Sistemas de sellado temporal en redes sincronizadas de alta precisión

Resumen

El aumento de la conectividad, la automatización y la adopción de tecnología, tanto en la industria como en la vida diaria de las personas, lleva asociado un incremento en los requisitos técnicos necesarios para poder cumplir con las expectativas de los usuarios y asegurar la calidad de servicio. En este contexto, diferentes parámetros como ancho de banda, latencia, determinismo o escalabilidad han ganado relevancia debido al despliegue de redes cada vez más complejas. Bien sea por el número de nodos conectados, la distribución geográfica de los mismos o la naturaleza del servicio, las redes de comunicación actuales suelen estar desplegadas de forma distribuida, añadiendo complejidad a la monitorización y la gestión. Dados los estrictos requisitos en términos de calidad de servicio y latencia en las comunicaciones en ciertos ámbitos, como las redes de quinta generación (5G) o de comercio electrónico en finanzas, el despliegue de redes de visibilidad que aporten información del estado de la red de forma centralizada es necesario. Dependiendo de la red en cuestión, dicha centralización de la monitorización puede agrupar equipos desplegados a escala local o incluso llegar a englobar equipos desplegados a escala nacional o transnacional. Esta tesis doctoral se centra en tres de los principales escollos a la hora de ejecutar un correcto análisis del tráfico en la red usando redes de visibilidad: la sincronización temporal, la capacidad de integración de las redes de visibilidad en redes de producción operativas y el sellado temporal de los paquetes de red en nodos desplegados de forma distribuida. De inicio, una revisión de diferentes mecanismos de sincronización en redes distribuidas con el objeto de transferir una noción del tiempo compartida entre los diferentes nodos de la red de visibilidad ha sido realizada. Este estudio, aunque revisa múltiples mecanismos, se centra en el nuevo perfil High Accuracy (HA) definido en la última revisión del estándar IEEE 1588 Precise Time Protocol (PTP). Tras la profundización en la tecnología, uno de los principales escollos detectados para su integración es la limitación de ancho de banda mostrada por la implementación previa de este perfil, conocido como protocolo White Rabbit (WR). Dicho protocolo fue originalmente implementado para soportar enlaces 1 Gbps Ethernet suponiendo un problema de compatibilidad en su despliegue en redes de comunicaciones industriales, donde enlaces 10 Gbps, 25 Gbps, 40 Gbps o 100 Gbps son la norma general. Por ese motivo, la primera tarea de la tesis doctoral se centra en la adaptación del protocolo WR a 10 Gbps, demostrando su adaptabilidad a diferentes anchos de banda manteniendo un nivel de sincronización inferior al nanosegundo, y superando la limitación en el marco de las frecuencias de transmisión para los enlaces Ethernet de diferentes velocidades. Posteriormente, se realiza un análisis detallado del perfil HA en PTP a través del protocolo WR considerado una implementación previa de dicho perfil. La evaluación a través de este protocolo permite anticipar las potenciales limitaciones del recién presentado perfil HA, no solo en un marco teórico sino en despliegues reales en diversas industrias. El motivo por el cual se presta especial atención a esta aproximación es su capacidad para alcanzar niveles de exactitud mejores del nanosegundo en redes Ethernet de fibra, siendo una tecnología prometedora en términos de precisión en la correlación temporal de los paquetes capturados en la red de visibilidad y, simultáneamente, en términos de adopción industrial en sectores como finanzas, telecomunicaciones o ciencia. Por último, siguiendo el hilo conductor de la utilización de diferentes frecuencias de transmisión en enlaces Ethernet y de sincronización temporal de alta precisión, esta tesis presenta el diseño e implementación de un nuevo mecanismo de sellado temporal basado en la tecnología usada por el protocolo WR. El objetivo de este mecanismo de sellado temporal es alcanzar precisiones en el nivel de los picosegundos en la captura de paquetes Ethernet generados por equipos asíncronos desplegados de forma distribuida. El diseño de este sellador temporal ahonda en la flexibilidad de los mecanismos de medición de fase para obtener niveles de precisión en el rango de picosegundos sin necesidad de electrónica externa o complejos procesos de calibración, mejorando el coste y la capacidad de integración de esta tecnología. Además, su integración es compatibilizada con mecanismos de sincronización de alta precisión, por ejemplo, WR o PTP HA, permitiendo su uso de forma distribuida en redes de visibilidad. Este concepto, nombrado Precise Network Time Monitoring (PNTM), permite su integración en equipos de red o de captura de paquetes manteniendo altos niveles de precisión sin requerir grandes costes y, en combinación con sincronización de red, puede suponer una alternativa válida para la gestión integral de una red de datos de área local (LAN) o amplia (WAN). Esta tesis aborda los desarrollos mencionados, realiza la validación experimental de los sistemas implementados, así como su caracterización, y finaliza con una revisión de las posibles aplicaciones y trabajos futuros a desarrollar en esta línea de investigación.