Tot op de microseconde nauwkeurig

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.

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.”