Sistemas de sellado temporal en redes sincronizadas de alta precisión

Abstract

El aumento de la conectividad, la automatización y la adopción de tecnología, tanto en la industria como en la vida diaria de las personas, lleva asociado un incremento en los requisitos técnicos necesarios para poder cumplir con las expectativas de los usuarios y asegurar la calidad de servicio. En este contexto, diferentes parámetros como ancho de banda, latencia, determinismo o escalabilidad han ganado relevancia debido al despliegue de redes cada vez más complejas. Bien sea por el número de nodos conectados, la distribución geográfica de los mismos o la naturaleza del servicio, las redes de comunicación actuales suelen estar desplegadas de forma distribuida, añadiendo complejidad a la monitorización y la gestión. Dados los estrictos requisitos en términos de calidad de servicio y latencia en las comunicaciones en ciertos ámbitos, como las redes de quinta generación (5G) o de comercio electrónico en finanzas, el despliegue de redes de visibilidad que aporten información del estado de la red de forma centralizada es necesario. Dependiendo de la red en cuestión, dicha centralización de la monitorización puede agrupar equipos desplegados a escala local o incluso llegar a englobar equipos desplegados a escala nacional o transnacional. Esta tesis doctoral se centra en tres de los principales escollos a la hora de ejecutar un correcto análisis del tráfico en la red usando redes de visibilidad: la sincronización temporal, la capacidad de integración de las redes de visibilidad en redes de producción operativas y el sellado temporal de los paquetes de red en nodos desplegados de forma distribuida. De inicio, una revisión de diferentes mecanismos de sincronización en redes distribuidas con el objeto de transferir una noción del tiempo compartida entre los diferentes nodos de la red de visibilidad ha sido realizada. Este estudio, aunque revisa múltiples mecanismos, se centra en el nuevo perfil High Accuracy (HA) definido en la última revisión del estándar IEEE 1588 Precise Time Protocol (PTP). Tras la profundización en la tecnología, uno de los principales escollos detectados para su integración es la limitación de ancho de banda mostrada por la implementación previa de este perfil, conocido como protocolo White Rabbit (WR). Dicho protocolo fue originalmente implementado para soportar enlaces 1 Gbps Ethernet suponiendo un problema de compatibilidad en su despliegue en redes de comunicaciones industriales, donde enlaces 10 Gbps, 25 Gbps, 40 Gbps o 100 Gbps son la norma general. Por ese motivo, la primera tarea de la tesis doctoral se centra en la adaptación del protocolo WR a 10 Gbps, demostrando su adaptabilidad a diferentes anchos de banda manteniendo un nivel de sincronización inferior al nanosegundo, y superando la limitación en el marco de las frecuencias de transmisión para los enlaces Ethernet de diferentes velocidades. Posteriormente, se realiza un análisis detallado del perfil HA en PTP a través del protocolo WR considerado una implementación previa de dicho perfil. La evaluación a través de este protocolo permite anticipar las potenciales limitaciones del recién presentado perfil HA, no solo en un marco teórico sino en despliegues reales en diversas industrias. El motivo por el cual se presta especial atención a esta aproximación es su capacidad para alcanzar niveles de exactitud mejores del nanosegundo en redes Ethernet de fibra, siendo una tecnología prometedora en términos de precisión en la correlación temporal de los paquetes capturados en la red de visibilidad y, simultáneamente, en términos de adopción industrial en sectores como finanzas, telecomunicaciones o ciencia. Por último, siguiendo el hilo conductor de la utilización de diferentes frecuencias de transmisión en enlaces Ethernet y de sincronización temporal de alta precisión, esta tesis presenta el diseño e implementación de un nuevo mecanismo de sellado temporal basado en la tecnología usada por el protocolo WR. El objetivo de este mecanismo de sellado temporal es alcanzar precisiones en el nivel de los picosegundos en la captura de paquetes Ethernet generados por equipos asíncronos desplegados de forma distribuida. El diseño de este sellador temporal ahonda en la flexibilidad de los mecanismos de medición de fase para obtener niveles de precisión en el rango de picosegundos sin necesidad de electrónica externa o complejos procesos de calibración, mejorando el coste y la capacidad de integración de esta tecnología. Además, su integración es compatibilizada con mecanismos de sincronización de alta precisión, por ejemplo, WR o PTP HA, permitiendo su uso de forma distribuida en redes de visibilidad. Este concepto, nombrado Precise Network Time Monitoring (PNTM), permite su integración en equipos de red o de captura de paquetes manteniendo altos niveles de precisión sin requerir grandes costes y, en combinación con sincronización de red, puede suponer una alternativa válida para la gestión integral de una red de datos de área local (LAN) o amplia (WAN). Esta tesis aborda los desarrollos mencionados, realiza la validación experimental de los sistemas implementados, así como su caracterización, y finaliza con una revisión de las posibles aplicaciones y trabajos futuros a desarrollar en esta línea de investigación.

The rise of connectivity, automatization, and technology adoption in both the industry and the dayby- day lifestyle has led to an evolution on the technical requirements in order to fulfill the expectations and quality of service. In that context, different parameters, e. g., data bandwidth, latency, determinism, or scalability, are now more important due to the increased complexity in communication networks. Due to the number of connected nodes, the geographical distribution, or the service idiosyncrasy, nowadays communication networks are deployed in a distributed manner. This fact complicates the monitoring and management of those networks. Regarding the strict quality of service and latency requirements, especially in fifth generation (5G) and electronic trading networks, it is necessary to deploy visibility networks that provide centralized service information. Depending on the network architecture, the visibility network may need to be deployed only locally or may need to be deployed on a nation-wide or even international scale. This Ph.D. dissertation focuses on three main issues that prevent a correct traffic analysis in visibility networks: Time synchronization, integration of visibility networks in production environments and distributed packet timestamping. Firstly, a state of art review covering the main time synchronization mechanisms in distributed networks for propagating a shared notion of time is performed. This review covers multiple technologies, but it is focused on the new IEEE 1588 Precise Time Protocol (PTP) High Accuracy (HA) profile defined in the standard. Because of this review, a limitation on its integrability is detected due to the low bandwidth of the reference design for this profile, which is known as the White Rabbit (WR) protocol. The WR protocol was designed to work over 1 Gbps Ethernet links and that means that it has a lack of compatibility with commercial communication networks that typically use higher data bandwidths, e.g., 10 Gbps, 25, Gbps, 40 Gbps or 100 Gbps. For that reason, the first task in this work relates to the evolution of WR to support higher bandwidths, i.e., 10 Gbps. That shows the adaptability of the technology to work with different bandwidths maintaining its sub-nanosecond synchronization accuracy and demonstrates that it is a feasible solution even when using different transmission frequencies for different link speeds in Ethernet networks. Following this development, an in-detail analysis of the HA profile has been performed. This review identifies the main limitations of this new profile thanks to the use of WR industrial deployments as a reference to obtain both theoretical information and real-life feedback. In the context of this dissertation, the attention to the HA profile is justified by its unprecedented level of accuracy in commercial Ethernet networks. This is an essential feature to correlate the obtained timestamps when capturing data packets in distributed visibility networks. Additionally, the use of WR can promote next generation visibility capabilities to be used in the scientific, finance and telecommunication sectors thanks to its existing industrial adoption. After covering the time synchronization and integrability aspects for visibility networks, this thesis proposes and implements a new timestamping mechanism based on an adaptation of the WR implementation. The goal of the proposed timestamping technique is to maintain the single picosecond precision on the capture of data packets generated by asynchronous devices in distributed Ethernet networks. The timestamping design is based on a phase measurement technique to achieve single picosecond precision without requiring specific electronic components or calibration. Therefore, this mechanism leads to a cost reduction and enhances the integrability in network devices. Furthermore, the integration of picosecond-level timestamping with sub-nanosecond time synchronization (thanks to WR or the HA profile) enables this design to be deployed in actual distributed architectures, overcoming the time synchronization issue when capturing information in different locations. This combination is called Precise Network Time Monitoring (PNTM). Thanks to this contribution, regular network devices can be used for high precision timestamping purposes, reducing the overall cost, and minimizing the degradation of latency measurements in Local Area Networks (LAN) and Wide Area Networks (WAN). Due to this, PNTM offers a suitable solution for high-performance centralized monitoring in demanding applications. During this Ph.D. dissertation all the research, technology reviews, developments, experimental setups, and obtained results are presented. As a conclusion, this contribution validates the feasibility of the proposed technology and the WR-related developments. Moreover, a review of potential applications and future work is presented as well.