكز البيانات الحديثة وتطبيق خوارزميات تقدير مبتكرة وتقنيات معالجة إشارات متطورة، حققت خوارزمية هيغنز دقة تصل إلى عشرات النانوثواني حتى في ظل أحمال الشبكة العالية. [ 11 ] ويجري حالياً اختبار نتائج هذا البحث في تطبيقات الأسواق المالية. [ 12 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تانينباوم، أندرو س .؛ فان ستين، مارتن (2002)، الأنظمة الموزعة  : المبادئ والنماذج ، برنتيس هول ، ISBN 0-13-088893-1
  2. ↑ نورمان ماتلوف (3 سبتمبر 2001)، الإرسال عبر خط تسلسلي (ملف PDF) ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أبريل 2018
  3. ↑ ماركو بلاتانيا (2018-06-03). "مزامنة الساعة" (ملف PDF) . ص 11. 
  4. 1 2 ماروتي، ميكلوس؛ كوسي، برانيسلاف؛ سيمون، جيولا؛ ليديتشى، أكوس (2004). "بروتوكول مزامنة وقت الفيضان". وقائع المؤتمر الدولي الثاني حول أنظمة الاستشعار الشبكية المدمجة . SenSys '04. نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: ACM. ص 39-49 . doi : 10.1145/1031495.1031501 . ISBN  1581138792. S2CID 9897231 . 
  5. 1 2 كو، جينكيو؛ بانتا، راجيش ك.؛ باغشي، سوراب؛ مونتستروك، لويس (2009). "قصة ساعتين متزامنتين". وقائع المؤتمر السابع لجمعية الحوسبة الآلية (ACM) حول أنظمة الاستشعار الشبكية المدمجة . SenSys '09. نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: ACM. الصفحات 239-252 . doi : 10.1145/1644038.1644062 . ISBN  9781605585192. S2CID 8242938 . 
  6. ↑ رينتل، كارلوس هـ.؛ كونز، توماس (مارس 2005)، "خوارزمية مزامنة الوقت المتبادل للشبكات اللاسلكية المخصصة باستخدام أخذ عينات الساعة"، مؤتمر IEEE للاتصالات اللاسلكية والشبكات، 2005 ، المجلد 1، مطبعة IEEE، الصفحات 638-644 ، doi : 10.1109/WCNC.2005.1424575 ، ISBN   0-7803-8966-2، S2CID 1340072 
  7. ↑ كريستيان، ف. (1989)، "مزامنة الساعة الاحتمالية"، الحوسبة الموزعة ، 3 (3)، سبرينغر: 146-158 ، doi : 10.1007/BF01784024 ، S2CID 3170166 
  8. ↑ "نقل الوقت عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للعرض المشترك" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28-10-2012.
  9. ↑ جوش ماتسون (مايو 2013). "اختيار بروتوكول مزامنة الوقت الصحيح ودمج وحدة 1756-TIME في تطبيقك" (ملف PDF) . روكويل أوتوميشن . تاريخ الاسترجاع: 13 أغسطس 2019 .
  10. ↑ سينا، جي.؛ سكانزيو، إس.؛ فالينزانو، أ.؛ زونينو، سي. (يونيو 2015)، "تنفيذ وتقييم بروتوكول مزامنة البنية التحتية للبث المرجعي"، معاملات IEEE في المعلوماتية الصناعية ، 11 (3)، مطبعة IEEE: 801-811 ، رمز Bibcode : 2015ITII...11..801C ، doi : 10.1109/TII.2015.2396003 ، S2CID 17867070 
  11. ↑ استغلال تأثير الشبكة الطبيعية لمزامنة الساعة القابلة للتطوير والدقيقة . 2018. الصفحات 81-94 . ISBN  9781939133014.
  12. ↑ جون ماركوف (29 يونيو 2018). "تقسيم الوقت إلى أجزاء من النانوثانية هو بالضبط ما تريده وول ستريت" . نيويورك تايمز .

للمزيد من القراءة