HIgh Precision and RObustness in Network Synchronization

Die hochgenaue und zuverlässige Synchronisation von verteilten Prozessen auf der Basis lokaler, synchronisierter Uhren ist eine wesentliche Grundlage für viele moderne, großräumige Systeme in der Informationsverarbeitung und Automation, wie beispielsweise Smart Grids, Mobilkommunikations-Infrastruktur, Fabriks- und Prozessautomation, Verkehrsleitsysteme, Finanzdienstleistungen oder Lokalisierung und Steuerung mobiler Geräte. In diesen Anwendungen werden aus Effizienzgründen nahezu ausschließlich paketorientierte Netzwerke verwendet. Die Uhrensynchronisation wird über spezielle Protokolle wie NTP (Network Time Protocol) oder PTP (Precision Time Protocol) realisiert, wobei diese speziell in großen Netzwerken entweder die erforderliche Genauigkeit nicht erreichen können oder für viele Anwendungen nicht ausreichende Verfügbarkeit und Robustheit aufweisen.

Das Ziel von HiProSync ist, im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen  robuste und genaue Synchronisation in den Endknoten selbst zu erreichen, ohne dabei spezielle Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur zu stellen. Der Endknoten wird dabei um eine Synchronisationslogik (Clock Engine) erweitert, die im Gegensatz zu normalen Endknoten auf multiple Referenzuhren (Master Clocks) gleichzeitig synchronisieren kann. Die unterschiedlichen Referenzen werden kontinuierlich überwacht und hinsichtlich der Qualität ihrer Zeitinformation bewertet. Die im Rahmen des Projekts zu erforschenden Algorithmen ermöglichen, ohne temporären Synchronisierungsverlust einen Ausfall oder fehlerhafte Zeitinformation von einer oder mehrerer Zeitreferenzen zu erkennen. Dazu werden insbesondere Statistiken der Paketlaufzeiten zwischen Endknoten im Netzwerk erstellt und zur Bewertung des Netzwerks herangezogen. Durch die Kombination der Information von mehreren HiProSync-Knoten können damit unterschiedliche Fehlerzustände wesentlich genauer und schneller bestimmt werden, wodurch die Robustheit der Uhrensynchronisation im Gesamtnetzwerk wesentlich gesteigert werden kann.

Die im Rahmen des Projekts erforschten Konzepte und Algorithmen werden mittels Simulationsstudien evaluiert. Dazu werden zunächst realistische und effiziente Modelle für Oszillatoren und die stochastischen Eigenschaften von Datennetzen erforscht, die durch entsprechende Messungen kalibriert und optimiert werden können. Diese Modelle bilden die Basis für die simulationstechnische Validierung der Synchronisationsalgorithmen im Hinblick auf Robustheit und Genauigkeit unter verschiedensten Szenarien. Im Zuge von Versuchsreihen im Labor und an dislozierten Standorten werden die entworfenen Algorithmen schließlich getestet. Der in HiProSync verfolgte Ansatz, Robustheit und Genauigkeit ausschließlich durch Maßnahmen im Endknoten zu etablieren, erleichtert eine spätere Umsetzung in praktische Anwendungen, da eine vorhandene Netzwerkinfrastruktur nicht verändert werden muss.

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Das Projekt HiProSync (High Precision and Robustness in network-based Clock Synchronization, FFG 848467) wird von der FFG im Rahmen des Brückenschlagprogrammes in der Programmlinie Bridge 1 gefördert.

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