Regelalgorithmen für IEEE-1588
Wie spät ist es genau?
Fortsetzung des Artikels von Teil 4
Multiplexen bei der Gigabit-Ethernet-Datenübertragung
Um die folgende Problematik besser verstehen zu können, müssen noch einige Grundlagen zu Gigabit-Ethernet nach IEEE-Norm 802.3 und den Intel-Netzwerkchips erörtert werden. Entstanden ist das 1-GB-Ethernet aus dem zuvor etablierten 100-MB-Ethernet-Standard. Die verwendeten CAT-5-Kabel waren für die Übertragung von Signalen mit 125 MHz vorgesehen. Diese Kabel hatten hierzu vier Paare (jeweils zwei Drähte). Jedoch wurden nur über zwei Paare Daten übertragen. Bei Gigabit-Ethernet werden nun über alle vier Paare jeweils zwei Bits übertagen, also:
bit end text cross times 4 space text Kanäle end text equals 1000 space text Mbps end text space equals space 1 space text Gbps end text" class="Wirisformula" data-mathml="«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»125«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mtext»MHz«/mtext»«mo»§#215;«/mo»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mtext»bit«/mtext»«mo»§#215;«/mo»«mn»4«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mtext»Kan§#228;le«/mtext»«mo»=«/mo»«mn»1000«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mtext»Mbps«/mtext»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»1«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mtext»Gbps«/mtext»«/math»" src="https://wor.wfmdev.de/js/ckeditor/plugins/ckeditor_wiris/integration/showimage.php?formula=97877c789190a841f58f8b4d5a5d0cbb" align="middle">
Der Sender muss also jedes Byte in vier Teile aufteilen und der Empfänger diese wieder zusammenführen.
Die vier Drahtpaare werden dabei gleichzeitig für beide Richtungen verwendet. Die Frequenzen am Sender und Empfänger sind nicht zwangsweise gekoppelt. Abhängig von der Datenübertagung wird die Frequenz für die Daten aus dem eigenen Takt oder aus dem des Netzwerkes abgeleitet. Aufgrund dieses Vorgehens und der wahrscheinlichen Annahme, dass die vier Leitungen nicht identisch lang sind, muss mit einer unterschiedlichen Laufzeit für die einzelnen Teildaten (4 × 2 bit) gerechnet werden. Erst nachdem alle vier Datenteile eines Bytes zur Verfügung stehen, können diese auch wieder zusammengesetzt werden. Deshalb kann es zu Verzögerungen kommen. Je nach Szenario können an dieser Stelle bis zu 20 ns Verzögerung entstehen. Die gesamte Problematik wird sehr gut im Dokument »Improving IEEE 1588 synchronization accuracy in 1000BASE-T systems« [1] beschrieben.
Da die aufgezeigten Probleme leider im ns-Bereich liegen, beeinflussen sie die Genauigkeit der Zeitsynchronisation über IEEE 1588 erheblich. Mit kupferbasierten Gigabit-Ethernet-Implementierungen wird es damit sehr aufwendig bis nahezu unmöglich, den Subnano-Bereich zu erreichen. Dieser Fakt war sicherlich auch einer der Gründe, wieso das White Rapid System [2] auf Netzwerke mit Glasfasertechnik zurückgreift.
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Berücksichtigung von Laufzeitfehlern bei »Long Linear Paths«
Eigentlich kann man nur bei kleinen Systemen oder in der Entwicklung von Systemen mit einer Grandmaster Clock, einer Transparent Clock (Switch) und einer Slave Clock rechnen. In der Realität muss man jedoch von Verbindungen ausgehen, in der die Grandmaster Clock über mehrere Transparent Clocks oder sogar Non-PTP-konforme Switches laufen muss. Alle diese Faktoren summieren sich über die Transportkette vom Master zum Slave.
Um den eigenen Regelalgorithmus zu verbessern, kann man versuchen, die Fehler, die in den einzelnen Vermittlungsknoten auftreten, zu erfassen und einzubinden. Hierzu kann mit Hilfe des Kalman-Filters ein Modell aufgebaut werden, das den einzelnen Fehlern Rechnung trägt. Das Dokument »Accurate Time Synchronization in PTP-based Industrial Networks with Long Linear Path« [4] von Daniele Fontanelli und David Macii zeigt ein Beispiel für dieses Problem auf. Das Dokument zeigt auch, dass mit Hilfe dieses Ansatzes eine Verbesserung der Genauigkeit von IEEE-1588-Systemen in diesem Szenario erreicht werden kann.
- Wie spät ist es genau?
- Der IEEE-1588-Regelalgorithmus
- Einfache IEEE-1588-Regelalgorithmen
- Komplexe IEEE-1588-Regelalgorithmen
- Multiplexen bei der Gigabit-Ethernet-Datenübertragung
- Der Kalman-Filter
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