Synchronizace času v distribuovaných heterogenních měřicích a řídicích systémech

Abstract

Cílem této práce je nalezení způsobu měření různých zdrojů chyb synchronizace hodin a způsobu jejich vzájemného odlišení. Práce se zabývá synchronizací hodin především v paketových sítích za použití protokolu podle standardu IEEE 1588. Významným zdrojem chyb v takových sítích je změna přenosového zpoždění paketů. Byla navržena a realizována metoda pro přesné měření přenosového zpoždění, která vychází z protokolu pro přesnou časovou synchronizaci podle IEEE 1588. Pouhé vzájemné porovnání například 1 PPS výstupů nestačí k měření parametrů sítě, protože v sobě obsahuje např. i vlastnosti filtrování zpoždění paketů na straně podružných hodin. Metoda spočívá v implementaci protokolu na daném komunikačním médiu tak, že pakety slouží pouze pro měření zpoždění, protože komunikující protistrany jsou synchronizovány jinak. Bylo vytvořeno zařízení pro lokální měření s rozlišovací schopností 8 ns, které vnitřně synchronizuje komunikační porty. Dále bylo vytvořeno zařízení pro vzdálené měření, které pro vlastní synchronizaci na obou koncích využívá GPS přijímač. Zařízení bylo kalibrováno na sítích se známým zpožděním. První kalibrace spočívaly v měření zpoždění na samotném kabelu, další měření byla provedena na simulátoru zpoždění přenosové cesty. Zařízení bylo použito pro změření vlastností různých síťových prvků. Bylo naměřeno např. zpoždění běžného síťového přepínače, které vykazovalo změny zpoždění řádově stovky ns bez zátěže. Síťový přepínač s podporou protokolu IEEE 1588 zapisoval informaci o zpoždění do přenášených zpráv, a tím bylo možné změny zpoždění kompenzovat. Dalším významným zdrojem chyb synchronizace může být vlastní implementace protokolu. Byl navržen a implementován nástroj pro sledování komunikace, který automaticky detekuje chyby ve vzájemných výměnách paketů. Protokol IEEE 1588 byl dále implementován do různých zařízení a operačních systémů a byly porovnány vlastnosti jednotlivých implementací. Byly zvoleny operační systémy Windows a Linux a dále byl testován systém RTX, což je real-time rozšíření pro Windows. Výsledky měření byly použity pro návrh distribuovaného systému pro sběr dat, který využívá časovou synchronizaci a dále používá časový multiplex pro vzájemnou komunikaci, aby se neprojevovalo zatížení sítě do zpoždění paketů pro synchronizaci.