Distribución robusta de tiempo mediante redes de fibra óptica de larga distancia

Resumen

La creciente dependencia de diversos sectores, desde las telecomunicaciones hasta los mercados financieros, en la sincronización precisa resalta la necesidad de sistemas de transferencia de tiempo robustos. Los sistemas distribuidos, que constituyen la espina dorsal de nuestro mundo digital, requieren una base de tiempo común para hacer posibles la correlación de datos, el monitoreo del estado del sistema en su totalidad y la ejecución de procesos coordinados dentro de intervalos de tiempo acotados. Si bien los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) han proporcionado referencias de tiempo válidas a un coste asequible, su vulnerabilidad hace necesaria la integración de alternativas terrestres más resilientes. Este trabajo se centra en el uso del protocolo White Rabbit (WR), en el que se basa el perfil de IEEE 1588-2019 High Accuracy, para ofrecer capacidades de sincronización en enlaces de larga distancia. Inicialmente diseñado para su uso en redes privadas con modelos de retardo de enlace conocidos y capaz de alcanzar una precisión por debajo de un nanosegundo, existen desafíos significativos que deben abordarse con respecto a la extensión de WR en redes públicas que abarcan distancias más largas, condiciones de red dinámicas y equipamiento específico para larga distancia. Para garantizar la fiabilidad del sistema de transferencia de tiempo, el uso del protocolo WR en estas circunstancias debe ir acompañado de capacidades de fiabilidad mejoradas que permitan a los dispositivos de la red funcionar de forma autónoma o cambiar rápidamente de una referencia de tiempo a otra. Esta tesis está estructurada en cuatro partes. La primera parte está dedicada a la revisión del estado del arte, donde examinamos las fuerzas impulsoras que llevan a muchas áreas de la industria a adoptar sistemas de transferencia de tiempo precisos y resilientes, tanto regulatorias como competitivas. Luego, revisamos los conceptos fundamentales de las señales de tiempo y la sincronización, junto a los métodos más utilizados y los más avanzados para transferencia de tiempo entre ubicaciones lejanas, y nos enfocamos en los elementos que afectan la robustez y resiliencia de WR en redes de larga distancia, es decir, la transmisión de señales de datos a través del medio óptico, y los mecanismos que pueden implementarse para mejorar la redundancia y resiliencia en un sistema de transferencia de tiempo. Esto es seguido por la introducción de las metodologías experimentales, herramientas y plataformas de desarrollo que se han empleado. En la segunda parte de la tesis abordamos los aspectos de resiliencia de la solución de transferencia de tiempo tanto a nivel de nodo como de red. Primero, describimos y abordamos las limitaciones introducidas por el ruido de señal, analizamos su impacto en el mantenimiento, e implementamos una solución experimental de holdover que extiende el tiempo de holdover de un nodoWRgarantizando una exactitud por debajo de un nanosegundo durante el tiempo suficiente para realizar el cambio a una referencia de tiempo alternativa. A esto le sigue la descripción de los métodos desarrollados para proporcionar a los nodos WR mecanismos de tolerancia a fallos en topologías en anillo, demostrando la viabilidad del enfoque tanto para datos como para sincronización. La tercera parte consiste en un análisis extensivo de los dispositivos de red específicos y fenómenos físicos que causan un impacto en el rendimiento de la sincronización vinculada a enlaces de larga distancia. Los elementos identificados se implementan en un banco de pruebas de laboratorio, y se evalúa la influencia de los elementos identificados en términos de asimetría y retardo frente a condiciones ambientales variables. Este análisis resalta la importancia de evaluar los componentes de la red en la ruta óptica y modela su impacto. Y la cuarta y última parte corresponde a la prueba y verificación de los mecanismos de resiliencia en un escenario del mundo real. Después de una visión general de las necesidades de sincronización en la industria de tecnología financiera y la descripción de los requisitos técnicos y regulatorios, se delinea un enlace de Time as a Service (Taas, o “tiempo como servicio”) que abarca 44 km de longitud en el área metropolitana de Madrid, y se destacan y verifican sus mecanismos de autonomía y resiliencia. Los resultados de este escenario, donde se garantiza la trazabilidad de la señal de tiempo al Tiempo Universal Coordinado (UTC) y se pone a prueba la robustez del sistema, sirven como validación de los modelos y mecanismos descritos en las partes anteriores.