Die Norm IEEE 1588 ist ein Standard für die Synchronisation von Geräte-Uhren in verteilten Netzwerk-Teilnehmern. Die aktuelle Version basiert auf der Spezifikation IEEE 1588-2008, auch bezeichnet als IEEE 1588 V2. Abhängig von der verwendeten Hardware und Topologie lässt sich mit IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol) eine Synchronisation bis in den zweistelligen Nanosekundenbereich erzielen.

Bis dato wurde die zeitliche Synchronisation verteilter Netzwerk-Teilnehmer gewöhnlich auf zwei Arten realisiert: Die erste und einfachste Art bestand darin, ein einheitliches Trigger-Signal bereitzustellen, welches von einer Master-Uhr über eine separate Leitung an die Teilnehmer gesendet wird. Die Genauigkeit ist hierbei jedoch durch die Signallaufzeit und somit durch die Leitungslänge sowie durch die Qualität der Master-Uhr beschränkt. Für viele Anwendungen ist darüber hinaus der Einsatz einer zusätzlichen Trigger-Leitung nicht praktikabel, sei es systembedingt oder aus preislichen Gründen.

Die zweite Lösung war die Be­stückung der einzelnen Teilnehmer mit hochgenauen Zeitgebern, zum Beispiel GPS-Empfängern. Abhängig von den räumlichen Umgebungen ist der Empfang von GPS-Signalen oder anderen Funk-Signalen jedoch nicht immer möglich. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn Teilnehmer in Innenräumen, unterirdisch oder in geschirmten Bereichen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus ist der Einsatz von GPS-Empfängern bei kleineren Sensoren zu teuer, da diese ohnehin besonders kostensensitiv sind.

Genau hier liegen die Vorteile des Standards IEEE 1588 PTP, der keine zusätzlichen Trigger-Leitungen oder externe Zeitgeber benötigt und mit dem dennoch eine weit höhere Präzision als bei den bis dato gängigen Methoden erreichbar ist. Zwar kommt er üblicherweise in Ethernet-basierten Netzwerken zum Einsatz; jedoch ist er nicht auf diese physikalische Schicht oder das Transportprotokoll beschränkt, da die typischen Eigenschaften des jeweiligen Bussystems oder Netzwerks und des verwendeten Protokolls bei der Ermittlung der Verzögerungskompensation berücksichtigt werden.

Einsatzfelder für IEEE 1588

Nutzen alle Komponenten in einem System die gleiche Zeitbasis, können Sensordaten hochgenau zueinander korreliert werden. Hierdurch ist zum Beispiel in einer Produktionsanlage aus den Aufnahmen mehrerer unabhängiger Kameras die exakte Lage eines Objektes bestimmbar. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die zuverlässige Verknüpfung der Messwerte von Sen­soren verschiedener Modalitäten, um so beispielsweise Qualitätskontrollen durchführen zu können. Ferner können in der Materialhandhabung – etwa an einem Fließband – verschiedene Aktuatoren zeitlich exakt angesteuert werden. Da alle Teilnehmer die gleiche Zeitbasis nutzen, lässt sich in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Fließbandes hochgenau vorherbestimmen, zu welchem Zeitpunkt welcher Aktuator eingreifen muss. Da das IEEE-1588-Protokoll Basis für das CIP-Sync Profil ist, welches sowohl das CIP-Pro­tokoll Ethernet/IP als auch Sercos um einen hochgenauen Synchronisierungsme­chanismus erweitert, wird sich das Einsatzgebiet von IEEE 1588 in der Automa­tisierungstechnik zukünftig noch deutlich erweitern.

Auch außerhalb des Automatisierungsbereiches kommen entsprechende Lösungen bereits zum Einsatz. Etwa im Bereich geologischer Messungen, wo die Daten mehrerer hundert verteilter Sensoren synchronisiert werden, um so eine exakte Datenaufzeichnung zu ermöglichen. Neben der zeitlichen Präzision erfordert dieser Einsatzbereich eine sehr hohe Zuverlässigkeit, Robustheit und Fehlertoleranz, da der Austausch einzelner Sensoren, abhängig von ihrem Standort, recht zeitaufwendig und somit kostenintensiv ist. Anderes Beispiel – Börse: Da die Anzahl der elektronischen Transaktionen am Finanzmarkt stetig steigt, wird die exakte zeitliche Bestimmung einer Transaktionsausführung immer wichtiger. Rückblickend auf die hektischen Preisänderungen am Aktienmarkt wird schnell klar, dass sich in diesem Bereich Bruchteile von Sekunden dramatisch auf die Höhe der erzielten Gewinne oder Verluste auswirken können. Aus diesem Grund werden hier IEEE-1588-Lösungen für die Synchro­nisation der Server und Clients unter­einander verwendet.

Die Anforderungen an die Implementierungen

Für die Implementierung der IEEE-1588-Funktionalität sind zwei Hauptkomponenten erforderlich: Die erste Komponente ist ein Mechanismus, mit dem eingehende Nachrichten oder externe Trigger-Ereignisse mit einem Zeitstempel versehen werden können. Dies ist mittels Software realisierbar, wobei hierbei – abhängig vom Betriebssystem und anderen nicht-deterministischen Einflüssen – die erzielbare Genauigkeit lediglich im oberen Milli­sekunden-Bereich liegt. Hochgenaue, professionelle Anwendungen erfordern den Einsatz einer Hardware-basierten Zeitstempel-Einheit (TSU). Je näher diese am eigentlichen Bussystem angesiedelt ist, desto höher ist die erzielbare Synchronisationsgenauigkeit.

Beispiele für die unterschiedlichen Implementierungsmöglichkeiten von IEEE 1588

© Ixxat Automation

Heute bieten bereits mehrere Her­steller PHYs und Mikrocontroller mit integrierter TSU an. Systeme ohne integrierte TSU oder schon auf FPGAs basierende Systeme können mittels IEEE-1588-IP-Core nachgerüstet werden. So stellt beispielsweise der IP Core von Ixxat die erforderliche TSU sowie eine Echtzeituhr und eine Trigger-Einheit zur Verfügung, welche eingehende Ereignisse mit einem Zeitstempel versieht und hochgenaue Triggersignale senden kann.

Die zweite Komponente stellt die Protokollsoftware dar, die auf der TSU aufsetzt. Sie verarbeitet die Zeitstempel der eingehenden Nachrichten, berechnet die Abweichung zur Master-Uhr und passt dann die Geschwindigkeit der internen Echtzeituhr an. Die Pro­tokollsoftware lässt sich in eine Vielzahl gängiger CPUs implementieren. Angepasste Softwareversionen sind für zahlreiche CPUs mit integrierter TSU quasi ab Lager verfügbar.

Beim Aufbau neuer Netzwerke sollten Systemdesigner ein besonderes Augenmerk auf die Verwendung von IEEE-1588-kompatiblen Switches haben. Unbekannte Verzögerungszeiten der Pakete in Standard-Switches wirken sich signifikant auf die Synchronisationsqualität aus und sollten somit, wo immer möglich, vermieden werden. Bei bestehenden Systemen, zum Beispiel im Bereich der Telekommunikations­anwendungen, sind Schwankungen in den Paket-Ver­zögerungszeiten durch den Einsatz von Filtern minimierbar.