Hochpräzise Zeitsynchronisation mit PTP und gPTP
Das Prescision 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 als IEEE 1588 veröffentlicht und 2008 sowie 2019 zu Version 2, respektive 2.1, erweitert.
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 gemessene Abweichung eines Slaves vom Master für eine vom InES implementierte 1588v2 Transparent Clock. Der Slave wird über 7 stark belastete Switches hinweg synchronisiert (jeder Link ist in beiden Richtungen mit 90% der theoretischen Kapazität belastet). Während des fünfstündigen Testlaufs variierte die Abweichung zwischen Master und Slave mit σ = 33,9ns.
Das InES hat gemeinsam mit Hirschmann Automation and Control sowohl IEEE 1588v2 als auch IEEE 802.1AS-2011 implementiert und arbeitet derzeit an der Umsetzung von 802.1AS-2020. Diese Version bietet Erweiterungen für verschiedene TSN Profile, die derzeit bei IEEE in der Erarbeitung sind, unter anderem IEC/IEEE 60802, das «Industrial Automation Profile for Time Sensitive Networking».
Die wesentlichen Erweiterungen umfassen unter anderem:
- Die Unterstützung mehrerer Time Domains, um für isochrone Anwendungen eine frei laufende, 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.
- Einführung der in IEEE 1588 definierten «One-Step» Mechanismen für die Übertragung der Synchronisationsinformation.
- Performanceziel: Eine Mikrosekunde Synchronisationsgenauigkeit über 64/100 Ethernet-Strecken in Serie
Noch nicht standardisiert, und derzeit bei IEEE in Erarbeitung, ist eine Hot-Standby Redundanz mit gPTP.
Für PTP in Kombination mit PRP/HSR existiert mit IEC 61439-2 Ed.3 bereits eine Lösung für redundante Pfade im Netzwerk.