Distribución robusta de tiempo mediante redes de fibra óptica de larga distancia

Abstract

La creciente dependencia de diversos sectores, desde las telecomunicaciones hasta los mercados financieros, en la sincronización precisa resalta la necesidad de sistemas de transferencia de tiempo robustos. Los sistemas distribuidos, que constituyen la espina dorsal de nuestro mundo digital, requieren una base de tiempo común para hacer posibles la correlación de datos, el monitoreo del estado del sistema en su totalidad y la ejecución de procesos coordinados dentro de intervalos de tiempo acotados. Si bien los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) han proporcionado referencias de tiempo válidas a un coste asequible, su vulnerabilidad hace necesaria la integración de alternativas terrestres más resilientes. Este trabajo se centra en el uso del protocolo White Rabbit (WR), en el que se basa el perfil de IEEE 1588-2019 High Accuracy, para ofrecer capacidades de sincronización en enlaces de larga distancia. Inicialmente diseñado para su uso en redes privadas con modelos de retardo de enlace conocidos y capaz de alcanzar una precisión por debajo de un nanosegundo, existen desafíos significativos que deben abordarse con respecto a la extensión de WR en redes públicas que abarcan distancias más largas, condiciones de red dinámicas y equipamiento específico para larga distancia. Para garantizar la fiabilidad del sistema de transferencia de tiempo, el uso del protocolo WR en estas circunstancias debe ir acompañado de capacidades de fiabilidad mejoradas que permitan a los dispositivos de la red funcionar de forma autónoma o cambiar rápidamente de una referencia de tiempo a otra. Esta tesis está estructurada en cuatro partes. La primera parte está dedicada a la revisión del estado del arte, donde examinamos las fuerzas impulsoras que llevan a muchas áreas de la industria a adoptar sistemas de transferencia de tiempo precisos y resilientes, tanto regulatorias como competitivas. Luego, revisamos los conceptos fundamentales de las señales de tiempo y la sincronización, junto a los métodos más utilizados y los más avanzados para transferencia de tiempo entre ubicaciones lejanas, y nos enfocamos en los elementos que afectan la robustez y resiliencia de WR en redes de larga distancia, es decir, la transmisión de señales de datos a través del medio óptico, y los mecanismos que pueden implementarse para mejorar la redundancia y resiliencia en un sistema de transferencia de tiempo. Esto es seguido por la introducción de las metodologías experimentales, herramientas y plataformas de desarrollo que se han empleado. En la segunda parte de la tesis abordamos los aspectos de resiliencia de la solución de transferencia de tiempo tanto a nivel de nodo como de red. Primero, describimos y abordamos las limitaciones introducidas por el ruido de señal, analizamos su impacto en el mantenimiento, e implementamos una solución experimental de holdover que extiende el tiempo de holdover de un nodoWRgarantizando una exactitud por debajo de un nanosegundo durante el tiempo suficiente para realizar el cambio a una referencia de tiempo alternativa. A esto le sigue la descripción de los métodos desarrollados para proporcionar a los nodos WR mecanismos de tolerancia a fallos en topologías en anillo, demostrando la viabilidad del enfoque tanto para datos como para sincronización. La tercera parte consiste en un análisis extensivo de los dispositivos de red específicos y fenómenos físicos que causan un impacto en el rendimiento de la sincronización vinculada a enlaces de larga distancia. Los elementos identificados se implementan en un banco de pruebas de laboratorio, y se evalúa la influencia de los elementos identificados en términos de asimetría y retardo frente a condiciones ambientales variables. Este análisis resalta la importancia de evaluar los componentes de la red en la ruta óptica y modela su impacto. Y la cuarta y última parte corresponde a la prueba y verificación de los mecanismos de resiliencia en un escenario del mundo real. Después de una visión general de las necesidades de sincronización en la industria de tecnología financiera y la descripción de los requisitos técnicos y regulatorios, se delinea un enlace de Time as a Service (Taas, o “tiempo como servicio”) que abarca 44 km de longitud en el área metropolitana de Madrid, y se destacan y verifican sus mecanismos de autonomía y resiliencia. Los resultados de este escenario, donde se garantiza la trazabilidad de la señal de tiempo al Tiempo Universal Coordinado (UTC) y se pone a prueba la robustez del sistema, sirven como validación de los modelos y mecanismos descritos en las partes anteriores

The increasing reliance of various sectors, from telecommunications to financial markets, on precise synchronization highlights the need of robust time transfer systems. Distributed systems, the backbone of our digital world, require a shared common time base to enable data correlation, system-wide state monitoring, and executing coordinated processes within bounded time intervals. While Global Navigation Satellite Systems (GNSS) has provided valid and cost-effective time references, their vulnerability necessitates the integration of more resilient terrestrial alternatives. This work centers around the use of the White Rabbit (WR) protocol, on which the IEEE 1588-2019 High Accuracy profile is based, to offer synchronization capabilities over long distance links. Initially developed for use in private networks with well-known link models and capable of sub-nanosecond accuracy, there are significant challenges that need to be addressed regarding the extension of WR over public networks spanning longer distances, dynamic network conditions and specific long-distance equipment. To ensure the reliability of the time transfer system, the use of the WR protocol in these circumstances must be followed by enhanced reliability capabilities that allow the devices in the network to function autonomously or to swiftly shift from one time reference to another. This thesis is structured in four parts. The first part is devoted to the review of the state of the art, where we examine the driving forces that push many areas of the industry to adopt precise and resilient time transfer systems, both regulatory and competitive. Then, we review the fundamental concepts of time signals, the most widely used and pioneering methods to transfer a time reference between locations, and we focus on the elements that impact the robustness and resiliency of WR over long distance networks, that is, the transmission of data signals over the optical medium, and the mechanisms that can be implemented to enhance redundancy and resiliency in a time transfer system. This is followed by the introduction of the experimental methodologies, tools and development platforms that have been employed. In the second part of the thesis we address the resiliency aspects of the time transfer solution at both the node and network levels. First, we describe and address the limitations introduced by signal noise, analyze its impact on holdover, and we implement an experimental holdover solution that extends the holdover time of a WR node ensuring sub-nanosecond performance for long enough to perform switchover to an alternate time reference. This is followed by the description of the methods developed to provide WR nodes with fault-tolerant mechanisms in ring topologies, demonstrating the viability of the approach for both data and timing. The third part consists of an extensive analysis of the specific network equipment and processes that cause an impact on the performance of synchronization that is bound to long distance links. The identified elements are deployed in a lab testbench, and the influence of the identified elements in terms of asymmetry and delay is tested against variable environmental conditions. This analysis highlights the importance of evaluating the network components in the optical path, and models the impact thereof. And the fourth and last part corresponds to the test and verification of the resiliency mechanisms in a real world scenario. After an overview of timing in the fintech industry and the outline of the technical requirements, a Time as a Service (TaaS) link spanning 44 km in the metropolitan area of Madrid is described, and its autonomy and resiliency mechanisms are highlighted and verified. The results of this scenario, where the traceability of the time signal to Coordinated Universal Time (UTC) is guaranteed and the robustness of the system is tested out, serve as validation of the models and mechanisms described in the previous parts.