Stratum Schichten: Ein Beispiel für ihre Notwendigkeit

Es ist Montagmorgen um 9:30 Uhr. Ein Verkaufsantrag wird an der Börse aufgegeben. Unmittelbar danach kommen zwei Kaufanträge dafür an. Doch es kann nur einen Käufer 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 Börse. Die Erfassung von Handelsereignissen folgt strengen Regeln. Die Einhaltung der Regeln wird durch die von der ESMA organisierte MiFID II sichergestellt, um die Funktionalität von Zeitstempeln und damit die volle Integrität im Handel zu regeln.

Abbildung 1 zeigt das oben beschriebene Szenario mit vereinfachten Zahlen. Demnach wurde der Verkaufsauftrag zu einem bestimmten Zeitpunkt erteilt, und es werden andere Zeitpunkte für relative Ereignisse normalisiert. Kaufauftrag 1 kam zum Zeitpunkt 100 ms später und Kaufauftrag 2 kam zum Zeitpunkt 110 ms später. 10 ms trennen die beiden potenziellen Käufer. Wir sehen: Millisekunden spielen hier eine extrem wichtige Rolle.

Um die richtige Reihenfolge der Käufe zu gewährleisten, bedarf es genauer Uhren. Bei einer Differenz von 10 ms zwischen zwei Kaufaufträgen und einem möglichen Fehler von +/-5 ms aufgrund der Ungenauigkeit der Uhren ergibt sich im „schlimmsten“ 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 würde also eine Ungerechtigkeit auftreten, wenn der Fehler der Zeitstempel größer als +/- 5 ms ist. Gemäß MiFID müssen jedoch die Uhren der Geräte an den Handelsplätzen, an denen die Transaktionen des algorithmischen Hochfrequenzhandels abgewickelt werden, mit einer Abweichung von weniger als 100 Mikrosekunden zur UTC-Zeit synchronisiert werden, wobei die Granularität mindestens 1 Mikrosekunde betragen muss. Das führt uns zu der Frage:

Wie lassen sich Zeitfehler in einem System minimieren?

Abbildung 3 zeigt einen beispielhaften Weg des Zeitsignals im Idealfall: Die UTC-Uhr ist der Ausgangspunkt. Das Signal dieser Uhr wird über 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.

Innerhalb eines Host-Rechners sollte eine grundlegende Kausalitätsbeziehung der Verarbeitung eines Ereignisses zwischen den Aufgaben erfüllt sein.  Aus der Abbildung geht hervor:

• T1 ist der Zeitpunkt der Erkennung eines Ereignisses in einer Schnittstellenkarte.
• T2 ist das Task-Timing für den Empfang des Ereignisses.
• T3 ist das Task-Timing für die Bearbeitung des Ereignisses.
• T4 ist das Task-Timing für die Beantwortung des Ereignisses.
• T5 ist das Task-Timing für das Senden einer Antwort auf das Ereignis über eine Schnittstellenkarte.

Die synchronisierten Uhren in der Host-Maschine sollten eine gewisse Genauigkeit aufweisen, um eine korrekte Kausalitätsbeziehung aufrechtzuerhalten, d.h. T1 < T2 < T3 < T4 < T5 muss eingehalten werden. Aus übergeordneter Sicht würden die Host-Rechner in einem Netz natürlich eine kompliziertere Kausalitätsbeziehung aufweisen, so dass die Anforderungen an die Zeitgenauigkeit in der Regel an der oberen Position eines Netzes strenger werden.

Das Ganze findet in einem Precision Time Protocol Netzwerk (PTP, auch bekannt als IEEE1588v2) statt. PTP ermöglicht die Synchronisierung der Zeiteinstellungen mehrerer Geräte in einem Computernetzwerk. In einem PTP-Netzwerk gibt es mehrere kommunizierende Uhren. Die “Grandmaster Clock” liefert die genaueste Zeit und fungiert als Standarduhr. Eine gewöhnliche Uhr kann entweder die Quelle als “Master” oder der Empfänger der Zeit als “Slave” sein. Diese Uhren synchronisieren sich direkt. Die Boundary Clock transportiert Zeitinformationen über eine Netzwerkgrenze hinweg. Eine Transparent Clock verbessert die Weiterleitung von Zeitinformationen innerhalb eines Netzwerks. Sie empfängt PTP-Nachrichten und leitet sie gegebenenfalls modifiziert und korrigiert weiter. Die Abbildung zeigt auch die Vorschläge der verschiedenen Stratum-Schichten in verschiedenen Uhren. Wir werden gleich sehen, was die Zahlen des Stratums bedeuten.

Das obere Szenario beschreibt den idealen Zustand, in dem das Zeitsignal überall von oben nach unten ohne Unterbrechung und Hindernis durchdrungen werden kann. Die Realität sieht jedoch so aus, dass die Synchronisierung aufgrund der Anfälligkeit von GNSS, Verzögerungen/Unterbrechungen bei der Paketübertragung, Netzüberlastung oder begrenzten Auslöseintervallen für die Synchronisierung usw. immer eingeschränkt ist.

Um die Genauigkeit der Zeit und der Zeitstempel aufrechtzuerhalten, müssen die Uhren in einem PTP-Netz auch im Falle eines Ausfalls ein präzises Zeitsignal liefern. Hier beschreibt die Holdover Stability die Fähigkeit, die Integrität der Uhr aufrechtzuerhalten, wenn die übergeordneten Synchronisationstakte irgendwie verloren gehen oder unzureichend sind. Eine höhere Schicht bedeutet, dass die Uhr eine längere Holdover-Dauer überstehen kann und mit einer restriktiveren Disziplin verbunden ist, so dass sie die Synchronisation auf einer höheren Ebene in Angriff nehmen kann.

Wie werden die Stratum Schichten definiert?

Entsprechend den Anforderungen der GR-1244 Core sind für die verschiedenen Schichten umfassende Parametersätze definiert. Für die in der PTP-Anwendung am häufigsten verwendete Schicht 3 gibt es zwei Schlüsselparameter für einen konformen Oszillator in einer synchronisierten Uhr. Dabei handelt es sich um die Holdover Stability für 24 Stunden von +/-370 ppb unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen und täglicher Alterung sowie um eine Frequenzgenauigkeit im Freilauf von +/- 4,6 ppm unter Berücksichtigung der 20-jährigen Alterung und aller Ursachen wie Temperatur-, Versorgungsspannungs- und Lastschwankungen.

Unsere neue JTS-Oszillatorserie von (VC)TCXOs mit HCMOS oder geclippter Sinuswelle eignet sich ideal für den Einsatz in Anwendungen, die den Stratum-3-Standard erfordern. Sie garantiert die entsprechenden Werte bei Holdover-Stabilität und Frequenzgenauigkeit. Falls erforderlich, können auch spezifischere Leistungsindikatoren wie MTIE und TDEV/ADEV durch unser technisches Supportteam mit Nachweisversuchen in unserem eigenen Labor behandelt werden.

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