Comprendre le protocole de précision temporelle IEEE 1588

Les applications de mesure et d’automatisation doivent souvent synchroniser de manière précise les événements dans un système distribué. Par exemple, un système d’automatisation industrielle peut avoir besoin de synchroniser des contrôleurs d’axes distribués, ou un système de test et de mesure peut avoir besoin de mesurer des jauges de contrainte réparties sur l’envergure d’un avion. Le protocole de précision temporelle (PTP) IEEE 1588 représente une méthode standard pour synchroniser des instruments sur un réseau avec une précision inférieure à la microseconde. Le protocole synchronise des horloges esclave sur une horloge maître en s’assurant que les événements et les horodateurs de toutes les cartes utilisent la même base temporelle. Le protocole IEEE 1588 est optimisé pour des systèmes distribués, administrés par l’utilisateur ; avec une utilisation minimale de la bande passante du réseau ; et un faible temps système pour le traitement. Cet article décrit la technologie de synchronisation IEEE 1588 et la compare à d’autres.

Introduction à la technologie IEEE 1588
En synchronisant plusieurs horloges sur des réseaux tels qu'Ethernet, le protocole IEEE 1588 fournit une synchronisation inférieure à la microseconde sur de longues distances par l'intermédiaire d'un câblage standard. Il existe deux étapes pour la synchronisation de cartes à l’aide du protocole IEEE 1588 : (1) déterminer la carte qui servira d’horloge maître, et (2) mesurer et corriger le délai provoqué par les décalages d’horloge (offsets) et les retards du réseau. Lorsqu’un système est initialisé, le protocole IEEE 1588 utilise l’algorithme Best Master Clock (meilleure horloge maître) pour déterminer automatiquement quelle horloge du réseau est la plus précise. Elle devient alors l’horloge maître. Toutes les autres deviennent des horloges esclave et elles se synchronisent ainsi d’après cette horloge maître.

Parce que la différence temporelle entre les horloges, maître et esclave, est une combinaison de décalages et de retard de transmission de messages, la correction du délai de l’horloge est réalisée en deux phases, correction de décalage et correction de retard. L’horloge maître initialise la correction de décalage grâce à des messages de type "sync" (synchronisation) et "follow-up" (suivi, voir Figure n°1). Lorsque l'horloge maître envoie un message sync, l’horloge esclave utilise son horloge locale pour horodater l’arrivée du message sync et le compare à l’horodatage réel de la transmission sync du message de suivi de l’horloge maître. La différence entre les deux horodatages représente le décalage de l’horloge maître ajouté au retard de transmission du message. L’horloge esclave ajuste ensuite l’horloge locale de la valeur de cette différence au point A. Pour la correction de retard de transmission, l’horloge esclave utilise un ensemble de messages de synchronisation et de suivi à l’aide de son horloge corrigée pour calculer le retard maître-à-esclave au point B. Un second ensemble de messages est nécessaire pour tenir compte des variations des retards du réseau. L’horloge esclave effectue ensuite un horodatage de l’envoi d’un message de demande de retard. L’horloge maître effectue un horodatage de l’arrivée du celui-ci. Puis elle envoie un message de réponse de retard avec l'horodatage de son arrivée au point C. La différence entre les horodatages représente le retard esclave-à-maître. L’horloge esclave établit la moyenne des retards dans les deux sens et ensuite ajuste l’horloge de la valeur du retard pour synchroniser les deux horloges. Parce que les horloges maître et esclaves dérivent indépendamment, des corrections périodiques et répétées de décalage et de retard maintiennent les horloges synchronisées.

Figure n°1. Cet exemple simplifié de protocole IEEE 1588 illustre la correction de décalage et de retard pour synchroniser les horloges.


Performances typiques
La plupart des implémentations du protocole IEEE 1588 présenteront une dérive inférieure à la microseconde, mais les performances réelles dépendent fortement des spécificités des applications. Par exemple, le protocole IEEE 1588 ne spécifie pas la fréquence des horloges maître et esclaves ; ainsi, les horloges basse fréquence présentent un temps de résolution plus faible, avec comme résultat des horodatages moins précis des messages de synchronisation PTP. La stabilité de l’horloge est un autre facteur de dépendance de l’implémentation. Les horloges basées sur des oscillateurs à quartz thermostatés (TCXO) et des oscillateurs à quartz stabilisés en enceinte chauffante (OCXO) présentent une stabilité supérieure, habituellement de l’ordre du ppb (partie par milliard), comparées aux horloges utilisant des oscillateurs à quartz non contrôlés, qui présentent une stabilité de l'ordre du ppm (partie par million). Les horloges de stabilité inférieure divergeront plus rapidement, avec pour résultat des corrections de fréquence et de phase plus fréquentes ou des dérives plus importantes. Un autre facteur est la topologie du réseau. La topologie de réseau la plus simple (deux cartes reliées par un câble) conduit à une fluctuation du réseau inférieure à celle de nombreuses cartes reliées par des routeurs et des commutateurs. Lorsque plusieurs sous-réseaux sont nécessaires pour augmenter la distance ou le nombre de périphériques, un commutateur de réseau muni d’une horloge IEEE 1588 précise, dénommée horloge de liaison, devient l'horloge maître et synchronise les cartes des sous-réseaux. De plus, d’importantes variations du trafic du réseau peuvent avoir un impact négatif sur la dérive de l’horloge, parce que la correction de retard décale les états actuels du trafic. Comme de nombreux facteurs peuvent dégrader les performances de la dérive, l’évaluation et la surveillance des performances réelles de dérive au fil du temps sont recommandées.

Comparaison d’alternatives de synchronisation
Il existe une gamme de synchronisations alternatives disponibles pour les développeurs de mesure et d'automatisation.

Le Tableau n°1 compare :

- la synchronisation grâce à un fond de panier PXI,

- la synchronisation multichâssis grâce à un emplacement PXI de contrôle de synchronisation (emplacement 2),

- le protocole IEEE 1588 par Ethernet et le protocole de synchronisation de réseau (network time protocol, NTP),

- un protocole logiciel Internet pour la synchronisation des horloges sur un réseau.

¹Meilleur cas ; en fonction de la topologie et du trafic ; la carte NI PCI-1588 supporte une variation de 200 ns
²Extensible grâce à des horloges de liaison (coût supplémentaire)
³Le protocole UDP supporte les événements asynchrones

Tableau 1. Comparaison de la résolution d’événement en fonction de la distance et de la latence pour des alternatives de standard industriel pour la synchronisation.

La dérive minimum entre les événements influence les fréquences d’échantillonnage typiques de l'acquisition et de la génération synchronisées. La résolution d’événements est la durée mesurable pour démarrer, interrompre ou horodater un événement. Au contraire de la plupart des horloges (pour lesquelles la variation est inférieure à la résolution d’horloge), avec les retards de paquets Ethernet IEEE 1588, la fluctuation d’horloge est probablement supérieure à la résolution et au facteur de limitation de la résolution d’événement. La plupart des implémentations IEEE 1588 présentent des résolutions d’événement largement inférieures à la dérive visée de l’ordre de la microseconde.

La latence d'événement est un autre compromis en comparant les alternatives. Elle représente le temps qu’il faut à une requête d’événement pour quitter l’horloge maître et atteindre l’horloge esclave. Parce que les protocoles IEEE 1588 et NTP utilisent IP, la latence d’événement est limitée par la latence de paquet additionnée du temps système de pile d'instrument IP ; elle se situe habituellement dans la gamme des millisecondes. Pour cette raison, alors que les fonds de panier et les modules de contrôle de synchronisation par câblage peuvent déclencher des événements en nanosecondes, les protocoles basés sur IP se limitent aux millisecondes. Cette latence supérieure limite également la capacité du protocole IEEE 1588 à traiter efficacement des événements asynchrones.

Les schémas de synchronisation de fond de panier tels que le PXI sont idéaux pour l'acquisition à haute précision et à haute vitesse. De plus, avec des modules de synchronisation multichâssis, ils peuvent être étendus sur de longues distances. La synchronisation NTP standard sur Ethernet offre une synchronisation en millisecondes pour des événements à faible vitesse qui ne sont pas critiques en fonction du temps. Le protocole IEEE 1588 représente une alternative intéressante pour des systèmes nécessitant une dérive inférieure à la microseconde dans des systèmes distribués géographiquement. En améliorant les avantages du câblage Ethernet, qui fournit une dérive inférieure à la microseconde, et en fonctionnant avec un temps système d’administration du réseau et de processeur minimum, le protocole IEEE 1588 séduit de nombreux secteurs, en particulier l’automatisation, le test et la mesure industriels et les communications, pour la synchronisation d’instruments dans des réseaux Ethernet.

Alex McCarthy
Responsable Produits Senior Marketing VXI et Contrôle d’instruments
alex.mccarthy@ni.com

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Cet article a été initialement publié dans l’édition spéciale de la revue Instrumentation Newsletter consacrée à LabVIEW 2005

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