White Rabbit - czym jest?
| Gospodarka PomiaryOpierając się na wzorcowym czasie, którego źródłem są usługi globalnej nawigacji satelitarnej GNSS - Global Navigation Satellite Systems, jak GPS, Glonass, Galileo czy Beidou, liczyć się trzeba z problemami, jak zakłócenia sygnału, nieprzewidywalne opóźnienia i podatność na ataki za pomocą zagłuszania sygnału (jamming) i podszywania się (spoofing). Alternatywę stanowią usługi serwerów czasu, w których jego źródłem są zegary atomowe, a transmisja opiera się na protokole PTP - Precision Time Protocol. W tym przypadku przy większych odległościach można się jednak spodziewać, że im dalej węzeł sieci znajduje się od zegara głównego, tym mniej dokładna jest synchronizacja. Problemy te rozwiązuje White Rabbit.
White Rabbit to projekt zapoczątkowany w CERN w celu ulepszenia systemu synchronizacji sprzętu pomiarowego i kontrolnego detektorów i akceleratorów cząstek. Jego wynikiem był protokół transmisji, który od 2019 roku jest częścią specyfikacji IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP), jako profil High Accuracy (HA).
Zadecydowały o tym parametry, które go wyróżniają na tle innych rozwiązań - White Rabbit gwarantuje dokładność rzędu poniżej nanosekundy oraz pikosekundową precyzję synchronizacji dla rozbudowanych systemów rozproszonych, przy typowej odległości 10 kilometrów pomiędzy węzłami, których może obsługiwać tysiące.
Tytułowy protokół parametry te zapewnia dzięki temu, że zastosowano w nim podejście łączące w sobie obecnie najbardziej zaawansowane rozwiązania i standardy synchronizacji czasu o wysokiej dokładności - White Rabbit opiera się na standardach PTP / IEEE 1588 oraz SyncE (Synchronous Ethernet) i metodzie detekcji fazy Digital Dual-Mixer Time Difference (DDMTD).
Pierwszy filar White Rabbit
Standard IEEE 1588 Precision Time Protocol został opublikowany w 2002 roku i od tamtej pory był aktualizowany dwukrotnie. Chociaż początkowo znajdował zastosowanie w niszowych aplikacjach, ich liczba ciągle rośnie. Wynika to z precyzji synchronizacji nieosiągalnej w innych rozwiązaniach (poniżej ns), na przykład poza zasięgiem Network Time Protocol (rzędu ms). PTP osiąga tak wysoką dokładność m.in. dzięki temu, że o ile to tylko możliwe, wymaga sprzętowych, zamiast programowych, znaczników czasu, dodawanych zaraz po wejściu i na wyjściu pakietów z portów sieciowych. Najprostsza sieć PTP składa się z dwóch węzłów działających jako ordinary clock, z których jeden to master, a drugi ma status węzła slave. Zwykle pierwszy otrzymuje sygnał czasu ze źródła odniesienia, na przykład z GNSS. Następnie węzeł slave synchronizuje się z masterem, z uwzględnieniem uśrednionej wartości opóźnień propagacji.
Czym jest SyncE?
SyncE to technika warstwy fizycznej, zapewniająca synchronizację częstotliwości w pakietowych sieciach Ethernet. W sieciach White Rabbit odpowiada ona za syntonizację zegara (przenoszenie, dostrajanie częstotliwości). Wyróżnia się w nich zegar referencyjny, który jest wykorzystywany do kodowania wychodzącego strumienia danych. Jego sygnał jest także odbierany po drugiej stronie łącza i może być dalej dystrybuowany, przy czym zawsze jest przesyłany z powrotem do nadawcy. Dzięki tej samej częstotliwości można wykorzystać detektory fazy do ocenienia występujących opóźnień. Na podstawie wyników ich pomiarów można zwiększyć dokładność znaczników czasu i uzyskać stałe opóźnienia nadawania/odbioru wprowadzane przez warstwę fizyczną.
Na czym polega DDMTD?
Celem metody DDMTD jest przekształcenie przesunięcia fazowego z zakresu wysokich w niskie częstotliwości, co zapewnia silny efekt mnożenia różnicy czasu. Prawidłowa implementacja tej metody umożliwia pomiar krótkoterminowej stabilności częstotliwości dwóch synchronicznych albo quasi - synchronicznych oscylatorów przy bardzo niskim poziomie szumów tła. Jest również powszechnie używana do pomiaru różnicy faz między dwoma sygnałami zegarowymi, które mają prawie równe częstotliwości, tj. częstotliwości w odległości zaledwie kilku herców od siebie. Zaletą tej techniki jest to, że eliminuje większość typowych szumów fazowych zegara.
Podsumowanie
Implementacja standardu White Rabbit umożliwia uruchamianie w sieci dziesiątek tysięcy węzłów opartych na tym samym zegarze głównym, zsynchronizowanych z dokładnością, która, kiedy w końcu jest osiągalna, otwiera szereg perspektyw w zakresie jej wykorzystania. Chociaż bowiem obecnie ten poziom precyzji częściej znajduje zastosowanie w specjalistycznych urządzeniach, przykładowo akceleratorach cząstek, radioteleskopach i sprzęcie laboratoryjnym, z pewnością wkrótce pojawią się dla niego też zastosowania w sektorze komercyjnym. Już dziś pod uwagę brane są w tym zakresie: usługi pozycjonowania o wysokiej dokładności, zaawansowane protokoły komunikacyjne, optymalizacja wykorzystania pasma radiowego, a nawet zastosowania w sektorze finansowym i smart grid. Sukcesywnemu wydłużaniu tej listy sprzyjać będzie z pewnością fakt, że White Rabbit to otwarty standard, z oprogramowaniem i sprzętem opartymi na modelu open source, dostępnym od wielu dostawców.
Monika Jaworowska
