Simulation of time-synchronized networks using IEEE 1588-2008

Abstract

Eine globale Zeitbasis ist die Grundlage für verteilte Echtzeitsyteme. Da einzelne Uhren durch verschiedene Rauscheffekte voneinander abweichen, benötigt man eine Art der Synchronisierung um eine globale Zeitbasis aufzubauen. Verschiedene Technologien wurden entwickelt um diese Aufgabe zu lösen. Mit dem Precision Time Protocol (PTP), welches in [IEE08] standardisiert wurde, steht ein weiterer Kandidat zur Verfügung der in verschiedenen Industrien eingesetzt wird. Da mittlerweile auch normale Verbrauchergeräte anfangen Hardwareunterstützung für PTP zu enthalten, wird das Protokoll mehr und mehr zu einem interessanten Kompromiss zwischen Kosten und Präzision. Die Verfügbarkeit von kostengünstiger, präziser Hardware macht PTP zu einer interessanten Option für Systemdesigner and ermöglicht neue Applikationen verteilter Echtzeitsysteme. Wenn man PTP in einer Applikation einsetzen möchte, ist es von Interesse die zu erwartende Präzision der Synchronisierung im Vorhinein abschätzen zu können. Im Speziellen da PTP zahlreiche Optionen zur Verfügungen stellt wie es implementiert und konfiguriert werden kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Simulations-Framework für PTP zu entwickeln, welches einen Systemdesigner bei diesen Designentscheidungen unterstützt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden fu-r diese Arbeit zwei Softwareprojekte entwickelt: - LibPLN: eine portable, effiziente Softwarebibliothek zum erstellen von realistischem Oszillatorrauschen - LibPTP: ein Simulations-Framework für PTP-Gera-te Beide Komponenten wurden als generische, portable C++ Bibliotheken implementiert. Das ermöglicht es Anwendern sie für ihre Zwecke anzupassen und in eigenen Entwicklungswerkzeuge zu integrerieren, um damit die jeweils untersuchten Systeme simulieren zu können.

A global time base is the foundation for any distributed Real-Time System (RTS). As clock devices suffer from various noise effects, some kind of time synchronization is necessary to establish a global time base of reasonable precision. Different technologies have been developed to solve this task. The Precision Time Protocol (PTP), which is standardized in [IEE08], presents one candidate that is widely deployed in the various industries. Commercial off-the-shelf (COTS) devices start to have hardware support for PTP. Having hardware timestamping available, PTP promises to be a good compro- mise between costs and precision. Low-cost, high-precision hardware makes PTP an interesting option for system designers and enables new distributed RTS applications. When using PTP in an application, it is of interest to justify the expected precision in advance. Especially as there are many options in how PTP can be implemented and configured. The goal of this thesis was to develop a simulation framework for PTP, which helps system designers carrying out Design Space Exploration (DSE). To reach this goal, this thesis presents two software projects: - LibPLN: a portable, efficient software library to generate realistic oscillator noise - LibPTP: a simulation framework for PTP devices Both of these components are implemented as generic, portable C++ libraries. This enables users can customize them and to integrate them in their own design tool chains in order to evaluate their hyotheses on the system under consideration.