A Survey on IEEE 1588 Implementation for RISC-V Low-Power Embedded Devices

IEEE 1588, also known as the Precision Time Protocol (PTP), is a standard protocol for clock synchronization in distributed systems. While it is not architecture-specific, implementing IEEE 1588 on Reduced Instruction Set Computer-V (RISC-V) low-power embedded devices demands considering the system requirements and available resources. This paper explores various approaches and techniques to achieve accurate time synchronization in such instruments. The analysis covers software and hardware implementations, discussing each method’s challenges, benefits, and trade-offs. By examining the state-of-the-art in this field, this paper provides valuable insights and guidance for researchers and engineers working on time-critical applications in RISC-V-based embedded systems, aiding in selecting the most-suitable stack for their designs.This work was partially supported by the ECSEL Joint Undertaking in the H2020 project IMOCO4.E, grant agreement No.10100731, and by the Basque Government within the fund for research groups of the Basque University System IT1440-22 and KK-2023/00015

A Software-based Low-Jitter Servo Clock for Inexpensive Phasor Measurement Units

This paper presents the design and the implementation of a servo-clock (SC) for low-cost Phasor Measurement Units (PMUs). The SC relies on a classic Proportional Integral (PI) controller, which has been properly tuned to minimize the synchronization error due to the local oscillator triggering the on-board timer. The SC has been implemented into a PMU prototype developed within the OpenPMU project using a BeagleBone Black (BBB) board. The distinctive feature of the proposed solution is its ability to track an input Pulse-Per-Second (PPS) reference with good long-term stability and with no need for specific on-board synchronization circuitry. Indeed, the SC implementation relies only on one co-processor for real-time application and requires just an input PPS signal that could be distributed from a single substation clock

Fast-Convergence Microsecond-Accurate Clock Discipline Algorithm for Hardware Implementation

Discrete microprocessor-based equipment is a typical synchronization system on the market which implements the most critical features of the synchronization protocols in hardware and the synchronization algorithms in software. In this paper, a new clock discipline algorithm for hardware implementation is presented, allowing for full hardware implementation of synchronization systems. Measurements on field-programmable gate array prototypes show a fast convergence time (below 10 s) and a high accuracy (1 μs) for typical configuration parameters.Ministerio de Educación y Cultura HIPER TEC2007-61802/MI

A Survey of Clock Synchronization Over Packet-Switched Networks

Clock synchronization is a prerequisite for the realization of emerging applications in various domains such as industrial automation and the intelligent power grid. This paper surveys the standardized protocols and technologies for providing synchronization of devices connected by packet-switched networks. A review of synchronization impairments and the state-of-the-art mechanisms to improve the synchronization accuracy is then presented. Providing microsecond to sub-microsecond synchronization accuracy under the presence of asymmetric delays in a cost-effective manner is a challenging problem, and still an open issue in many application scenarios. Further, security is of significant importance for systems where timing is critical. The security threats and solutions to protect exchanged synchronization messages are also discussed

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo

An Enhanced IEEE1588 Clock Synchronization for Link Delays Based on a System-on-Chip Platform

The clock synchronization is considered as a key technology in the time-sensitive networking (TSN) of 5G fronthaul. This paper proposes a clock synchronization enhancement method to optimize the link delays, in order to improve synchronization accuracy. First, all the synchronization dates are filtered twice to get the good calculation results in the processor, and then FPGA adjust the timer on the slave side to complete clock synchronization. This method is implemented by Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC (multiprocessor system-on-chip), using FPGA+ARM software and hardware co-design platform. The master and slave output Pulse Per-Second (PPS) signals. The synchronization accuracy was evaluated by measuring the time offset between PPS signals. Contraposing the TSN, this paper compares the performance of the proposed scheme with some previous methods to show the efficacy of the proposed work. The results show that the slave clock of proposed method is synchronized with the master clock, leading to better robustness and significant improvement in accuracy, with time offset within the range of 40 nanoseconds. This method can be applied to the time synchronization of the 5G open fronthaul network and meets some special service needs in 5G communication

TS-MUWSN: Time synchronization for mobile underwater sensor networks

Time synchronization is an important, yet challenging, problem in underwater sensor networks (UWSNs). This challenge can be attributed to: 1) messaging timestamping; 2) node mobility; and 3) Doppler scale effect. To mitigate these problems, we present an acoustic-based time-synchronization algorithm for UWSN, where we compare several message time-stamping algorithms in addition to different Doppler scale estimators. A synchronization system is based on a bidirectional message exchange between a reference node and a slave one, which has to be synchronized. Therefore, we take as reference the DA-Sync-like protocol (Liu et al., 2014), which takes into account node's movement by using first-order kinematic equations, which refine Doppler scale factor estimation accuracy, and result in better synchronization performance. In our study, we propose to modify both time-stamping and Doppler scale estimation procedures. Besides simulation, we also perform real tests in controlled underwater communication in a water test tank and a shallow-water test in the Mediterranean Sea.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Secure GPS clock synchronization in smart grids

Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015As smart grids resultaram da integração da rede elétrica atual no mundo digital. Isso traz várias vantagens às redes elétricas, como uma instalação, configuração e manutenção mais simples e eficiente, mas também a fácil integração na rede de novas tecnologias. Enquanto as redes elétricas continuam a crescer em dimensão e complexidade, elas tornam-se mais importantes para a sociedade e subsequentemente mais sujeitas a ataques distintos. Alguns dos objetivos mais importantes da smart grid são: acomodar uma grande variedade de tecnologias de produção de eletricidade como a eólica, solar e geotérmica; ser resiliente a ataques físicos e ciber-ataques; ter mecanismos de deteção, análise e resposta automática a incidentes; dar mais poder ao consumidor final sobre como e quando a energia pode ser comprada ou consumida. Para implementar actividades relacionadas com a monitorização do estado da smart grid, vários componentes especializados são geograficamente distribuídos pela rede. Um dos dispositivos críticos é o Phase Measurement Unit (Unidade de Medição de Fase) (PMU). Este dispositivo é usado para estimar o estado da smart grid num determinado momento, recolhendo várias métricas sobre a qualidade do sinal elétrico. Para se conseguir criar uma imagem geral da rede inteira, todos estes dispositivos necessitam de ser sincronizados no tempo, assegurando assim que as medições são efetuadas aproximadamente no mesmo instante. A sincronização do tempo desempenha um papel crucial na estabilidade e no funcionamento correto de todos os componentes da smart grid. Dada a importância da sincronização de tempo, e a falta de qualquer tipo de proteção nas soluções atuais, este sistema torna-se num alvo potencial para atacantes. Em conformidade com os standards, a precisão dos relógios dos PMU’s devem ter um erro máximo na ordem dos 30 µs. Isso garante que a informação recolhida sobre o estado da smart grid é válida. Hoje em dia este requisito é satisfeito usando equipamentos GPS em cada sítio onde se encontra um PMU. Quando o GPS foi concebido, não se pensou que podia vir a ter o sucesso e o impacto atual e, portanto, assegurar a sua segurança não foi um ponto importante. Ao longo do tempo passou a ser usado em infraestruturas críticas, o que introduz eventuais problemas graves de segurança. As smart grids são uma destas estruturas críticas onde o GPS está a ser usado sem qualquer tipo de proteção. Atualmente existe também uma versão segura do GPS que é empregue pelas forças militares. Os dispositivos que conseguem decifrar este sinal só estão disponíveis ao exército. Por além disso, todos os detalhes sobre o funcionamento do algoritmo de cifra são mantidos em segredo. Ao longo dos anos foram desenvolvidos vários tipos de ataques ao GPS. O mais básico é o Blocking que consiste simplesmente em impedir a comunicação entre a antena do recetor e o sinal GPS. Isso pode ser conseguido de uma maneira tão simples como tapar a antena com um bocado de metal. Um ataque que tenta também quebrar a ligação com o satélite é o Jamming. A ideia deste ataque é introduzir ruído suficiente para que o recetor não consiga distinguir o sinal original. Estes dois tipos de ataques só conseguem perturbar o funcionamento do recetor GPS. Um tipo de ataque mais potente é o Spoofing. Este ataque consegue modificar o sinal original vindo do satélite de forma a enganar o recetor. Assim é possível fazer com que o recetor GPS mostre uma posição¸ ou tempo incorretos. Nesta dissertação também foi analisada uma evolução deste ataque que tem como alvo a alteração ilegítima dos dados contidos no sinal. Isso pode fazer como que o recetor falhe ou deixe de poder ser usado. Os algoritmos de sincronização de relógios existentes hoje em dia, nomeadamente o Network Time Protocol (NTP) e o Precision Time Protocol (PTP), não são suficientemente robustos, em termos de segurança ou precisão, para serem utilizados na smart grid. O NTP foi concebido para a sincronização de relógios em redes de grande escala mas não consegue fornecer a precisão necessária para os requisitos da smart grid. Por outro lado temos o PTP que consegue atingir uma precisão na ordem dos nanosegundos em certas condições, mas é muito sensível a atrasos e oscilações na rede. Isso faz com que o PTP só consiga garantir uma precisão de tempo na ordem dos nanosegundos em redes de pequena escala. A smart grid usa uma rede de alta velocidade com relativamente pouco tráfego, o que torna o PTP uma possível solução para algumas partes dessa rede. Em termos de segurançaa, o PTP não está preparado para ser utilizado num ambiente tão crítico como a smart grid, sendo suscetível a ataques. O foco desta investigação é encontrar um algoritmo resiliente a faltas, capaz de satisfazer os requisitos de sincronização de tempo necessários para o correto funcionamento da smart grid. Foi desenvolvida uma solução baseada no PTP, que consegue cumprir os requisitos de precisão temporal na smart grid e também consegue mitigar todos os tipos de ataques ao GPS que foram identificados. Para além disso, a solução também permite reduzir o número de recetores de GPS necessários para o funcionamento correto da smart grid.Smart grids resulted from the integration of computer technologies into the current power grid. This brings several advantages, allowing for a faster and more efficient deployment, configuration and maintenance, as well as easy integration of new energy sources (e.g., wind and solar). As smart grids continue to grow in size and complexity, they become subject to failures and attacks from different sources. Time synchronization plays a crucial role in the stability and correct functioning of many grid components. Considering how sensitive time synchronization is, the tight restrictions imposed for correct operation and the lack of any kind of protection, makes this service a potential prime target for attackers. Today most of the time synchronization requirements are met using relatively expensive GPS hardware placed in some locations of the smart grid. When GPS was first devised, nobody could have predicted the success and the impact that it would have and therefore, security was never an important concern. Through the years, it slowly gained entrance into more critical systems, where it was never intended to be used, which can lead to serious security problems. The smart grid is just one of these critical systems where GPS is being employed without any kind of protection. The focus of this research is trying to solve this problem, by proposing a more secure and robust clock synchronization algorithm. A solution based on the Precision Time Protocol (PTP) was developed that manages to fulfill the time synchronization requirements of the smart grid and is also capable of mitigating all types of identified GPS attacks. As an added benefit, the solution may also reduce the number of GPS receivers necessary for the correct operation of the smart grid, contributing to decrease costs