IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)探討

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 董廣玉

隨著網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)水平的不斷提升，分布式控制系統(tǒng)也提出對時鐘同步精度的更高標(biāo)準(zhǔn)，本文以IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議為例，對該高精度時鐘的同步機(jī)制與校正原理闡述說明，并對IEEE1588協(xié)議的BMC（最佳主時鐘）、LCS（本地時鐘同步）兩大核心算法進(jìn)行分析，并以技術(shù)開發(fā)角度提出了IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議，應(yīng)用于數(shù)字化通信機(jī)房的應(yīng)用方案，通過系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)了數(shù)字化通信機(jī)房內(nèi)IEEE1588的高精度時間同步實(shí)現(xiàn)可行性。

IEEE1588作為一種精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)測量及控制系統(tǒng)中，作為新一代測控縱向LXI標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵組成，為了可以更好的滿足工業(yè)控制、儀器測量相關(guān)領(lǐng)域中微秒級標(biāo)準(zhǔn)的時間同步需求，IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)自提出得以廣泛應(yīng)用。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)代稱網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)原理就是經(jīng)同步信號周期性，能夠校正網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)時鐘達(dá)到同步，并基于以太網(wǎng)分布式系統(tǒng)，精準(zhǔn)同步亞納秒時鐘。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)較現(xiàn)階段的GPS、NTP/SNTP達(dá)到配置簡單優(yōu)化、高精度且快速收斂，以及較小資源消耗與網(wǎng)絡(luò)帶寬特點(diǎn)。對于時鐘同步精度方面也要求更加嚴(yán)格，譬如運(yùn)用于電力自動化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等領(lǐng)域，引發(fā)人們的廣泛關(guān)注。

1 IEEE1588時鐘同步協(xié)議機(jī)制

1.1 PTP時鐘狀態(tài)機(jī)

PTP時鐘同步系統(tǒng)作為包括主時鐘、從時鐘這樣兩部分之間構(gòu)成主從關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，以單個或多個PTP子域共同組成，并且每一個子域內(nèi)都含有按個或多個彼此通信時鐘。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一個PTP時鐘，都極有可能存在兩種不同狀態(tài)，具體狀態(tài)主要取決于BMC算法，在主時鐘狀態(tài)下設(shè)備為精確時鐘，能夠與從時鐘的時間同步，但是一個主時鐘只能存在1個通信子域內(nèi)。

對于PTP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一個時鐘設(shè)備，經(jīng)周期性交換帶有時間信息同步報文，能夠計算主時鐘和從時鐘之間存在的偏差與網(wǎng)絡(luò)延時，對偏差進(jìn)行糾正，對延時進(jìn)行補(bǔ)償處理，能夠做到主時鐘和從時鐘之間同步亞納秒級。在其中一個時鐘上線，對于系統(tǒng)指定時間階段內(nèi)，可以負(fù)責(zé)對主時鐘Sync信息的監(jiān)聽。

一是假若收到同步報文信息源于主時鐘，這代表本地始終進(jìn)入Slave狀態(tài)；二是假若在一段時間內(nèi)都并未獲取同步報文信息，則假定這個時鐘就是主時鐘，處于Pre-Master狀態(tài)，端口為主時鐘表現(xiàn)狀態(tài)，但是無法負(fù)責(zé)同步報文信息發(fā)送。這種Pre-Master狀態(tài)會持續(xù)一定時間，假設(shè)在這段時間內(nèi)仍然未能收到其他時鐘發(fā)送的同步報文信息，則表示這個時鐘處于Master主狀態(tài)，發(fā)送Sync信息。

在時鐘的各自端口都負(fù)責(zé)最佳主時鐘算法，對自己時鐘狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他時鐘狀態(tài)加以確定，假若時鐘某Slave狀態(tài)下的端口，能夠確定質(zhì)量高于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主時鐘，則主時鐘端口會接收更優(yōu)質(zhì)量的Sync狀態(tài)信息，這個端口會呈現(xiàn)主時鐘狀態(tài)發(fā)送同步報文信息，之后主時鐘會停止向網(wǎng)絡(luò)宣布自己是主時鐘同時停止發(fā)送同步報文。

1.2 PTP時鐘同步及LCS算法

針對時鐘網(wǎng)絡(luò)內(nèi)已經(jīng)確定主從關(guān)系的時鐘，運(yùn)用LCS算法對本地時鐘校準(zhǔn)同步主時鐘（見圖1）。根據(jù)下圖流程在始終Tc2時刻，能夠接收主時鐘發(fā)送同步報文，在Ts3時刻下，從時鐘能夠接收主時鐘的發(fā)送同步報文，根據(jù)時鐘主時鐘偏移Toffset公式如下：

在時鐘Tc4時刻發(fā)送Delay Req報文至主時鐘，在Rs5時刻時鐘可以接收Delay Req報文，對應(yīng)主時鐘發(fā)送的Delay Req報文，二者延時公式如下：

圖1 PTP時序圖

1.3 BMC算法

BMC算法能夠在PTP系統(tǒng)每一個時鐘獨(dú)立運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)主時鐘與生成時鐘網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所受DSC（數(shù)據(jù)設(shè)置比較算法）與SD（狀態(tài)決定算法）完成。在DSC算法中能夠依照不同同步報文數(shù)據(jù)集，對比篩選最佳化報文，對最佳主時鐘確定形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。作用于動態(tài)化時鐘，達(dá)到同步時鐘系統(tǒng)運(yùn)行中可以根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)，對比時鐘選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)集，并對不同端口節(jié)點(diǎn)狀態(tài)做出動態(tài)化調(diào)整。狀態(tài)決定算法對于時鐘所處PTP子域主時鐘確定后，與各數(shù)據(jù)集相應(yīng)信息為依據(jù)，計算不同時鐘的PTP端口推薦狀態(tài)適當(dāng)調(diào)整。為了避免網(wǎng)絡(luò)生成回路，狀態(tài)決定算法可以自動生成數(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義競爭失敗節(jié)點(diǎn)端口為disabled禁用、Passive被動兩狀態(tài)。

2 IEEE1588時鐘應(yīng)用數(shù)字化通信機(jī)房實(shí)現(xiàn)

2.1 通信機(jī)房應(yīng)用方案

（1）同步精度要求

通信機(jī)房劃分了邏輯結(jié)構(gòu)層、物理結(jié)構(gòu)層，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化站控層、過程層、間隔層之間信息交互，IEC61850-5-13同步數(shù)字化通信機(jī)房的時間報文精度，以差異化需求劃分5個等級分別為T1～T5，對測量中的具體采樣值，以達(dá)到最高同步精度要求控制為±1μs，站控層同步精度要求較低±1ms。

（2）配置方案

在通信機(jī)房中有諸多不同類型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)測控設(shè)備配置也并不代表全部相同，目前基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本包括了總線、星形、環(huán)形以上三種，在本文選用星型結(jié)構(gòu)研究IEEE1588時鐘配置，考慮該通信機(jī)房的時鐘同步關(guān)鍵，均運(yùn)用IEEE1588時鐘高精度同步報文。本次IEEE1588時鐘應(yīng)用通信機(jī)房中，選用了北斗衛(wèi)星同步時鐘，GPS同步時鐘作為方案一，北斗衛(wèi)星同步原子時鐘作為方案二。因?yàn)樾l(wèi)星同步易受電磁、天氣等因素干擾，所以優(yōu)先選擇了方案二，分別與2個邊界時鐘連接，之后又將邊界時鐘連接，確保避免丟失其中一個主時鐘情況下，仍然可以與另一個連接的邊界時鐘，精準(zhǔn)同步時間。

在對同步報文和跟隨報文發(fā)送的同時，時鐘端口對網(wǎng)絡(luò)上的消息進(jìn)行監(jiān)聽，一旦有消息到來則進(jìn)行接收，并記下接收時間，根據(jù)報文的識別符進(jìn)行判斷，看接收到的報文是哪一類報文，如果接收到的報文是同步報文，則將報文進(jìn)行解包并對接收到的報文進(jìn)行接收處理，若接收到的同步報文為有效報文，則調(diào)用最佳主時鐘模塊來判斷本地時鐘的狀態(tài)，如果本地時鐘的狀態(tài)在運(yùn)行最佳主時鐘算法后仍為主時鐘，則按照所設(shè)定的時間間隔繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)中周期性地發(fā)送同步報文和跟隨報文。若主時鐘收到從時鐘發(fā)來的延遲請求報文，則將延遲請求報文到達(dá)的時間記錄下來，構(gòu)建延遲請求應(yīng)答報文并將延遲請求報文到達(dá)主時鐘的時間放入報文中；在構(gòu)建好延遲請求應(yīng)答報文后，主時鐘將報文進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后送入發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送給從時鐘。

3 測試驗(yàn)證

3.1 測試原理

結(jié)合以上設(shè)計調(diào)試IEEE1588時鐘的各報文標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議后，需要對應(yīng)測試驗(yàn)證系統(tǒng)各功能，驗(yàn)證IEEE1588時鐘是否可以滿足系統(tǒng)高精度需求，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)布的同步觸發(fā)時間情況，借助廣播方式發(fā)送，達(dá)到主時鐘、從時鐘二者同步接收以太網(wǎng)觸發(fā)時間，相較本地時間在達(dá)到要求時間時，主從量時鐘均由各自I/O輸出口，發(fā)送相應(yīng)的變化脈沖信號，與同一示波器接收兩時鐘的信號，通過運(yùn)用邏輯分析儀對不同信號波形進(jìn)行分析，對比得出兩時鐘差值判斷是否滿足IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)對比主從兩時鐘的信號波形，發(fā)現(xiàn)符合IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標(biāo)準(zhǔn)要求，可以達(dá)到百μ級別的時鐘同步精度，因?yàn)楂@取時間方法及所在位置，會很大程度上硬性時鐘同步精度，所以可以通過改變硬件條件達(dá)到高精度時鐘同步要求的場所。

結(jié)語：總之，IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協(xié)議基于網(wǎng)絡(luò)，作為LXI儀器關(guān)鍵技術(shù)，在本研究通過基于IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協(xié)議的原理基礎(chǔ)上，在區(qū)域通信機(jī)房提出IEEE1588時鐘的應(yīng)用方案，并展開驗(yàn)證測試發(fā)現(xiàn)了通信機(jī)房內(nèi)IEEE1588的高精度時間同步實(shí)現(xiàn)可行性。