The goal of synchronization is to align/synchronize the time and frequency scales
of all nodes within a network. In industrial applications, synchronization enables
simultaneous triggering of distributed events and synchronous data acquisition
at di erent nodes. For wide distributed systems, such as Internet, clock synchronization
is advantageous for maintaining end-to-end Quality of Service (QoS).
Ethernet is the technology of choice for the future networks. Its low cost,
the ever increasing data rates and low complexity and maintenance are key enablers
for adopting it at all geographical scales and applications, ranging from
the Network Provider to the industrial level. However, low cost and simplicity
that characterizes the legacy Ethernet are only part of its attraction. The challenge
is that it was initially conceived as a 'best-e ort' and asynchronous oriented
technology, limitations that di cult its adoption to handle, for example, timesensitive
applications in the industrial eld, or carrier-class transport of services,
from the Network Provider perspective. To better support new applications with
tight synchronization requirements, standardization bodies and equipment manufacturers
are making considerable e orts to extend its functionalities and release
solutions to meet the synchronization requirements of new applications.
High accuracy time synchronization is a key enabler for o ering such carrierclass
QoS and handling distributed applications with stringent synchronization
needs. Today's Ethernet-based approaches that deliver time synchronization rely
on timestamped packets that distribute to the network. The acts of timestamping
and sending the packet are crucial for achieving high accuracy synchronization,
as they are exposed to a number of delay variabilities from the source to the
destination node that impair the synchronization accuracy between nodes.
As the timestamping is a key component for actual synchronization protocols,
the main goal in this work is to evaluate the impact of these sources of inaccuracies
of Ethernet layers on the synchronization accuracy between nodes. The followed
evaluation method is based on a real prototype utilizing a low-cost platform
FPGAs. The inherent complexity of these devices poses an additional challenge
to the evaluation process, especially if the addressed synchronization accuracies
are at the level of few nanoseconds. Therefore, this work also discusses and
proposes methods to overcome platform-dependent limitations.
Additionally, this work proposes a di erent perspective for Ethernet technology
which consists on envisioning the legacy Ethernet with a time synchronization
functionality. We believe that such a new capability would allow Ethernet to
better handle time sensitive applications and to be independent and compatible
from and with the higher layers while keeping its initial philosophy: low-cost,
simplicity and asynchronous technology. / L'objectiu de la sincronització és alinear/sincronitzar les escales de temps de tots
els nodes d'una xarxa. En aplicacions industrials, la sincronització permet l'inici
simultani d'esdeveniments distribuïts o l'adquisició de dades de forma síncrona
als diferents nodes. En grans sistemes distribuïts, com per exemple l'Internet,
la sincronització és bene ciosa per mantenir Qualitat de Servei (QdS) entre dos
nodes distants entre si.
Ethernet és la tecnologia d'el lecció per les xarxes del futur. El seu baix cost,
les contínues actualitzacions de velocitat i la baixa complexitat i manteniment
són els activadors per adoptar-la a tots els nivells geogrà cs i aplicacions, des
de Proveïdors de Xarxa en xarxes metropolitanes, a aplicacions industrials en
xarxes locals. No obstant, el baix cost i simplicitat que caracteritzen a Ethernet
constitueixen només una part del seu interés. El problema és que aquesta va ser
originalment concebuda com una tecnologia de serveis mínims i asíncrona, dues
limitacions que di culten la seva adopció en aplicacions amb fortes restriccions
de temps, tant en el camp industrial com en el transport de serveis de qualitat
d'operadora. Per tal de suportar noves aplicacions amb fortes restriccions de
temps, diversos organismes d'estandardització i fabricants d'equipament estan
treballant activament per extendre les seves funcionalitats i llançar solucions per
tal de complir amb nous requeriments de sincronització.
La sincronització de temps d'alta exactitud és clau per oferir serveis d'alt QdS
i suportar aplicacions distribuïdes que necessitin fortes restriccions de temps.
Les solucions d'avui dia basades en Ethernet que entreguen sincronització de
temps es basen en distribuïr paquets amb una marca de temps a la xarxa. Les
accions d'inserir la marca de temps i enviar el paquet són decisives per aconseguir
sincronització d'alta exactitud ja que estan exposades a un nombre de variabilitats
de retard des de l'origen ns el destí que empitjoren l'exactitud de la sincronització
entre nodes.
Degut a que l'acció d'inserir la marca de temps és un component clau pels
protocols de sincronització actuals, l'objectiu principal en aquesta Tesi és avaluar
l'impacte d'aquestes fonts d'inexactitud de les capes d'Ethernet en la sincronitzaci
ó entre nodes. El mètode d'avaluació està basat en un prototipus real
utilitzant plataformes basades en matrius de portes lògiques programables per
camp (de l'anglès, Field Programmable Gate Arrays (FPGA)) de baix cost. La
inherent complexitat d'aquests dispositius suposa un repte addicional al procés
d'avaluació, especialment si s'adreçen exactituds de sincronització de nivells de
pocs nanosegons. Aleshores, aquesta Tesi també debat i proposa mètodes per
vèncer les limitacions dependents de la plataforma.
A més, aquesta Tesi proposa una perspectiva diferent per a la tecnologia Ethernet,
la qual consisteix en extendre l'Ethernet inicial amb una funcionalitat de
sincronització. Creiem que una funcionalitat com aquesta permetria a Ethernet
suportar aplicacions amb fortes restriccions de temps amb independència de, i
compatibilitat amb capes més altes tot mantenint la seva loso a inicial: baix
cost, simplicitat i tecnologia asíncrona.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UPF/oai:www.tdx.cat:10803/22722 |
| Date | 07 February 2011 |
| Creators | Nicolau Jené, Carles |
| Contributors | Sala, Dolors, 1967-, Universitat Pompeu Fabra. Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions |
| Publisher | Universitat Pompeu Fabra |
| Source Sets | Universitat Pompeu Fabra |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 133 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs., info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0028 seconds