Bei der Satellitennavigation mit GPS (Global Positioning System) führt eine Abweichung um zehn Nanosekunden bei der Ortsbestimmung zu einem Fehler von drei Metern. Das ist nur eines von vielen Beispielen, warum eine hochpräzise zeitliche Synchronisation in verteilten Systemen eine entscheidende Rolle spielt. Wer mehrere Uhren besitzt, weiß, dass sie nie exakt gleich ticken. Während jedoch im Alltag die "Daumen-mal-Pi"-Methode zum Nachstellen der Uhren in der Regel reicht, können in modernen, verteilten Systemen wie bei GPS schon minimale Abweichungen schwerwiegende Folgen haben. Diese Systeme benötigen für die exakte Synchronisation ihrer Aktivitäten eine hochgenaue, gemeinsame Zeit. Diese wird durch eine in jedem Netzwerkteilnehmer eingebaute lokale "Uhr" bestimmt, die in Abstimmung mit den übrigen Uhren im Netz nachgestellt wird. Dazu werden die Zeiten der Uhren untereinander ausgetauscht. Schlüsselwort Laufzeit Für eine hohe Genauigkeit ist dabei entscheidend, dass die Laufzeit der Nachrichten - also die Zeit, die eine Nachricht braucht, um von einem Punkt eines Netzwerks zu einem anderen zu gelangen - gemessen und rechnerisch ausgeglichen werden kann. An der ÖAW-Forschungsstelle für Integrierte Sensorsysteme (FISS) in Wiener Neustadt entwickeln Forscher unter der Leitung von Thilo Sauter Methoden, bei denen Netzwerknachrichten mit hochgenauen Zeitstempeln versehen werden, die eine präzise Laufzeitmessung erlauben. Ethernet als Sensornetzwerk Im Blickpunkt ihrer Arbeit steht die mögliche Anwendung von Ethernet als Sensornetzwerk. Ethernet ist eine weit verbreitete Technologie für die Verbindung von Rechnern in lokalen Netzwerken (LANs). "Ziel ist, eine Synchronisationsgenauigkeit von unter einer Nanosekunde zu erreichen", sagt Thilo Sauter. Zum Vergleich: In dieser Zeit legt ein Lichtstrahl gerade einmal dreißig Zentimeter zurück. In diesem Zusammenhang arbeitet die Forschungsstelle auch an der Weiterentwicklung des Standards IEEE1588, dem "Precision Time Protocol" (PTP) zur Synchronisation räumlich verteilter Uhren, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Dieser Standard bildet die Grundlage vieler zukünftiger Echtzeit-Anwendungen nicht nur auf der Basis von Ethernet, dem heutzutage für PCs üblichen Netzwerktechnik, sondern auch in Netzwerken der Telekommunikation und der Automatisierungs- oder Messtechnik. Position von Funk-Empfängern Ein Hinweis für lernunwillige Studenten: Mit einer genauen Laufzeitmessung lässt sich auch die Position von Funk-Empfängern bestimmen. Im Zuge des Projekts "e-WiFi" untersuchen die FISS-Forscher, wie beispielsweise herkömmlichen Notebooks je nach ihrer Position der Zugriff auf ein Netzwerk erlaubt werden kann oder nicht. Auf diese Weise lässt sich im Hörsaal während einer Prüfung der Zugang zum WLAN sperren. Weitere Anwendungsgebiete für Uhrensynchronisation in verteilten Systemen Sicherung der Datenübertragung zwischen zwei Teilnehmern in einem Netz. Wenn bekannt ist, wann eine Nachricht abgeschickt wurde bzw. beim Empfänger ankommen soll, kann sie nicht ohne weiteres durch einen Dritten auf dem Weg abgefangen und/oder verfälscht werden. Auch eine spätere unautorisierte Wiederholung durch einen Dritten ist nicht mehr möglich, wenn sie außerhalb des definierten Zeitfensters geschieht. Erkennen und Analysieren von Fehler in Energieverteilungsnetzen. Nur wenn der genaue Zeitpunkt des aufgetretenen Fehlers bekannt ist, kann der Ausgangspunkt der Störung genau isoliert werden und, wenn nötig, eine rechtzeitige Abschaltung des betroffenen Netzabschnittes erfolgen. Koordination von Aktionen in der Automatisierungstechnik. Beispielsweise muss die Geschwindigkeit elektrischer Antriebe in einer Papiermaschine oder Walzenstraße exakt aufeinander abgestimmt sein, um ein Reißen des Werkstoffes zu verhindern. Koordination von gleichzeitig durchzuführenden Messungen, um ein aktuelles Bild vom Zustand des Gesamtsystems zu erhalten. Ist die Zeitbasis nicht synchronisiert, so führt das zu einer Verfälschung des Ergebnisses. Übergabe (Handover) zwischen zwei Zellen in einem Ad-Hoc-Netzwerk. Eine Abweichung kann zu einem Abbruch der Verbindung führen. Kontakt: DI Dr. Thilo Sauter Forschungsstelle für Integrierte Sensorsysteme Österreichische Akademie der Wissenschaften Viktor Kaplan Strasse 2 2700 Wiener Neustadt T +43 2622 23420 thilo.sauter@oeaw.ac.at www.oeaw.ac.at/fiss März 2007
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