Naar de content

Tot op de microseconde nauwkeurig

Net op tijd: waarom nog preciezere tijdservers nodig zijn

Tekening van tijdservers
Tekening van tijdservers
Frederique Matti voor NEMO Kennislink

Internetklokken zijn tot op de milliseconde nauwkeurig, maar dat is niet voor alle toepassingen precies genoeg. Zo moet een elektriciteitsnet met alleen duurzame energiebronnen sneller kunnen schakelen om stabiel te blijven.

30 november 2023

Computers moeten af en toe hun horloges gelijkzetten. Anders kan er van alles misgaan, van mislukte back-ups tot niet op elkaar afgestelde verkeerslichten, pinstoringen of stroomuitval. Om processen op verschillende computersystemen goed te synchroniseren kloppen smartphones, laptops, pinautomaten en grote industriële servercomputers via het internet aan bij tijdservers: computers die vertellen hoe laat het is aan wie daarom vraagt. Dat doen ze via een internetprotocol, zoals het Network Time Protocol (NTP). Omdat dit protocol zelfs met de reistijd van het tijdssignaal rekening houdt, is het tot op de milliseconde nauwkeurig.

Toch is een duizendste seconde niet voor alle toepassingen voldoende, zegt Marco Davids, research engineer bij SIDN Labs. “Voor een agenda-applicatie is een paar minuten nauwkeurigheid prima. Dan kun je nog steeds op tijd op je afspraak verschijnen. Maar er zijn ook toepassingen die een precisie tot op micro- of nanoseconden vereisen, of zelfs daaronder. Om een tijdssignaal met die nauwkeurigheid over het internet te verzenden is het Precision Time Protocol (PTP) ontwikkeld.”

Flitshandel

Wat zijn dat voor toepassingen, die zo’n hoge mate van nauwkeurigheid vereisen? Davids: “Daarbij kun je denken aan de volgende generaties mobiele netwerken, extreem precieze navigatiesystemen en software voor flitshandel.” Bij flitshandel proberen beurshandelaren van minieme fluctuaties in aandelenwaardes te profiteren. Om met de snelheid van het licht in te spelen op deze waardeverschillen gebruiken ze software die volgens vooraf ingestelde regels aandelen inkoopt en weer verkoopt. Die software is afhankelijk van snelle netwerken waarover tijdssignalen reizen via het PTP-protocol.

Automatisch rijdende voertuigen

Onderzoekers van de TU Delft, de Vrije Universiteit Amsterdam en het nationale metrologisch instituut van Nederland VSL hebben in 2022 samen een eerste versie van een netwerk gebouwd waarover tijdsignalen reizen met submillisecondenauwkeurigheid. Hun doel: het ontwikkelen van een alternatief plaatsbepalingssysteem (SuperGPS) dat tot op de decimeter nauwkeurig is. Die technologie is onder meer nodig voor automatisch rijdende voertuigen.

In het prototype levert een atoomklok precisietijd met een nauwkeurigheid van tien picoseconden (tien biljoenste seconden). Het tijdsignaal reist daarbij over een snel netwerk dat deels bestaat uit glasvezelnetwerk en deels uit een mobiel netwerk op basis van ultrabreedband, een technologie voor draadloze communicatie op korte afstand.

Impression of experiments carried out with a road-vehicle, using the prototype system deployed at The Green Village on TU Delft campus.

TU Delft

Zonne- en windenergie

Ook het smart grid van de toekomst zal afhankelijk zijn van zeer precieze tijdsmetingen, om onze elektriciteitsvoorziening ook na de energietransitie stabiel te houden. “Een stabiel netwerk heeft stabiele factoren nodig”, zegt Peter Palensky, hoogleraar Intelligente Elektriciteitssystemen aan de TU Delft. “Grote energiecentrales zijn dat van nature. Energieturbines reageren traag, puur vanwege hun omvang. Als hun aandrijving wegvalt, blijven ze toch nog een paar seconden doordraaien. Al die tijd leveren ze nog steeds nog stroom. Dat geeft het elektriciteitsnet als geheel voldoende tijd om een onderbreking op te vangen.” Bij duurzame energiebronnen als zonne- en windenergie ligt dat anders. “Als die uitvallen, stopt hun energieleverantie vrijwel onmiddellijk.”

Als zon of wind wegvalt, stopt de energieproductie van zonnepanelen of windturbines vrijwel onmiddellijk.

Freepik

Het smart grid van de toekomst moet al die schokjes van al die kleinere, relatief ‘nerveuze’ energiebronnen kunnen opvangen, zodat overal in het netwerk altijd voldoende stroom beschikbaar is. Alleen als je heel snel bent, kun je stroom steeds tijdig opnieuw over het netwerk herverdelen, zodat de stroomleverantie overal op peil blijft. Daarvoor zijn overal in het netwerk apparaten nodig, die het elektriciteitssignaal tot in detail doormeten. Deze phasor measurements units moeten bovendien hun klokken nauwkeurig gelijkzetten. Dat betekent dat een grondige herbouw van het huidige net nodig is, zodat op elk punt – van de duurzame bron tot de duurzame consument – precisietijd beschikbaar is. Palensky: “Dat kan echter nog wel even duren.”

Dat bevestigt Cristian Hesselman, hoogleraar Trusted Open Networking aan de Universiteit Twente en directeur van SIDN Labs: “Het op internetbrede schaal verstrekken van precisietijd is op dit moment nog problematisch. Dat komt doordat de onderliggende infrastructuur nog in de kinderschoenen staat.”

Submillisecondetijd nog schaars

Om ervoor te zorgen dat internetproviders overal ter wereld submillisecondetijd op een betrouwbare manier kunnen aanbieden, moeten er om te beginnen voldoende tijdservers nodig zijn die een tijdsignaal produceren met een precisie tot op micro- of nanoseconden nauwkeurig. Die zijn nu nog maar mondjesmaat beschikbaar. In Nederland staan zulke tijdservers bijvoorbeeld al wel bij SIDN. En ook het Nederlandse standaardeninstituut VSL, dat onder meer de officiële Nederlandse tijd levert, heeft een PTP-server.

Om ervoor te zorgen dat dit soort referentieklokproviders niet overbelast raken, zou het fijn zijn als andere partijen helpen bij het doorgeven van de juiste tijd. Hesselman: “Datacenters of internetknooppunten zouden PTP-tijdssignalen bijvoorbeeld als dienst kunnen aanbieden.” Hun klanten, waaronder internetserviceproviders, kunnen de juiste precisietijd vervolgens weer doorgeven aan de uiteindelijke tijdconsumenten. Zo ontstaat een gelaagd systeem waarbij de tijd uiteindelijk op alle plekken terecht kan komen. Hesselman: “Om het voor internetserviceproviders mogelijk te maken om referentieklokproviders te ontdekken, is bovendien een database nodig waarin deze precieze tijdaanbieders zijn terug te vinden. Daarnaast moeten PTP-netwerken nog strenger gemonitord worden dan NTP-netwerken, om tijdsafwijkingen te voorkomen.”

Koploper Zweden

Zweden is koploper op dit gebied: daar bestaat al een PTP-netwerk dat in dat land tot op de microseconde nauwkeurige tijd verstrekt, uitgerold door internetknooppunt Netnod, in opdracht van de Zweedse regering. In Nederland bestaan tot nu toe alleen lokale PTP-netwerken. Davids: “Zo biedt datacenteroperator Equinix zijn zakelijke klanten een microsecondetijdnetwerk. En ook het Nederlandse onderzoeks- en onderwijsnetwerk SURF is stapje voor stapje een pilotnetwerk aan het aanleggen. Daarnaast wordt er in opdracht van de Europese Commissie een pan-Europees precisietijdnetwerk over glasvezel uitgerold: CLONETS-DS.”

SIDN Labs bereidt momenteel een PTP-proefproject voor, in samenwerking met de Nederlandse internetknooppunten AMS-IX en NL-ix. Davids: “Als internetknooppunten en datacenters time-as-a-service gaan leveren, kan dat voor allerlei organisaties handig zijn. Neem bijvoorbeeld banken: als zij flitshandel willen bedrijven bij de verkoop van aandelen, dan hebben ze daarvoor tijdservices nodig met een precisie van minder dan een nanoseconde. Een bank zou zelf een atoomklok kunnen kopen, maar is mogelijk ook geïnteresseerd in de precisietijdsdiensten van een betrouwbare leverancier die goede kwaliteitsgaranties kan geven.”

Speuren naar neutrino’s

Voor onderzoeksdoeleinden bestaan er nu al netwerken die werken met een precisie tot op de microseconde. Zo is het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef betrokken bij een internationaal onderzoeksproject (KM3NeT) om hoogenergetische neutrino’s te detecteren. Meestal reizen neutrino’s dwars door materie heen, maar als ze toch reageren, ontstaan elektrisch geladen muonen, die een zwakke blauwe flits afgeven.

Om de kans te vergroten dat deze Čerenkovstraling wordt opgemerkt, plaatsen wetenschappers hun detectoren graag in grote hoeveelheden doorzichtig materiaal, zoals water of ijs. Voor het KM3NeT-project wordt een neutrinotelescoop op de zeebodem gebouwd met een omvang van ruim een kubieke kilometer. Om de kosmische herkomst van neutrino’s te bepalen, wordt gebruikgemaakt van een netwerk van honderden digitale optische sensoren. Minieme verschillen in de aankomst van Čerenkovstraling bij verschillende sensoren, zijn daarvoor de sleutel.

Caption: artist impression of the KM3NeT detection lines with the Digital Optical Modules in the Mediterranean Sea. Figure: Edward Berbee, Nikhef

Edward Berbee, Nikhef