Fault Tolerance for IEEE 1588 Based on Network Bonding

Mustafa Altaha(무스타파 알타하),Jong Myung Rhee(이종명) 한국정보전자통신기술학회 2018 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.11 No.4

IEEE 1588은 측정 및 제어 시스템에서 사용되는 네트워크의 정확한 시각 동기 표준(PTP, Precision Time Protocol)이다. Best Master Clock (BMC) 알고리즘은 PTP에서 최적의 마스터-슬레이브 계층을 선택하기 위해 사용한다. 슬레이브가 마스터와의 링크 장애 또는 현재의 시각 동기 에러가 발생하였을 때, BMC는 자동으로 다른 마스터 신호를 수신할 수 있도록 한다. 이때의 슬레이브 클럭은 마스터 신호의 장애 보상 시간 값에 따라 달라진다. 그러나 BMC 알고리즘에서는 마스터 클럭의 장애 발생에 따른 빠른 고장 복구 방안은 전혀 고려하지 않았다. 이에 본 논문에서는 네트워크 본딩 (Bonding) 기술을 적용하여 마스터 클럭의 장애에 따른 빠른 복구 방안을 제시하였다. 본 연구는 리눅스 시스템의 PTP livery 데몬(Ptpd)과 IEEE 1588의 특정 프로파일을 사용하였으며, 본딩 모드를 통해서 제어하도록 하였다. 네트워크 본딩 기술은 둘 이상의 네트워크 인터페이스 신호를 하나의 네트워크 인터페이스에 전송하기 위해 신호를 결합하는 과정에 대한 것으로, 네트워크의 이중화와 성능 향상을 제공한다. 본딩 기술은 만약 하나의 링크에서 장애가 발생하면, 본딩되어 있는 다른 링크를 통해서 즉각적으로 신호 전달이 가능하기에 네트워크의 이중화 또는 부하 분산 등에 사용한다. IEEE 1588만 적용한 것과 대비하여 IEEE 1588 기술과 네트워크 본딩 기술을 결합한 네트워크 복구 기술의 뛰어난 성능을 본 논문을 통하여 증명하였다. The IEEE 1588, commonly known as a precision time protocol (PTP), is a standard for precise clock synchronization that maintains networked measurements and control systems. The best master clock (BMC) algorithm is currently used to establish the master-slave hierarchy for PTP. The BMC allows a slave clock to automatically take over the duties of the master when the slave is disconnected due to a link failure and loses its synchronization; the slave clock depends on a timer to compensate for the failure of the master. However, the BMC algorithm does not provide a fast recovery mechanism in the case of a master failure. In this paper, we propose a technique that combines the IEEE 1588 with network bonding to provide a faster recovery mechanism in the case of a master failure. This technique is implemented by utilizing a pre-existing library PTP daemon (Ptpd) in Linux system, with a specific profile of the IEEE 1588 and it’s controlled through bonding modes. Network bonding is a process of combining or joining two or more network interfaces together into a single interface. Network bonding offers performance improvements and redundancy. If one link fails, the other link will work immediately. It can be used in situations where fault tolerance, redundancy, or load balancing networks are needed. The results show combining IEEE 1588 with network bonding enables an incredible shorter recovery time than simply just relying on the IEEE 1588 recovery method alone.

Fault Tolerance for IEEE 1588 Based on Network Bonding

무스타파 알타하,이종명,Altaha, Mustafa,Rhee, Jong Myung Korea Information Electronic Communication Technol 2018 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.11 No.4

IEEE 1588은 측정 및 제어 시스템에서 사용되는 네트워크의 정확한 시각 동기 표준(PTP, Precision Time Protocol)이다. Best Master Clock (BMC) 알고리즘은 PTP에서 최적의 마스터-슬레이브 계층을 선택하기 위해 사용한다. 슬레이브가 마스터와의 링크 장애 또는 현재의 시각 동기 에러가 발생하였을 때, BMC는 자동으로 다른 마스터 신호를 수신할 수 있도록 한다. 이때의 슬레이브 클럭은 마스터 신호의 장애 보상 시간 값에 따라 달라진다. 그러나 BMC 알고리즘에서는 마스터 클럭의 장애 발생에 따른 빠른 고장 복구 방안은 전혀 고려하지 않았다. 이에 본 논문에서는 네트워크 본딩 (Bonding) 기술을 적용하여 마스터 클럭의 장애에 따른 빠른 복구 방안을 제시하였다. 본 연구는 리눅스 시스템의 PTP livery 데몬(Ptpd)과 IEEE 1588의 특정 프로파일을 사용하였으며, 본딩 모드를 통해서 제어하도록 하였다. 네트워크 본딩 기술은 둘 이상의 네트워크 인터페이스 신호를 하나의 네트워크 인터페이스에 전송하기 위해 신호를 결합하는 과정에 대한 것으로, 네트워크의 이중화와 성능 향상을 제공한다. 본딩 기술은 만약 하나의 링크에서 장애가 발생하면, 본딩되어 있는 다른 링크를 통해서 즉각적으로 신호 전달이 가능하기에 네트워크의 이중화 또는 부하 분산 등에 사용한다. IEEE 1588만 적용한 것과 대비하여 IEEE 1588 기술과 네트워크 본딩 기술을 결합한 네트워크 복구 기술의 뛰어난 성능을 본 논문을 통하여 증명하였다. The IEEE 1588, commonly known as a precision time protocol (PTP), is a standard for precise clock synchronization that maintains networked measurements and control systems. The best master clock (BMC) algorithm is currently used to establish the master-slave hierarchy for PTP. The BMC allows a slave clock to automatically take over the duties of the master when the slave is disconnected due to a link failure and loses its synchronization; the slave clock depends on a timer to compensate for the failure of the master. However, the BMC algorithm does not provide a fast recovery mechanism in the case of a master failure. In this paper, we propose a technique that combines the IEEE 1588 with network bonding to provide a faster recovery mechanism in the case of a master failure. This technique is implemented by utilizing a pre-existing library PTP daemon (Ptpd) in Linux system, with a specific profile of the IEEE 1588 and it's controlled through bonding modes. Network bonding is a process of combining or joining two or more network interfaces together into a single interface. Network bonding offers performance improvements and redundancy. If one link fails, the other link will work immediately. It can be used in situations where fault tolerance, redundancy, or load balancing networks are needed. The results show combining IEEE 1588 with network bonding enables an incredible shorter recovery time than simply just relying on the IEEE 1588 recovery method alone.

CAN 네트워크의 시간동기를 위한 IEEE1588 구현

박성원(Sung-won Park),김인성(In-sung Kim),이동익(Dongik Lee) 한국통신학회 2014 韓國通信學會論文誌 Vol.39 No.2(네트워크)

본 논문에서는 CAN(Controller Area Network)의 시간동기를 위한 IEEE1588 알고리즘의 구현에 관한 연구결과를 제시한다. 시간동기는 네트워크 기반 임베디드 시스템의 안정성, 효율, 신뢰성 개선 측면에서 매우 중요하다. 최근 전용 칩을 이용하는 IEEE1588 표준이 Ethernet 기반 임베디드 시스템의 시간동기에 폭넓게 적용되고 있다. IEEE1588과 같은 표준화된 시간동기 기법은 기존의 ‘in-house’ 시간동기 기법에 비해 많은 장점들을 제공하지만, CAN을 위한 IEEE1588 전용 칩은 현재까지 상용화된 제품을 찾아보기 어렵다. 본 논문에서는 전용 칩을 사용하지 않고 소프트웨어와 CAN 메시지만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현한다. 제안된 방법의 효용성을 확인하기 위해 간단한 모델을 이용하여 추정한 동기정밀도와 실험용 네트워크를 통해 측정한 동기정밀도를 비교분석 한다. In this paper, an IEEE1588 based clock synchronization technique for CAN (Controller Area Network) is presented. Clock synchronization plays a key role to the success of a networked embedded system. Recently, the IEEE1588 algorithm making use of dedicated chipsets has been widely adopted for the synchronization of various industrial applications using Ethernet. However, there is no chipset available for CAN. This paper presents the implementation of IEEE1588 for CAN, which is implemented using only software and CAN packets without any dedicated chipset. The proposed approach is verified by the comparison between the estimated synchronization precision with a simple model and the measured precision with experimental setup.

IEEE 1588 표준을 지원하는 이기종 분산 네트워크 환경에서 시간 동기화를 위한 PTP 알고리즘 기반의 어플리케이션 프레임워크 개발 기법

조경래 (사)디지털산업정보학회 2013 디지털산업정보학회논문지 Vol.9 No.3

In this paper, We proposed an development method of application framework for using the precision time protocol(PTP) based on physical layer devices to synchronize clocks across a network with IEEE1588 capable devices. The algorithm was not designed as a complete solution across all conditions, but is intended to show the feasibility of such a for the PTP(Precision Time Protocol) based on time synchronization of heterogeneous network between devices that support in IEEE 1588 Standard application framework. With synchronization messages per second, the system was able to accurately synchronize across a single heavily loaded switch. we describes a method of synchronization that provides much more accurate synchronization in systems with larger networks. In this paper, using the IEEE 1588 PTP support for object-oriented modeling techniques through the 'application framework development Development(AFDM)' is proposed. The method described attempts to detect minimum delays, or precision packet probe and packet metrics. The method also takes advantage of the Tablet PC(Primary to Secondary) clock control mechanism to separately control clock rate and time corrections, minimizing overshoot or wild swings in the accuracy of the clock. We verifying the performance of PTP Systems through experiments that proposed method.

A new Calibration Device of Electronic Transformer based on IEEE1588 Time Synchronization Mode

Zhang, Ji,Shao, Hanqlao,Peng, Changyong,Du, Zhi 대한전기학회 2014 The Journal of International Council on Electrical Vol.4 No.4

Time synchronization mode is very important for error calibrating of electronic transformer in the digital substation. This paper firstly introduces the technical principles of IEEE1588 time synchronization protocol, then it introduces the design scheme and technical features of a new calibration device of electronic transformer based on IEEE1588 time synchronization mode. Then, it compare and analysis the results of error calibration of electronic transformer using the calibration device, and compare the differences among the three time synchronization modes, including IEEE1588,B code and PPS. The test results verifies the IEEE5588 time synchronization mode has more advantages in the error calibrating of electronic transformer, and provides the references of IEEE1588 time synchronization protocol using in the smart substation.

네트워크 기반 임베디드 시스템을 위한 IEEE1588 시간동기 구현

전종목,김동길,김은로,이동익 대한임베디드공학회 2014 대한임베디드공학회논문지 Vol.9 No.1

This paper presents a IEEE1588 based clock synchronization technique for a sRIO (Serial RapidIO) network which is applied to a submarine system. Clock synchronization plays a key role in the success of a networked embedded system. Recently, the IEEE1588 algorithm making use of dedicated chipset has been widely used for the synchronization of various industrial applications. However, there is no chipset available for the sRIO network that can offer many advantages, such as low latency and jitter. In this paper, the IEEE1588 algorithm for a sRIO network is implemented using only software without any dedicated chipset. The proposed approach is verified with experimental setup.

펨토셀 주파수 신호 생성을 위한 IEEE 1588 기반 클록 동기화 시스템의 설계

한지호(Han, Jiho),박용재(Park, Yong-Jai) 한국산학기술학회 2015 한국산학기술학회논문지 Vol.16 No.7

본 논문은 펨토셀에서 요구되는 정확한 주파수 신호 생성을 위한, IEEE 1588 기반의 클록 동기화 회로 및 시스템을 제시한다. 동작 검증 및 성능 평가를 위한 프로토타입 보드와 실험 환경에 대하여 설명하고, 실험 결과가 펨토셀 동기화에 적합함을 확인한다. 펨토셀은 설치 위치의 제약이 없는 저가의 장비로 개발해야 하기 때문에, IEEE 1588 동기화 시스템의 실제 구현에 관한 연구가 매우 중요하다. 제안하는 동기화 회로를 내장한 펨토셀 기지국을 FPGA 보드에 프로그램하고, 그 기지국들의 네트워크에서 실험한 결과 -16 ~ 9 ns 이내의 동기화 오차를 보장함을 관찰하였고, 이는 3GPP의 HNB 동기화 기준을 만족하는 수준임을 확인할 수 있다. This article presents a circuit and a system for IEEE 1588 based clock synchronization to generate a very accurate frequency signal required in femtocell devices. A prototype board and the experimental environment to verify the functions and to evaluate the performance are explained to verify the feasibility of the proposed synchronization system. To make low-cost femtocells without constraints on the place of installation, it is very important to study on the practical implementation of synchronization system based on IEEE 1588. The experimental result shows that the synchronization errors between -16 ns and 9 ns are guaranteed over the network of femtocell devices with the proposed synchronization circuits, thus the synchronization criteria of the 3GPP HNB are met.

IEEE 1588 PTP 방식을 이용한 제어시스템 시각동기 구현

박수환,윤지원 한국정보통신설비학회 2016 한국정보통신설비학회 학술대회 Vol.2016 No.09

The conventional process to implement time synchronization for SCADA system operation has been as following. GPS receivers are installed in all related sites to maintain time synchronization through NTP and IRIG-B. For RTU peripheral equipments, time synchronization is maintained through time synchronization function inside DNP frame and other TOD (Time of Day) functions. The introduction of Substation Automation System (SA) with IT system and communication infrastructures are accelerating year by year. In addition, a shift is being made to the digital-based(i.e program based) automatic power monitoring and control system with IEC 61850 as a standard. This paper is aimed at introducing plans to implement more precise time synchronization in SCADA system operated with the accurate time synchronization technologies of IEEE 1588, which is drawing attention amid technological advancements in the present times

이더캣 통신시스템에서 분산 클럭 동기화에 관한 연구

문용선,트롱루안,이영필,차현록,Moon, Yongseomn,Vo, Trong Tuan Anh,Lee, Youngpil,Cha, Hyunrok 한국전자통신학회 2009 한국전자통신학회 논문지 Vol.4 No.4

본 논문에서는 현재 네트워크 기반 제어 시스템에서 사용이 되는 동기화 프로토콜 방식과 최신 산업용 이더넷 기술의 동기화 기술 구현에 사용되는 IEEE1588 동기화 프로토콜에 대한 전반적인 내용을 기술하였다. 또한 IEEE1588 시간 기반 동기화 기술을 사용하는 산업용 이더넷 기술 중의 하나인 이더캣 통신의 동기화 기술의 구현 및 실험을 수행하고, 실험 결과에 대한 평가, 문제점 개선 및 향후 계획에 대한 내용을 기술하였다. In this paper, we describe a method for synchronization protocol method used in control system based on network and IEEE 1599 synchronization method which used for implementation of synchronization technology of advanced industrial Ethernet. We also implement and perform the experiment for synchronization technology of EtherCAT communication which is one of the industrial Ethernet technology used IEEE 1599 synchronization technology based on time. And we describe an evaluation for experiment result, improve the problem and future plan.

Implementing Time-triggered Communication for Embedded Ethernet Real-time Network using IEEE 1588 Time Synchronization

Goh, Ju Han,Mohamad Khairi Ishak 대한전자공학회 2021 IEIE Transactions on Smart Processing & Computing Vol.10 No.5

A time-triggered embedded system has become a ubiquitous technique in safety-critical systems, such as automotive, aerospace, and medical sectors. Thus, precision is of utmost importance to determine if the application is synchronized correctly. The Network Time Protocol is the traditional protocol used for clock synchronization in wired networks. On the other hand, the protocol lacks hardware timestamping features, and it collects many timestamping errors because of the diversification of the queuing time in the switches and router. This drawback was implemented into a new protocol, and new features on the Precision Time Protocol, known as IEEE 1588-2008, were added. This paper proposes a real-time network for a time-triggered Embedded system, the Precision Time Protocol synchronize, on a Spartan 3E Field Programmable Gate Array (FPGA). Two approaches were also introduced to evaluate the performance using Precision Time Protocol: hardware and software implementations. MATLAB Simulink software was used to evaluate the software approaches. The result showed that the Precision Time Protocol used 0.83μs to complete the clock synchronization compared to the 4.65μs used by the Network Time Protocol, which was six times faster.