ホワイトラビットプロジェクト

ホワイトラビット（WR）は、 CERN、GSIヘルムホルツ重イオン研究所、および大学や産業界の他のパートナーを含む共同プロジェクトの名前で、汎用データ転送とサブナノ秒精度の時間転送のための完全決定論的なイーサネットベースのネットワークを開発することを目的としています。当初は、CERNの加速器サイトの制御およびデータ取得タイミング、およびGSIの反陽子およびイオン研究施設（FAIR）プロジェクトのタイミング分配ネットワークとして使用されました。ハードウェア設計とソースコードは公開されています。^{[ 1 ]}プロジェクトの名前は、ルイス・キャロルの小説『不思議の国のアリス』に登場する白ウサギに由来しています。^{[ 2 ]}

White Rabbitは、従来は専用のハードワイヤードタイミングシステムが必要だったサブナノ秒の同期精度を、リアルタイムイーサネットネットワークの柔軟性とモジュール性で実現します。White Rabbitネットワークは、分散電子システムへのタイミングと同期の提供のみに使用することも、タイミングとリアルタイムデータ転送の両方を提供するために使用することもできます。^{[ 3 ] [ 4 ]}

ホワイトラビットプロジェクトは、最大10km （6マイル）の長さの光ファイバーまたは銅線接続を介して、1000以上のノードをサブナノ秒精度で同期させることに重点を置いています。サービス品質（QoS）を使用することで、最優先メッセージの配信を実現します。  

このプロジェクトのもう一つの特徴は、ハードウェアとソフトウェアの両方のソースコードが公開されており、完全にオープンソースで動作することです。^{[ 5 ]}

サブナノ秒の同期を実現するために、White Rabbit は同期を実現するために同期イーサネット(SyncE) ^{[ 6 ]}を使用し、IEEE 1588 (1588)精密時刻プロトコル(PTP) を使用して時刻を通信し、位相周波数検出器に基づいてマスター基準クロックとローカルクロック間の正確な位相差を測定するモジュールを使用します。^{[ 4 ] [ 7 ]}

White Rabbitは、高精度時刻同期プロトコル（PTP）を使用して、サブナノ秒の精度を実現しています。PTP同期メッセージの双方向交換により、クロックの位相とオフセットを正確に調整できます。リンク遅延は、高精度なハードウェアタイムスタンプと遅延非対称性の計算によって正確に把握されます。

CERNでは、ホワイトラビットがインジェクターチェーンの新しい制御システムに使用されました。

GSIでは、ホワイトラビットがFAIR複合施設の計時システムとなる予定です。

KM3NeTニュートリノ望遠鏡は、検出器ユニットの同期にホワイトラビットを使用しています。^{[ 8 ]}

EISCAT 3Dレーダーは、ビームフォーミングネットワークの同期にホワイトラビットを利用する。^{[ 9 ]}

LHAASO（大型高高度大気シャワー観測所）実験で使用される約6000個の検出器ノードは、ホワイトラビットネットワークによって同期されている。

少なくとも2つの宇宙マイクロ波背景放射研究プログラム（サイモンズ天文台とCMB-S4）が、データ取得および制御システムのタイミング計測にホワイトラビットの利用を検討している。

いくつかの企業^{[ 10 ]}は、独自のホワイトラビットのハードウェアとソフトウェアを開発することで、ホワイトラビットを商用アプリケーション向けに商業化し始めています。

ホワイトラビットプロジェクトにおける最初のホワイトラビット要素は、スペイン政府とCERNの資金提供を受け、セブンソリューションズ社によって製造された「ホワイトラビットスイッチ」であった。

2015年から2016年にかけて、ホワイトラビットはHorizo​​n 2020プロジェクトDEMETRAサービス#3によって正常に展開され、地上光ファイバーサービスを使用してガリレオ精密UTCの配信テストが行​​われた。^{[ 11 ]}

NORDUnetとその加盟組織は、White Rabbitを使用して、加盟組織の光ファイバーネットワークを介してノルウェー、スウェーデン、フィンランド、デンマークのタイミングインフラストラクチャを接続しており、ノルウェー計量サービスは2026年に接続されました。^{[ 12 ]}将来の計画には、ハンブルクを介してヨーロッパ大陸への接続が含まれています。

ホワイトラビットタイミングネットワークは、3つの重要な部分から構成されています。^{[ 13 ]}

• 高精度時刻同期プロトコル（PTP） - IEEE1588、すなわち高精度時刻同期プロトコルは、特に産業ネットワークや研究室など、高精度な同期が求められる環境での使用を想定し、1マイクロ秒以下の同期精度を実現するように設計された時刻同期プロトコルです。PTPネットワークでは、理想的にはサブナノ秒の精度が実現可能ですが、実際にはマスタースレーブ間およびスレーブマスター間のリンクが非対称になる場合があり、PTPタイムスタンプの分解能には限界があります。そのため、PTPネットワークで得られる同期精度には制限があります。
• SyncE を使用したレイヤ I 同期 - SyncE 規格と同様に、すべてのノードを同じ周波数で動作させるメカニズムは物理レイヤレベルで動作します。そのため、データ転送に影響はありません。レイヤ I 同期の主な考え方は、ネットワーク内のクロックが周波数で自由に動作するのではなく、基準となる標準にロックされ、追跡可能である必要があるということです。したがって、レイヤ I 同期を使用するネットワークには階層構造があります。マスターノードがデータストリームで周波数情報を送信し、システム内の他のすべてのノードはデータストリームからこの情報を抽出し、位相同期ループによって正確にこの周波数で動作します。これにより、オフセットの原因となるクロックのジッタと周波数ドリフトが除去されます。
• 位相測定 - 前述のとおり、ローカルノードの周波数は、マスターノードから送信されるデータストリームから抽出されたクロック信号を使用して制御されます。その後、ローカルノードは自身のローカルクロック信号をマスターノードに送り返します。ローカルクロックとマスタークロックの周波数は同期しているため、このクロック信号はマスタークロック信号の遅延バージョンとなります。これら2つの信号間の位相オフセットを計算することで、特定のリンク遅延を非常に正確に測定できます。

リンク遅延を検出した後、これを従来のPTPアルゴリズムに利用することで、非常に高い精度を実現できる。

White Rabbitネットワークの構成要素は、マルチポートのWhite Rabbitスイッチと、シングルポートまたはデュアルポートのWhite Rabbitノードです。これらの構成要素はどちらもネットワークに動的に追加できます。ケーブル長やその他の遅延要因は、高精度時刻同期（PTP）アルゴリズムによって自動的に補正されます。従来のギガビットイーサネットデバイスも接続できますが、ネットワークのタイミングと同期に関与するのはWhite Rabbitデバイスのみです。

ネットワークアーキテクチャ

ホワイトラビットネットワークは階層ツリートポロジーとして構成されています。各デバイスは、1 つのアップリンクポートと 1 つ以上のダウンリンクポートを持つことができます。グランドマスターと呼ばれるルートノードは、GPS受信機などの外部ソースから時刻基準を受け取ります。グランドマスターのダウンリンクポートは、WR 通常クロックと呼ばれるエンドデバイスに直接接続することも、WR 境界クロックと呼ばれる中間スイッチに接続することもできます。WR 境界クロックのダウンリンクポートは、さらに別の WR 通常クロックまたは別の WR 境界クロックのアップリンクポートに接続できます。この階層的な構成により、境界クロックが中間同期ノードとして機能し、通常クロックがスレーブデバイスとして機能し、マスタースレーブアーキテクチャを使用して同期情報をネットワーク全体に分散させることができます。^{[ 14 ] [ 3 ]}

• 公式サイト
• ホワイトラビットチュートリアル
• ION/PTTI 2011 ELPROMAとCERNによる最初の論文