Fault tolerance enhancements to master / slave based clock synchronization : a novel democratic master group extension to master / slave based clock synchronization

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit den Systemaspekten von Uhrensynchronisation in vernetzten, verteilten Systemen. Obwohl dieses Problem bereits seit vielen Jahren wissenschaftlich bearbeitet wird, sind Aspekte der Implementierung, Anpassung an Benutzererfordernisse wie zum Beispiel Genauigkeit, Fehlertoleranz oder Security bis dato nicht aufgearbeitet. Ein Beispiel dafür sind die internationalen wissenschaftlichen Aktivitäten um das Precision Time Protocol IEEE1588.<br />Nach einer Analyse des Stands der Technik und einer Bedarfserhebung für Synchornisierte Uhren, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiges Verfahren vorgeschlagen. Dieses Verfahren kann ohne Abänderung des PTP Standards eingesetzt werden. Das ist besonders wichtig, da eine der Stärken dieses, auf einem Master/Slave basierendem Prinzip, Protokolls die Industrietauglichkeit ist. Andererseits ist die Fehlertoleranz in diesem Protokoll eher schwach ausgeprägt, was bei einem einfachen Ausfalls des Masters in so einem System deutlich wird. Im wesentlichen geht dabei die Synchronisation verloren und die im System verteilten Uhren laufen auseinander.<br />Um dieses Problem zu lösen, basiert die bereits erwähnte Erweiterung auf einem demokratischem, fehlertoleranten Master-Group-Konzept. Die Anwendbarkeit dieses Konzept wird dabei in Simulation und Prototypen bewiesen. Dies ist notwendig, da beide Ansätze zur Verifkation unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen. Einer dieser Aspekte ist, dass in einer Simulation jederzeit voller Durchgriff auf die Systembestimmenden Variablen gegeben ist, was in Hardware kaum bzw.<br />oftmals gar nicht möglich ist. Ein andereres Problem ist dass für hochgenaue Uhrensynchronisation im Bereich von wenigen Nanosekunden spezielles Augenmerk auf die Modellbildung von Oszillatoren gelegt werden muss. Dieser kann nicht mehr durch eine einfach Gauss-Verteilung dargestellt, sondern muss durch Nachbildung des Leistungsdichtespektrums modelliert werden. Andererseits haben echte Implementierungungen den Vorteil, alle parasitären Effekte und Eigenschaften anstatt eines Modellverhaltens zu zeigen. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Dissertation auch Hardware-Messungen verwendet um das theoretisch entwickelte Konzept zu verifizieren.<br />

This thesis investigates system aspects of clock synchronization in networked distributed systems. Although the general problem has been a matter for scientific investigations for several years, the actual implementation and the tailoring for user needs in terms of accuracy, fault tolerance, and security turns out to be an unobserved problem, which can not only be seen in the scientific activities around the Precision Time Protocol, IEEE1588. After an analysis of the state of the art, user requirements for clock synchronization are studied, which directly lead to a proposal for improvement which is based on the mentioned standard. The advantages of the Precision Time Protocol are besides to the industrial support its high performance. However, due to the master/slave based structure of this protocol, the support for fault tolerance is rather poor, which can be seen in case of a failure of the system time determining master clock. Essentially in this case synchronization is lost for a time and thus the clocks of the nodes tend to run apart. To overcome this kind of problem a democratic, fault-tolerant master group is proposed. The concept is proven in both, simulation and prototyping, as both approaches have distinct advantages and drawbacks, like the fact that a clock is with its values at every instance of time fully accessible in simulation, which is, however, hard to do in live implementations. Also for state of the art high accuracy clock synchronization in the range of several nanoseconds special attention has to be drawn to modeling of the system driving oscillator, which can in this case no more be modeled by simple gaussian noise, but by covering the power density spectrum. Nevertheless, physical implementations have the advantage to show the real-world behavior instead of modeled picture. Thus, also hardware measurements are presented in this thesis, which proof the concept for usability.