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INTRODUÇÃO

Informações precisas de tempo são especialmente importantes para sistemas distribuídos em tecnologia de automação. Com o Precision Time Protocol (PTP) descrito na norma IEEE 1588, é possível sincronizar os relógios distribuídos com uma precisão de menos de 1 microssegundo através de redes Ethernet. E as exigências sobre os relógios locais e a capacidade de rede e de informática são relativamente baixos.

Cada vez mais os dados podem ser transferidos e processados em tempos mais curtos. Esta tendência é observada na tecnologia de automação. Devido a isso, a Ethernet foi escolhida como a tecnologia de transporte para o futuro.

Além de velocidade de transmissão e facilidade de instalação, a expressão "tempo real " tem um significado especial neste domínio. Um aspecto importante é que a sincronização de tempo precisa de dispositivos terminais distintos. E com o tempo de precisão do protocolo IEEE 1588 que permite sincronizar os relógios dos dispositivos terminais distintos em uma rede com velocidades mais rápidas do que um microssegundo. Este texto tem o intuito de fornecer respostas as várias perguntas: como funciona este protocolo, como usar e implementar, e que resultados você pode esperar.

O TERMO "TEMPO REAL"

Se os requisitos de tempo real estão para ser cumpridas, então o sistema de comunicação deve ser capaz de garantir um comportamento determinístico. Isso significa estar sempre em condições de trocar a quantidade necessária de dados dentro de um tempo pré-definido e a capacidade de prover mecanismos para sincronizar todos os participantes com muita precisão.

Há um grau de variação nos tempos de propagação Ethernet durante a transmissão. Uma solução para garantir o comportamento do sistema determinístico é ter um relógio de precisão em todos os dispositivos terminais sincronizado com todos os outros sistemas. Se as ações são referidos como relógio de alta precisão, o processo pode ser dissociado do tempo de propagação da comunicação.

Esta questão é particularmente válida para a sistemas cooperativos que devem iniciar ações específicas simultaneamente. Um exemplo são os relógios de IED’s de proteção que necessitam comparar os tempos de oscilografias. E a IEEE 1588 poderá substituir a fiação de IRIG-B.

O QUE É O IEEE 1588?

O novo padrão IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP) é agora uma solução completa para fazer a sincronização de tempo muito precisos em uma rede Ethernet.

O protocolo foi originalmente desenvolvido pela Agilent para instrumentação distribuída e para os controle de processos. A técnica é baseada na obra de John Eidson, que, como presidente do comitê de normalização, é o grande responsável pela aprovação da norma em novembro de 2002.

Usando IEEE1588, é possível, pela primeira vez, sincronizar na faixa de microssegundo, os relógios locais em sensores, atuadores e outros dispositivos terminais utilizando a rede Ethernet mesmo que também transportam os dados do processo.

Sem esse protocolo de sincronização de um sistema normalizado, que é definido para ser usado com qualquer protocolo, não apenas Ethernet, ele provavelmente não seria possível sincronizar os relógios dos locais em dispositivos terminais de diferentes fabricantes com esta precisão. Protocolos de sincronização de tempo existentes, tais como NTP e SNTP não conseguiriam a precisão necessária para sincronização ou para a velocidade de convergência. Outros, como SynUTC da Universidade Técnica de Viena, não foram aceitos no mercado.

Assim como outros protocolos, o PTP é baseado na correspondência mais precisa dos tempos quando os pacotes de sincronização são transmitidos e recebidos. Ao contrário do SNTP, a estampa de tempo de transmissão não necessita de ser transmitido no pacote de sincronização em si, mas são transmitidos em um pacote a seguir. Nesta medição a forma de transmissão/recepção e transmissão de estampas de tempo medido podem ser dissociadas.

O protocolo foi projetado para redes locais pequenas homogêneas e heterogêneas. Os designers deram especial atenção ao baixo consumo de recursos para que o protocolo também pudesse ser usado na extremidade inferior e em dispositivos terminais de baixo custo. Não existem requisitos especiais sobre a memória ou sobre o desempenho da CPU, a largura de banda necessária é mínima.

O empenho da ADMINISTRAÇÃO DE BAIXO NÍVEL para este protocolo também é significativo. Dispositivos mestres redundantes são suportados e em um domínio PTP é configurado automaticamente o sincronismo com o melhor algoritmo de relógio mestre da rede e também é tolerante a falhas. A característica mais importante do protocolo é o sincronismo na faixa de microssegundos e sub-microssegundo.

QUEM SÃO OS INTERESSADOS?

Uma das áreas com interesse na sincronização pela rede Ethernet é a área de automação, especialmente em aplicações de controle e automação de subestações, que tem relação com a norma IEC 61850.

Vários grupos do setor industrial decidiram utilizar este protocolo Ethernet em seus Field Bus. O ODVA decidiu usar IEEE1588 para CIPSync, a extensão em tempo real para Ethernet / IP - CIP. A Siemens está trabalhando em uma modificação da IEEE1588 para V3 Profinet. Também por soluções Beckhoff e Jetter estão sendo desenvolvidas para garantir a sincronização com o presente protocolo ou uma abordagem semelhante. Da mesma forma o EPSG (Ethernet Powerlink Normalização Group) tem planejado este protocolo como uma empresa de componentes da versão 3 da sua especificação.

Mas o interesse não é só proveniente da indústria de automação. O aumento da procura está a crescer de teste e medição, a origem do presente protocolo. Também os projetos iniciais ter sido iniciado para usar IEEE1588 para aplicações militares. Outros grupos que demonstram interesse são provenientes de telecomunicações e de distribuição de energia elétrica (IEC61850-redes e sistemas de comunicação em subestações).

Antes de nos concentramos nos resultados iniciais, um breve resumo da função deste protocolo é fornecido.

COMO FUNCIONA O IEEE 1588?

A função básica é que o relógio mais preciso sobre a rede sincroniza todos os outros usuários. Um relógio com apenas uma porta de rede é chamada de um relógio comum. Existem dois relógios, mestre e escravo. Em princípio, qualquer relógio pode executar tanto a função mestre como a função escravo. A precisão de um relógio, mais exatamente declarado de fontes de seu tempo, é classificado pelo protocolo em classes (stratum). Aqui, a classe mais elevada, é um relógio atômico que tem o valor estrato 1. A seleção dos melhores relógio na rede é feita automaticamente usando o melhor algoritmo do relógio mestre.

A precisão da sincronização depende muito da rede e dos componentes usados nela. Por esta razão, a transição de componentes menos determinísticos na rede, como por exemplo, a utilização de roteadores e switches, pode ser implementado pelo protocolo utilizando o relógio de fronteira.

Para o controle e configuração dos clocks na rede, há também um protocolo de gerenciamento disponível. O PTP é baseado na comunicação multicast e não está restrito à rede Ethernet, mas pode ser usado em qualquer sistema de barramento que suporta multicast. Comunicação multicast oferece a vantagem da simplicidade e o controle de endereço não precisam ser implementadas em nós PTP. Além disso, o PTP pode ser utilizados para um grande número de nós de PTP.

TEMPO DE SINCRONIZAÇÃO

Cada escravo sincroniza o seu relógio por mensagens de sincronização de intercâmbio com o relógio mestre. O processo de sincronização é dividido em duas fases. Primeiro a diferença de tempo entre o mestre e o escravo é corrigido, o que é a MEDIDA DE COMPENSAÇÃO (offset measurement).

Onde tem-se que:
• TSx – medida do tempo de recebimento pelo clock escravo
• TMx – medida do tempo de envio pelo clock mestre



Durante esta correcção compensadora, o mestre ciclicamente transmite uma mensagem única sincronização (SYNC) para os relógios escravos ligados em intervalos definidos, por padrão a cada 2 segundos. Esta mensagem de sincronização contém um valor estimado para o tempo exato que a mensagem foi transmitida.

Para a sincronização de alta precisão de um mecanismo, já está previsto que ele determinará o tempo de envio e recepção de mensagens PTP de forma precisa e mais próxima quanto possível do hardware, o melhor de tudo, diretamente na rede .

O relógio mestre mede o tempo exato da transmissão TM1 e os relógios escravos medem o tempo exato de recepção TS1. O mestre então envia uma segunda mensagem, a mensagem de acompanhamento (follow-up message), que representa o momento exato da transmissão do TM1 da mensagem de sincronização correspondente aos relógios escravos.

Na recepção da mensagem de sincronização, para existir uma maior precisão da recepção da correspondente mensagem de acompanhamento, o relógio escravo calcula a correção (offset) em relação ao relógio mestre, tendo em conta a data e hora da recepção da mensagem de sincronização. A Ts relógio escravo deve ser corrigido por essa compensação. Se não houvesse qualquer atraso ao longo do caminho de transmissão, os relógios estariam agora sincronizados.

A segunda fase do processo de sincronização é a medição de atraso que determina o retardo ou uma latência entre mestre e escravo. Para este efeito, o relógio escravo envia um pacote chamado “delay request” (pedido de atraso) para o mestre e durante este processo é determinado o momento exato da transmissão da mensagem TS3. O mestre gera uma data e hora na recepção do pacote e envia o tempo de TM3 recepção de volta para o escravo através de um pacote chamado “delay response” (atraso da resposta).



IEEE1588 com SWITCHES

A precisão do protocolo depende também do jitter de latência da topologia da rede subjacente. As conexões Ponto a ponto fornecem a mais alta precisão, com hubs, que influencia muito pouco o jitter da rede. Sob baixas ou nenhuma carga de rede, os switches Layer 2 tem um tempo de processamento muito baixos, geralmente de 2 a 10μs mais o tempo de recepção do pacote. Neste caso, os projetos também têm nova opção de jitter de baixa latência, por exemplo Hirschmann o Switch RS2-FX/FX com cerca de 0,4 mS jitter de latência.

Os interruptores trabalham com filas para armazenar e transmitir, portanto, apenas um pacote de comprimento máximo de fila impõe um atraso para o seguinte pacote de cerca de 122μs, e sob condições de alta carga, mais de um pacote estará na fila. A próxima edição para a precisão do protocolo é que a latência é completamente simétrico para ambos os sentidos: do mestre para o escravo e do escravo para o mestre. Isso quase nunca pode ser garantida sob cargas elevadas de rede.

Priorização de pacotes por exemplo, IEEE802.2D não resolve realmente o problema, porque pelo menos um pacote de comprimento pode estar na frente de um pacote de sincronização e assim vai impor até 122μs para o jitter da transmissão. Atualmente, opções disponíveis mostram que, após o agendador de prioridade, há uma outra fila para 2 até 8 pacotes, e não apenas uma como o esperado.

Isso significa que existe uma variação de 360μs até 1ms sob condições de carga pesada.
A solução para todos estes problemas é o uso da IEEE 1588 relógios de Fronteira em switches. Neste caso, tem-se conexões ponto a ponto e não há quase nenhum atraso jitter entre relógio mestre e escravo e atraso de enfileiramento interno com o jitter de opções não é relevante.

CONCLUSÃO

A Precision Time Protocol padronizada na IEEE1588 atinge uma precisão de sincronização dentro do intervalo de sub-microssegundo e tem ainda potencial para maior precisão. É ideal para aplicações que necessitam de um tempo de sincronização de relógios de alta precisão distribuídas em um domínio de rede limitada.

Muitos fabricantes já começaram o desenvolvimento de componentes adequados e já começaram a avaliar os seus primeiros protótipos. Para uma alta precisão em uma rede Ethernet, recomenda-se a equipar switches com tecnologia IEEE1588. A arquitetura de referência PTP introduzida neste texto tenta unir as vantagens do equipamento, modularidade e a escalabilidade.

Já estão sendo comercializado Switchs com IEEE1588 inclusive com a Versão 2. A RuggedCom oferece o modelo RSG2288 e a LinkPrecision com o modelo T1000.

Outros fabricantes renomados também estarão lançado modelo com esta tecnologia em breve.