IEEE1588協(xié)議研究與實現(xiàn)

尤志堅　代曉倩

摘要：IEEE1588協(xié)議則是專門為測控領(lǐng)域而制定的一個時間同步協(xié)議，該協(xié)議可以用于包括以太網(wǎng)在內(nèi)的任何支持組播功能的網(wǎng)絡(luò)。該論文介紹了IEEE1588協(xié)議結(jié)構(gòu)，分析了協(xié)議的同步原理。然后詳細(xì)說明了協(xié)議的實現(xiàn)過程，包括軟硬件平臺以及實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：IEEE1588；PTP時鐘；STR912；μC/OS-II； LwIP

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）07-0085-03

Abstract： IEEE1588 defines a protocol enabling synchronization of clock in measurement and control systems. This protocol will applicable to systems communicating by local area network supporting multicast messaging including， but not limited to， Ethernet. This thesis introduces IEEE1588 protocol and analyses its synchronization method. Then it specifies the implementation of this protocol， including hardware platform and software platform.

Key words： IEEE1588； PTP clock； STR912； μC/OS-II； LwIP

1 協(xié)議簡介

IEEE1588網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)精確時間同步協(xié)議，簡稱PTP[1]，主要用于同步分布式網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點的時鐘，尤其適用于同步精度要求很高的控制以及測量領(lǐng)域。PTP最初由Agilent實驗室的John Eidson以及來自其他公司和組織的12名成員開發(fā)，后來的到IEEE的贊助，并于2002年11月得到IEEE的批準(zhǔn)[2] [3]。它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中多個站點的時間進(jìn)行同步，通過軟硬件的配合，可以實現(xiàn)各站點之間的高精度的時間同步。IEEE1588是針對相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)而設(shè)計的[4]。它要求子網(wǎng)較好、內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，所以非常適合于工業(yè)自動化和測量環(huán)境。

2 協(xié)議操作綜述

整個同步系統(tǒng)穩(wěn)定時，在一條PTP通信通道上，存在一個時間值被認(rèn)為最準(zhǔn)確的時鐘節(jié)點，稱為主時鐘，與主時鐘進(jìn)行同步的時鐘節(jié)點稱為從時鐘。各時鐘節(jié)點通過最佳主時鐘算法確定為主時鐘還是從時鐘。一般選擇精度較高的時鐘作為主時鐘。

主從時鐘的同步依靠四種消息：Sync消息、Follow_Up消息、Delay_req消息、Delay_Resp消息。主時鐘定期發(fā)送Sync消息到網(wǎng)絡(luò)中，所有的Sync消息都包含了一個時間戳，標(biāo)記了同步消息發(fā)送到PTP通信通道上大的時間估計值，該時間戳以主時鐘的本地時間為基準(zhǔn)。為了使其它節(jié)點獲得Sync消息發(fā)送的更準(zhǔn)確時間，主時鐘可以在發(fā)送Sync消息之后發(fā)送一個Follow_Up消息，該消息包含了前一個Sync消息發(fā)送到通道上的準(zhǔn)確時間。從時鐘可以使用Sync消息或者Follow_Up消息中的時間戳來更新本地時間。因為Sync消息從主時鐘發(fā)送到從時鐘在網(wǎng)絡(luò)上會有一段傳播延遲。通過估算這個傳播延遲，可以使從時鐘與主時鐘的同步更為精確。為了計算傳播延遲，從時鐘會發(fā)送一個Delay_Req消息給主時鐘，主時鐘接收到這個消息后，將返回一個Delay_Resp消息給從時鐘，Delay_Resp消息中的時間戳為主時鐘接收到Delay_Req的時間。

3 協(xié)議實現(xiàn)

本論文使用IEEE1588協(xié)議，即PTP協(xié)議實現(xiàn)的同步模型如圖2所示。

圖中，所有參與同步的時鐘都是在一個局域網(wǎng)，底層網(wǎng)絡(luò)采用了以太網(wǎng)。

系統(tǒng)的硬件平臺為STR912，軟件平臺為μC/OS-II + LwIP。STR912由STMicroelectronics公司生產(chǎn)，是一款基于ARM966E-S核的MCU[5]。μC/OS-II是一個基于優(yōu)先級調(diào)度和任務(wù)搶占式的實時內(nèi)核。LwIP是TCP/IP協(xié)議棧在嵌入式平臺上的一個實現(xiàn)。

本論文實現(xiàn)的PTP時鐘通過修改網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動可以在MAC層獲得消息發(fā)送和接收的時間，因而μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度和消息經(jīng)過LwIP協(xié)議棧所產(chǎn)生的延遲不會對同步的計算產(chǎn)生影響。經(jīng)測試，系統(tǒng)中的時鐘同步精度可達(dá)17微秒。

4 展望

本論文在嵌入式平臺上使用IEEE1588協(xié)議實現(xiàn)了時鐘同步，其時鐘同步精度仍有提升空間，主要體現(xiàn)在：本論文時鐘節(jié)點的本地時間是從STR912的定時器獲得，通過定時器獲取的時間只達(dá)能到微秒的精度，如果時鐘節(jié)點采用更精確的時間源，那么同步精度也可以隨之更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE std. 1588-2002，Precision Clock Synchronization protocol for networked measurement and control systems， Sept. 2004.

[2]Introduction to IEEE 1588， http：//ieee1588.nist.gov/

[3] John C.Eidson，Recent Advances in IEEE 1588 Technology and Its Applications[J].Agilent Technologies， July 2005.

[4] John C.Eidson，Measurement Control and Communication Using IEEE1588，2006.

[5] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.