Netwerkklokken nóg beter gelijk zetten

Geplaatst op 04 november 2019 om 10:04 uur
Netwerkklokken nóg beter gelijk zetten
De internationale techniekwereld overweegt klokken gelijk te gaan zetten met een verbeterde methode. Begin november bespreekt de internationale organisatie voor standaarden IEEE een nieuw protocol voor het tot op minder dan nanoseconden synchroniseren van klokken tot op honderden kilometers afstand.

De beste technieken voor het gelijk zetten van elektronische klokken zijn 10 jaar geleden ontwikkeld in de wereld van de deeltjesfysica. Het systeem wordt WhiteRabbit genoemd, naar het konijn dat in het boek Alice in Wonderland van Lewis Carroll rondrent met een stopwatch in de hand en overal steeds te laat denkt te komen.


WhiteRabbit is gebaseerd op de Ethernet-protocollen voor optische netwerken via glasvezel. Daarin legt een draagsignaal van lichtpulsen het fundament. In de grote LHC-versneller op Cern in Genève, de opslagringen van GSI in Darmstadt en een aantal grote radiotelescopen wordt het systeem toegepast.
Fysiek heeft WhiteRabbit de vorm van een computerchip met kristaloscillatoren en logische schakelingen van minder dan een postzegel groot, die signalen vanuit de omringende elektro-optische printplaat over het Ethernet stuurt en meet.

 

Open standaard

Bijzonder is dat de techniek een volledig open standaard is, waarbij alle ontwerpen vrij toegankelijk zijn. Bedrijven mogen er eigen producten mee ontwikkelen, en doen dat ook. Er zijn wereldwijd diverse aanbieders van precisie-netwerktijd actief.


Om twee klokken op afstand gelijk te zetten, bijvoorbeeld om metingen van een passerend deeltje in een detector of versneller met elkaar in verband te brengen, worden ze met een Ethernet-glasvezel verbonden.


Over die vezel worden vervolgens signalen zodanig heen en weer gezonden, dat een tijdverschil tussen beide tot op nanoseconden kan worden gemeten. Desgewenst kan de metingen vaak worden herhaald, zodat eventuele veranderingen in de verbinding (bijvoorbeeld temperatuurgevoelige vezels) steeds kunnen worden verrekend.


"Op deze manier kun je de klokken van gedistribueerde apparaten toch extreem precies gelijk zetten", zegt elektronicus Peter Jansweijer van de afdeling Elektronische Technologie van Nikhef in Amsterdam. Hij werkt al langdurig aan de verdere verfijningen van het WhiteRabbit systeem.
Nikhef ontwikkelde enkele cruciale onderdelen van het systeem voortbordurend op de timers van de Antares-neutrinodetector in de Middellandse Zee, die uit tientallen kabels in de diepzee bestaat. Cern bracht de timingstechnieken bij elkaar in White Rabbit.

 

Kalibratie zonder kabels

Jansweijer kreeg onlangs op een IEEE-conferentie in het Amerikaanse Portland voor het tweede jaar op rij een prijs voor het beste artikel over de verfijndere klokprotocollen. In het bekroonde artikel beschrijven Jansweijer en zijn collega Henk Peek een methode die zonder extra kabels een kalibratie van klokken op afstand mogelijk maakt. Daarmee is precies bekend of een afgeleide klok in het juiste tempo tikt en hoeveel hij voor of achter staat vergeleken met de standaardklok. De gebruikte techniek berust op het gegeven dat verschillende kleuren licht een verschillende snelheid hebben in een glasvezel, zogeheten dispersie. Voor hoge nauwkeurigheid (tot picosecondes) moet met die verschillen rekening worden gehouden.


Op 6 november dit jaar neemt de IEEE een besluit over een voorstel om het 1588-protocol voor tijdkalibratie aan te passen.

 

Commerciële toepassingen

Inmiddels zijn ook niet-wetenschappelijke instellingen geïnteresseerd in de methodes om tijd op verschillende plaatsen exact te synchroniseren. Op de conferentie in Portland toonde bijvoorbeeld Deutsche Telecom interesse om met deze technieken de timing van transacties nog verder te perfectioneren. De Duitse beurs in Frankfurt gebruikt White Rabbit al.


Het systeem is ook geschikt om de officiële tijd van een land over te zetten op klokken elders van bijvoorbeeld grote datacentra. In Nederland geeft een eigen atoomklok in het Van Swinden-laboratorium in Delft de officiële Nederlandse tijd aan, die weer gekoppeld is aan de Europese klok in Parijs. Tot nog toe is het lastig om op afstand een exacte kopie van de Delftse klok te maken voor eigen gebruik. In 2014 gebruikte Nikhef White Rabbit al om in Amsterdam zo'n tijdkopie te realiseren. Daarmee wordt de tijd in het GRID-computernetwerk bewaakt.

 
© Engineersonline.nl