局域網(wǎng)高精確時(shí)間同步方法及其在實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

唐藝靈

摘要：PTP精確時(shí)間同步協(xié)議廣泛應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，本文針對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各種影響因素的特點(diǎn)，結(jié)合PTP協(xié)議時(shí)鐘同步機(jī)制，提出了一種適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高精準(zhǔn)時(shí)鐘同步方法，通過(guò)采用響應(yīng)同步機(jī)制以及對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)亞毫秒精度的時(shí)鐘同步。

關(guān)鍵詞：PTP協(xié)議；局域網(wǎng)；時(shí)鐘同步；精確時(shí)間；測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0065-02

1 引言

PTP是IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)中定義的一種精密時(shí)鐘同步協(xié)議，主要應(yīng)用于基于局域網(wǎng)的處理控制系統(tǒng)，在分布式系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用。PTP協(xié)議通過(guò)硬件和軟件的方法將網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘與主機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步[1]。應(yīng)用硬件方法時(shí)，精度為ns級(jí)；軟件方法的精度為ms級(jí)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用軟件方法其精度要達(dá)到亞毫秒時(shí)，可能會(huì)受到諸多因素影響而導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)間無(wú)法可靠性同步[2]。就這些因素而言，主要包括交換機(jī)不平衡、接口卡緩沖時(shí)延數(shù)據(jù)包，同時(shí)還包括系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)影響因素；然而，這些因素即無(wú)法有效的控制，又難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，以致于時(shí)鐘同步性較差。大型靶場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)因內(nèi)部設(shè)備終端數(shù)較多，很難用硬件方法實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)鐘同步，文章根據(jù)軟硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)以及PTP協(xié)議，利用純軟件方式對(duì)高精準(zhǔn)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。為此，我們可以建立一個(gè)高精準(zhǔn)時(shí)鐘，按照同步機(jī)制同步處理測(cè)量結(jié)果，其時(shí)間同步精度到達(dá)了內(nèi)亞毫秒，有效解決了各種不可預(yù)測(cè)因素對(duì)局域網(wǎng)時(shí)鐘同步的影響。

2 PTP協(xié)議時(shí)鐘同步原理分析

就PTP協(xié)議時(shí)鐘同步而言，其中包含了基準(zhǔn)時(shí)鐘以及同步時(shí)鐘；這里所講的時(shí)間同步，實(shí)際上就是分別在發(fā)、接收雙方對(duì)時(shí)間信息等進(jìn)行打時(shí)戳，接收時(shí)根據(jù)戳對(duì)基準(zhǔn)以及同步時(shí)鐘偏差進(jìn)而信息等進(jìn)行計(jì)算，然后采取網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)方式予以實(shí)現(xiàn)。PTP協(xié)議中定義了幾種信息類(lèi)型，其中包括同步、跟隨以及延時(shí)校正申請(qǐng)和延時(shí)校正響應(yīng)等類(lèi)型。對(duì)于同步時(shí)鐘與基準(zhǔn)之間的差異而言，主要是由信息包以及時(shí)鐘偏差的傳輸延遲形成的，時(shí)鐘同步又包含了兩個(gè)階段，即偏移校正階段、延時(shí)校正階段。從流程上來(lái)看，如圖1所示。

在A階段（偏移校正），基準(zhǔn)時(shí)鐘于TM1處發(fā)出同步信息至同步時(shí)鐘，而且同步信息中有時(shí)間戳，是關(guān)于數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)時(shí)間的描述。由于同步信息中包含了預(yù)發(fā)時(shí)間，因此同步信息發(fā)出的真實(shí)時(shí)間被測(cè)量以后，隨后通過(guò)跟隨信息發(fā)出。同步時(shí)鐘記錄了同步信息的真實(shí)接收時(shí)間，記為T(mén)S1；通過(guò)TM1、TS1能夠?qū)⑼綍r(shí)鐘之于基準(zhǔn)時(shí)鐘的偏差（offset）計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式為：offset=TM1-TS1。實(shí)踐中，可根據(jù)時(shí)間偏差對(duì)同步時(shí)鐘進(jìn)行校正，計(jì)算結(jié)果中因有傳輸延時(shí)而必須對(duì)其校正。在B階段，同步時(shí)鐘將延時(shí)校正申請(qǐng)信息發(fā)送至基準(zhǔn)時(shí)鐘，并且由同步時(shí)鐘將準(zhǔn)確時(shí)間（TS2）記錄下來(lái)，同時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘將接收到的準(zhǔn)確時(shí)間（TM2）記錄下來(lái)，經(jīng)延時(shí)校正響應(yīng)返回同步時(shí)鐘。此時(shí)，同步時(shí)鐘結(jié)合上述時(shí)間（兩個(gè)）將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式為delay=（TM2-TS2）/2，而且利用這一數(shù)值予以校正。

3 PTP協(xié)議下的高精準(zhǔn)時(shí)鐘同步策略

對(duì)于高精準(zhǔn)數(shù)字時(shí)鐘而言，其作為高精準(zhǔn)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步的前提和基礎(chǔ)，實(shí)際應(yīng)用之前需先建立高精準(zhǔn)時(shí)鐘。為了解決以上因素對(duì)時(shí)鐘同步精度造成的影響，在PTP協(xié)議條件下將響應(yīng)同步制度引入其中，采用直線擬合與過(guò)濾等方法，確保其精度達(dá)到亞毫秒級(jí)。

3.1 構(gòu)造高精準(zhǔn)數(shù)字時(shí)鐘

對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，中央處理器上配置了高精度時(shí)鐘，以2GHz的中央處理器為例，其定時(shí)精度達(dá)到了0.5ns。同時(shí)，Windows系統(tǒng)還提供了可獲得中央處理器震蕩頻率以及開(kāi)機(jī)后定時(shí)器計(jì)數(shù)值的接口，并且在API接口基礎(chǔ)上構(gòu)造出精準(zhǔn)度相對(duì)較高的邏輯時(shí)鐘。以t0代表中央處理器中的定時(shí)器計(jì)算數(shù)值，用△t代表邏輯時(shí)間之于中央處理器的計(jì)數(shù)偏差；邏輯時(shí)間（t）利用公式t=t0+△t來(lái)計(jì)算，修改邏輯時(shí)間時(shí)可通過(guò)△t的修改來(lái)完成[3]。

3.2 響應(yīng)同步機(jī)制

計(jì)算機(jī)關(guān)卡緩存效應(yīng)下，如果增大兩次傳輸時(shí)間間隔，則時(shí)鐘同步必然會(huì)受網(wǎng)絡(luò)影響，必然網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、操作進(jìn)程調(diào)度等因素的影響。響應(yīng)同步機(jī)制的應(yīng)用，能夠解決上述問(wèn)題，減小影響。具體而言，就是在接收信息以后，再返回確認(rèn)信息；此時(shí)發(fā)送方僅在接收確認(rèn)信息后方可在此發(fā)送信息。通過(guò)隔離前后信息的傳輸，可使接收方避免同時(shí)接受全部信息數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理算法

實(shí)踐中，為了能夠從測(cè)量數(shù)據(jù)中及時(shí)準(zhǔn)確的獲取有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，需對(duì)上述采取擬合法進(jìn)行處理。比如，Data[1：N]代表了N個(gè)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，而Data[1：M]代表過(guò)濾所得數(shù)據(jù)，其公式為Data[1：M]=fm，n（Data[1：N]），其中M=N-m-n；fm，n先排列數(shù)據(jù)，以此來(lái)確保差異相對(duì)較大的數(shù)值可排在數(shù)組兩側(cè)，并且將其中的小數(shù)值（m個(gè)）和其中的大數(shù)值（n個(gè)）去掉，即實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾處理目的。其中，m、n均為可變參數(shù)，具體根據(jù)數(shù)據(jù)量規(guī)模、穩(wěn)定性而定。對(duì)于Data[1：M]而言，可采用y=C直線公式對(duì)數(shù)據(jù)最小二乘直線擬合，具體擬合公式為C=1/MΣData[1：M]，以此從N數(shù)據(jù)中得到擬合值C（最佳值）。

4 精度要求

4.1 實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)概述

某靶場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)由信息匯集分發(fā)、中心計(jì)算機(jī)、安控臺(tái)、指揮顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和局域網(wǎng)等六個(gè)分系統(tǒng)組成。（1）信息匯集分發(fā)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)外信息的接收與發(fā)送。接收各種外部信息，轉(zhuǎn)換為內(nèi)部通信協(xié)議通過(guò)訂閱/發(fā)布機(jī)制向內(nèi)部各分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，將內(nèi)部各分系統(tǒng)產(chǎn)生的信息按照通信協(xié)議向外部發(fā)送，此外還負(fù)責(zé)通過(guò)系統(tǒng)配備的時(shí)統(tǒng)B碼終端向全系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)，保持系統(tǒng)時(shí)間同步。（2）中心計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)外部的各種測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。具備彈道處理、航跡融合處理及目標(biāo)安全故障判斷等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能，它有很高的時(shí)間同步要求。（3）安控臺(tái)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)目標(biāo)飛行試驗(yàn)的安全決策與控制。具備安控指令收發(fā)、記錄與顯示功能，同樣有很高的時(shí)間同步要求。（4）指揮顯示分系統(tǒng)負(fù)責(zé)各種測(cè)控信息的顯示。具備滿足試驗(yàn)、訓(xùn)練及演練等多種任務(wù)的態(tài)勢(shì)綜合處理與展現(xiàn)能力。（5）數(shù)據(jù)庫(kù)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)各種實(shí)時(shí)測(cè)控信息的實(shí)時(shí)存貯。具備數(shù)據(jù)查詢、檢索、快速處理、分析與評(píng)估等功能。（6）局域網(wǎng)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部信息的傳輸。采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)保證信息傳輸可靠性。

4.2 實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)同步精度要求

時(shí)測(cè)控系統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)間采用北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（BST），其具有嚴(yán)格的同步精度要求。（1）中心計(jì)算機(jī)和安控臺(tái)分系統(tǒng)服務(wù)器獲得的時(shí)間與時(shí)統(tǒng)時(shí)間同步精度優(yōu)于100μs；（2）其它分系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)的時(shí)間平均誤差≤15ms；（3）中心計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)時(shí)碼板產(chǎn)生的1Hz、20Hz中斷信號(hào)延遲≤200μs；（4）內(nèi)部局域網(wǎng)信息傳輸時(shí)延≤5ms。

5 基于PTP協(xié)議高精準(zhǔn)時(shí)鐘同步方法在實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)基于PTP協(xié)議的高精準(zhǔn)時(shí)鐘同步法，按照PTP協(xié)議時(shí)鐘同步機(jī)制以及實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和運(yùn)用性能比較可靠的時(shí)鐘同步方案。比如，中心計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理軟件，其流程如圖2所示。

（1）信息匯集分發(fā)分系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)B碼終端產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘在TM1[1]發(fā)送同步信息到接收端同步時(shí)鐘，然后將準(zhǔn)確時(shí)刻TM1記錄下來(lái)[1]，在FollowUp信息中將同步信息發(fā)送的TM1[1]發(fā)送至同步時(shí)鐘。對(duì)于同步時(shí)鐘而言，其接收同步信息以后，將準(zhǔn)確接收時(shí)刻TS1記錄下來(lái)[1]，然后再將確認(rèn)信息OK返回。（2）重復(fù)N次上述過(guò)程，同步時(shí)鐘即可獲得N個(gè)時(shí)鐘的信息發(fā)送與接收時(shí)刻，即TM1[1：N]、TS1[1：N]，然后將二者做差，得到Offset[1：N]（即N個(gè)偏移值）。（3）對(duì)N個(gè)偏移值過(guò)濾與直線擬合，或者最佳擬合值（offset），并以該值為基礎(chǔ)對(duì)同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)偏移校正之目的。（4）將DelayReq信息發(fā)送至基準(zhǔn)時(shí)鐘，然后將發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)刻TS2[1]記錄清楚，基準(zhǔn)時(shí)鐘在收到信息后記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)刻TM2[1]，由DelayResp向同步時(shí)鐘返回TS2[1]。（5）重復(fù)上一步驟M次以后，同步時(shí)鐘即可獲得2M個(gè)時(shí)鐘信息，即TM2[1：N]與TS2[1：N]，通過(guò)對(duì)二者做差可得M個(gè)基準(zhǔn)、Delay[1：M]（同步時(shí)鐘延時(shí)信息）。（6）過(guò)濾出來(lái)Delay[1：M]并進(jìn)行直線擬合，從而得到最佳擬合值，然后利用這一擬合值對(duì)延時(shí)校正同步時(shí)鐘。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)且計(jì)算機(jī)負(fù)載相對(duì)較小時(shí)，取M=N=10，m=n=2，精度就能達(dá)到亞毫秒級(jí)。上述步驟完成以后，即實(shí)現(xiàn)了一次基準(zhǔn)、同步時(shí)鐘同步。在此過(guò)程中，為了能夠有效避免因時(shí)鐘累積誤差而造成的系統(tǒng)同步精度問(wèn)題，周期性地重復(fù)以上過(guò)程，即保持了系統(tǒng)同步。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，基于PTP時(shí)鐘同步機(jī)制，設(shè)計(jì)適用于實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可以達(dá)到亞毫秒精度的時(shí)鐘同步方法，該方法在實(shí)時(shí)測(cè)控軟件中得到了有效應(yīng)用。

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