Hochpräzise Zeitsynchronisation mit PTP und gPTP
Das Precision Time Protocol (PTP, IEEE1588) und das generalized Precision Time Protocol (gPTP, IEEE 8201.AS) sind zwei verwandte Protokolle zur hochgenauen Zeitsynchronisation über verschiedene Übertragungsmedien. Das InES war von Beginn an bei der Standardisierung im IEEE aktiv involviert. PTP wurde 2002 veröffentlicht und 2008 sowie 2019 zu Version 2, respektive 2.1, erweitert.
Aktuell beschäftigen wir uns mit gPTP. gPTP schränkt viele Optionen von PTP ein und definiert einige Spezialitäten. Es wurde von der Audio-Video Bridging (heute Time Sensitive Networking) Task Group des IEEE 802.1 in einer ersten Version 2011 und in einer neuen Version als IEEE 802.1AS-2020 standardisiert.
Heute existiert eine grosse Anzahl an Ethernet-Chips und CPUs, die Hardware Timestamping unterstützen. Beide Protokolle erlauben mit HW Zeitstempeln Genauigkeiten von deutlich unter einer Mikrosekunde und in Spezialimplementierungen bis in den Nanosekundenbereich.
Das Diagramm auf dieser Seite zeigt die gemessenen PPS (Pulse-per-second) Signale der Knoten 1, 2, 5 und 7 in einer Linienstruktur. Der AS-2011 konforme Grandmaster ist über einen AS_2011 fähigen Ethernet Switch mit Knoten 1 verbunden.
Das InES hat gemeinsam mit Hirschmann Automation and Control sowohl IEEE 1588v2 als auch IEEE 802.1AS implementiert. Während IEEE 1588v2 gut etabliert und für eine Vielzahl von Betriebssystemen verfügbar ist, wird IEEE 802.1AS noch aktiv weiterentwickelt und neue Funktionen hinzugefügt. Für unsere Forschungstätigkeiten verwenden wir unsere eigene, betriebssystemunabhängige und portable Implementierung von IEEE 802.1AS-2020, die auch als Quellcode lizenziert werden kann (weitere Informationen). Die Teilnahme an Plugfests des Industrial IoT Consortiums IIC trägt dazu bei, die Interoperabilität und Kompatibilität mit anderen Produkten sicherzustellen.
Die wesentlichen Erweiterungen, die mit der Ausgabe 2020 des Standards definiert wurden, sind unter anderem:
- Die Unterstützung mehrerer Time Domains, um für isochrone Anwendungen eine freilaufende, systemweite «working clock» parallel zu einer globalen Zeitbasis zu übertragen - und allenfalls für beide Uhren zusätzlich eine redundante Zeitbasis, um eine nahezu stossfreie Umschaltung zu ermöglichen.
- Die Möglichkeit, für vollständig vordefinierte Netzwerke, wie sie in der Industrieautomation, in Automobil- und Luftfahrtanwendungen eingesetzt werden, den Synchronisationsbaum statisch festzulegen.
Noch nicht standardisiert, und derzeit bei IEEE in Erarbeitung, ist eine Hot-Standby Redundanz mit gPTP.
Ein weiteres Thema, das derzeit grosse Aufmerksamkeit erfährt, ist der Einsatz von 5G und WLAN Für flexible Produktionssysteme. Sowohl 5G / 5G Advanced als auch WiFi 6 / WiFi 7 definieren Funktionalität, um TSN und damit präzise Zeitsynchronisation zu ermöglichen.
Beispiele für Forschungsprojekte, in denen wir unseren gPTP-Stack einsetzen, sind die Performanceevaluation von Kommunikationssystemen aus dem Consumerbereich sowie Untersuchungen von TSN-relevanten Features neuer Single Pair Ethernet Standards wie 10BASE-T1L und -T1S.