{"id":2586,"date":"2023-04-06T10:54:43","date_gmt":"2023-04-06T08:54:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/?p=2586"},"modified":"2023-05-04T16:26:34","modified_gmt":"2023-05-04T14:26:34","slug":"stratum-schichten-ein-beispiel-fuer-ihre-notwendigkeit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/stratum-schichten-ein-beispiel-fuer-ihre-notwendigkeit\/","title":{"rendered":"Stratum Schichten: Ein Beispiel f\u00fcr ihre Notwendigkeit"},"content":{"rendered":"\n
Es ist Montagmorgen um 9:30 Uhr. Ein Verkaufsantrag wird an der B\u00f6rse aufgegeben. Unmittelbar danach kommen zwei Kaufantr\u00e4ge daf\u00fcr an. Doch es kann nur einen K\u00e4ufer geben. Wer war schneller und ist berechtigt? Und wie wird die Fairness sichergestellt und garantiert, dass es zu keinen Kollisionen kommt? Der Handel von Aktien bestimmt das Geschehen an der B\u00f6rse. Die Erfassung von Handelsereignissen folgt strengen Regeln. Die Einhaltung der Regeln wird durch die von der ESMA organisierte MiFID II sichergestellt, um die Funktionalit\u00e4t von Zeitstempeln und damit die volle Integrit\u00e4t im Handel zu regeln.<\/p>\n\n\n\n
Abbildung 1 zeigt das oben beschriebene Szenario mit vereinfachten Zahlen. Demnach wurde der Verkaufsauftrag zu einem bestimmten Zeitpunkt erteilt, und es werden andere Zeitpunkte f\u00fcr relative Ereignisse normalisiert. Kaufauftrag 1 kam zum Zeitpunkt 100 ms sp\u00e4ter und Kaufauftrag 2 kam zum Zeitpunkt 110 ms sp\u00e4ter. 10 ms trennen die beiden potenziellen K\u00e4ufer. Wir sehen: Millisekunden spielen hier eine extrem wichtige Rolle.<\/p>\n\n\n\n
Abb. 1: Beispielhafter Ablauf eines Verkaufsantrags.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Um die richtige Reihenfolge der K\u00e4ufe zu gew\u00e4hrleisten, bedarf es genauer Uhren. Bei einer Differenz von 10 ms zwischen zwei Kaufauftr\u00e4gen und einem m\u00f6glichen Fehler von +\/-5 ms aufgrund der Ungenauigkeit der Uhren ergibt sich im \u201eschlimmsten\u201c Fall eine Kaufzeit von je 105 ms. Jetzt kommen sogenannte Zeitstempel (time stamps) ins Spiel. Diese werden verwendet, um einem Ereignis einen eindeutigen Zeitpunkt zuzuordnen. Es w\u00fcrde also eine Ungerechtigkeit auftreten, wenn der Fehler der Zeitstempel gr\u00f6\u00dfer als +\/- 5 ms ist. Gem\u00e4\u00df MiFID m\u00fcssen jedoch die Uhren der Ger\u00e4te an den Handelspl\u00e4tzen, an denen die Transaktionen des algorithmischen Hochfrequenzhandels abgewickelt werden, mit einer Abweichung von weniger als 100 Mikrosekunden zur UTC-Zeit synchronisiert werden, wobei die Granularit\u00e4t mindestens 1 Mikrosekunde betragen muss. Das f\u00fchrt uns zu der Frage:<\/p>\n\n\n\n
Abb. 2: Zeitstempel gew\u00e4hrleisten die richtige Reihenfolge der K\u00e4ufe.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Wie lassen sich Zeitfehler in einem System minimieren?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Abbildung 3 zeigt einen beispielhaften Weg des Zeitsignals im Idealfall: Die UTC-Uhr ist der Ausgangspunkt. Das Signal dieser Uhr wird \u00fcber GNSS-Satelliten an die Grand Master Clock gesendet. Von hier aus geht das Signal zu Boundary Clocks und dann zu verschiedenen Hosts mit Transparent Clocks.<\/p>\n\n\n\n
Innerhalb eines Host-Rechners sollte eine grundlegende\nKausalit\u00e4tsbeziehung der Verarbeitung eines Ereignisses zwischen den Aufgaben\nerf\u00fcllt sein. Aus der Abbildung geht\nhervor:<\/p>\n\n\n\n
T1 ist der Zeitpunkt der Erkennung eines\nEreignisses in einer Schnittstellenkarte. <\/li>
T2 ist das Task-Timing f\u00fcr den Empfang des\nEreignisses. <\/li>
T3 ist das Task-Timing f\u00fcr die Bearbeitung des\nEreignisses. <\/li>
T4 ist das Task-Timing f\u00fcr die Beantwortung des\nEreignisses. <\/li>
T5 ist das Task-Timing f\u00fcr das Senden einer\nAntwort auf das Ereignis \u00fcber eine Schnittstellenkarte. <\/li><\/ul>\n\n\n\n
Die synchronisierten Uhren in der Host-Maschine sollten eine gewisse Genauigkeit aufweisen, um eine korrekte Kausalit\u00e4tsbeziehung aufrechtzuerhalten, d.h. T1 < T2 < T3 < T4 < T5 muss eingehalten werden. Aus \u00fcbergeordneter Sicht w\u00fcrden die Host-Rechner in einem Netz nat\u00fcrlich eine kompliziertere Kausalit\u00e4tsbeziehung aufweisen, so dass die Anforderungen an die Zeitgenauigkeit in der Regel an der oberen Position eines Netzes strenger werden.<\/p>\n\n\n\n
Abb. 3: Die Zeitinformation wird \u00fcber verschiedene Uhren hinweg zur Host Machine transportiert.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Das Ganze findet in einem Precision Time Protocol Netzwerk (PTP, auch bekannt als IEEE1588v2) statt. PTP erm\u00f6glicht die Synchronisierung der Zeiteinstellungen mehrerer Ger\u00e4te in einem Computernetzwerk. In einem PTP-Netzwerk gibt es mehrere kommunizierende Uhren. Die “Grandmaster Clock” liefert die genaueste Zeit und fungiert als Standarduhr. Eine gew\u00f6hnliche Uhr kann entweder die Quelle als “Master” oder der Empf\u00e4nger der Zeit als “Slave” sein. Diese Uhren synchronisieren sich direkt. Die Boundary Clock transportiert Zeitinformationen \u00fcber eine Netzwerkgrenze hinweg. Eine Transparent Clock verbessert die Weiterleitung von Zeitinformationen innerhalb eines Netzwerks. Sie empf\u00e4ngt PTP-Nachrichten und leitet sie gegebenenfalls modifiziert und korrigiert weiter. Die Abbildung zeigt auch die Vorschl\u00e4ge der verschiedenen Stratum-Schichten in verschiedenen Uhren. Wir werden gleich sehen, was die Zahlen des Stratums bedeuten.<\/p>\n\n\n\n
Das obere Szenario beschreibt den idealen Zustand, in dem das Zeitsignal \u00fcberall von oben nach unten ohne Unterbrechung und Hindernis durchdrungen werden kann. Die Realit\u00e4t sieht jedoch so aus, dass die Synchronisierung aufgrund der Anf\u00e4lligkeit von GNSS, Verz\u00f6gerungen\/Unterbrechungen bei der Paket\u00fcbertragung, Netz\u00fcberlastung oder begrenzten Ausl\u00f6seintervallen f\u00fcr die Synchronisierung usw. immer eingeschr\u00e4nkt ist.<\/p>\n\n\n\n
Abb. 4: Die Synchronisierung der Zeitinformation kann gest\u00f6rt werden. <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Um die Genauigkeit der Zeit und der Zeitstempel aufrechtzuerhalten, m\u00fcssen die Uhren in einem PTP-Netz auch im Falle eines Ausfalls ein pr\u00e4zises Zeitsignal liefern. Hier beschreibt die Holdover Stability die F\u00e4higkeit, die Integrit\u00e4t der Uhr aufrechtzuerhalten, wenn die \u00fcbergeordneten Synchronisationstakte irgendwie verloren gehen oder unzureichend sind. Eine h\u00f6here Schicht bedeutet, dass die Uhr eine l\u00e4ngere Holdover-Dauer \u00fcberstehen kann und mit einer restriktiveren Disziplin verbunden ist, so dass sie die Synchronisation auf einer h\u00f6heren Ebene in Angriff nehmen kann.<\/p>\n\n\n\n
Wie werden die Stratum Schichten definiert?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Entsprechend den Anforderungen der GR-1244 Core sind f\u00fcr die verschiedenen Schichten umfassende Parameters\u00e4tze definiert. F\u00fcr die in der PTP-Anwendung am h\u00e4ufigsten verwendete Schicht 3 gibt es zwei Schl\u00fcsselparameter f\u00fcr einen konformen Oszillator in einer synchronisierten Uhr. Dabei handelt es sich um die Holdover Stability f\u00fcr 24 Stunden von +\/-370 ppb unter Ber\u00fccksichtigung von Temperaturschwankungen und t\u00e4glicher Alterung sowie um eine Frequenzgenauigkeit im Freilauf von +\/- 4,6 ppm unter Ber\u00fccksichtigung der 20-j\u00e4hrigen Alterung und aller Ursachen wie Temperatur-, Versorgungsspannungs- und Lastschwankungen. <\/p>\n\n\n\n
Abb. 5: Die Oszillatoren der JTS-Reihe erf\u00fcllen die Anforderungen des Stratum 3 Standards.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
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