Ethernet für Multimediadienste im Automobil

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IEEE 802.1as Zeitsynchronization

802.1as basiert auf der Zeitsynchronizationsspezifikation IEEE 1588, die UDP-Pakete (User Datagram Protocol) über IP benutzt, um das Netzwerk zu synchronisieren, wobei eine übliche 8-kHz-Uhr benutzt wird.

Bild 3 zeigt eine typische Hardware-Implementierung der IEEE 802.1as/1588-Funktionalität. Viele der industriellen, in Echtzeit gesteuerten Ethernet-Netzwerke haben IEEE 1588 übernommen. Um eine Synchronisierung mit restlichen Netzwerk zu erzielen, muss jeder Knoten wissen, welche Uhr er benutzen muss. Alle Knoten müssen den „Best Master Clock“-Algorithmus befolgen, um die Taktung zu ermitteln. Ist ein Knoten der Master für andere Knoten im Ring, wird eine Hochpräzisionsquelle wie z.B. GPS benutzt.

Ist ein Knoten nicht als Master festgelegt, wird er die Zeitmessung aus dem Netzwerk nach Protokoll 1588 beziehen. Wird die genaue Taktung nicht vom Netzwerk bereitgestellt, kommt der lokale On-Board-Oszillator zum Einsatz. Der Master ist für das Bereitstellen seiner Position an alle Slaves im Netzwerk verantwortlich. Empfängt ein Slave von seinem Master keine Information, ernennt er sich selbst zum Master.

Um Master und Slaves zu synchronisieren, betreibt 1588 ein PTP (Precise Time Protocol), basierend auf IP-Multicasting. Der Switch muss PTP-Pakete identifizieren und die Ingress- und Egress-PTP-Pakete mit einem Zeitstempel versehen. In der Ingress-Richtung leitet der Switch die eingehenden PTP-Pakete direkt an den Prozessor-Port weiter.

Die zwei Phasen der Synchronisierung

Der Synchronisierungsvorgang verläuft in zwei Phasen: Zunächst wird die Offset-Zeit zwischen Master und Slave berechnet und korrigiert. Um diese Funktion ausführen zu können, sendet der Master kontinuierlich in bestimmten Intervallen eine spezifische Nachricht an den Slave, normalerweise alle 10 ms. Die zweite Phase des Synchronisierungsvorgangs ist die Verzögerungsmessung. Der Slave sendet eine Verzögerungsanfrage an den Master, die zurückgesendet wird. Dieser Roundtrip wird mithilfe der Zeitstempel berechnet.

Man nimmt an, dass die Verzögerung zwischen Master und Slave immer symmetrisch ist. Bild 4a und 4b zeigen beispielhafte Offset- und Verzögerungsphasen des PTP-Synchronisierungsvorgangs.

Um den erforderlichen Latenz-Jitter zu erzielen, beträgt die zugelassene Abweichung etwa 4 ppm, was einer Abweichung von 4 ns alle 10 ms im Synchronisierungszyklus entspricht.

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