（计算机应用技术专业论文）ieee1588时间同步协议在linux下的实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 睫着控裁网络发震与普及，控制网络中的对润同步技本也得到了逐速的发 展，目前应用于工业控制网络测量的时间同步协议标准主要是i e e e l 5 8 8 标准， 此标准对控制网络中的现场设备时间同步的高精度带来了希望，并使i e e e l 5 8 8 全面应用于工业控制领域成为可能。 本文首先概述了控制网终以及它与时间阉步的关系，分别介绍了传统时间 同步、n t p 时间同步、i e e e l 5 8 8 时间同步标准，指出了在各种同步协议中 i e e e l 5 8 8 标准是时间同步精度最高的、墩适嗣于控制网络的对间同步标准。其 次对时间同步中关键技术进行了认真的阐述，对i e e e l 5 8 8 的同步过程作了详纲 的分析。然后设计了精确时间同步协议( p t p 协议) 引擎模块体系结构，实现 了最佳主时钟算法、本地时钟同步算法以及p t p 报文发送与接收的控制算法， 详细描述了现场设餐中i e e e l 5 8 8 时闯同步静具体实现过程。文章还根据嵌入式 系统的开发流程，对嵌入式l i n u x 技术做了深入的探讨，对交叉编译环境和软 件开发的一般过程进行了阐述。文章最后基于a r m 9 平台建立嵌入式l i n u x 系统， 将时间问步p t p 协议应用在基子a r m 9 的s 3 c 2 4 1 0 开发板上进行时闯同步。 本文的研究对于自动控制系统中网络测掇与控制设备闻的同步技术基于 a r m 9 的现场设备开发有较好的借鉴作用。 关键词：眩闯同步，p t p 协议，主时钟，数据集，嵌入式l i n u x ，内核编译 墼庆郯迤又学磺论文摘嚣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n d 氇ew d e l yu s eo ft h ec o n 缸 o ln e t w o r k c l o c k s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sg a i n e df r e q u e n td e v e l o p m e n ta l o n gw i t hc o n t r o l n e t w o r k a tp r e s e n t , i e e e l 5 8 9s t a n d a r di st h em o s ti m p o r t a n tc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o lt h a ta p p l i e di ni n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r km e a s u r e , w h i c hm a k e si tp o s s i b l e t oi m p r o v es y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o no fi o c me q u i p m e n t si nc o n t r o ln e t w o r ka n d m a k ei e e e i5 8 8b r o a d l ya p p l yi ni n d u s t r i 8 lc o n t r o lf i e l d + i nt h et h e s i s ，t h er e l a t i v eo fc o n t r o ln e t w o r ka n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nw a s s u m m a r i z ea tf i r s t , a n dt r a d i t i o nt i m es y n c h r o n i z a t i o n ，n t pt i m es y n c h r o n i z a t i o n 、 i e e e l 5 8 8s t a n d a r dw e r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，w ek n o wt h a ti e e e l 5 8 8 s t a n d a r di st h eb e s ts t a n d a r di np r e c i s i o na n di ti st h eb e s tc o m p a t i b l ef o rc o n t r o l n e t w o r k 。s e c o n d l y , k e yt e c h n o l o g yo f 嚣嚣琶1 5 8 8s t a n d a r dw a se x p a t i a t e di ne a r n e s t 。 a n dt h es y n c h r o n i z a t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e dd e t a i l e d + t h e ne n g i n em o d u l es y s t e m f r a m eo fp r e c i s i o nt i m ep r o t o c o lw a sd e s i g n e d ，a d o p t i n gt h eb e s tm a s t e rc l o c k a l g o r i t h m ，l o c a ld o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h ec o n t r o lo fs e n d i n ga n d r e c e i p to fp t pm e s s a g e s ，d e s c r i b i n ge n t i r ei m p l e m e n tp r o c e s so ft e e e l 5 8 8c l o c k s y n c h r o n i z a t i o nm l a o n gl o c a le q u i p m e n t si n t h i st h e s i s b a s e do nd e s i g nf l o wo f e m b e d d e ds y s t e m ，t h et h e s i sh a sm a d et h o r o u g hr e s e a r c hi ne m b e d d e dl i n u xa n d e x o a t i a t e do nc o m m o n l yp r o c e s so fc r o s sc o m p i l e de n v i r o n m e n ta n ds o f t w a r e d e s i g n 。a tl a s t , t h e $ 3 c 2 4 1 0f i a tw a s m a d et oe s t a b l i s he m b e d d e dl i n u xs y s t e m ， a p p l y i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np 即p r o t o c o lt ol o c a le q u i p m e n t sw i t ha r m 9f l a tt o s y n c h r o n i z et i m e ， f o rs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo f n e t w o r kn l e a s n r ea n dc o n t r o le q u i p m e n t si n a u t o c o n t r o ls y s t e m ，t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sh a sp r e f e r a b l eu s ef o rr e f e r e n c et o 1 0 c a le q u i p m e n ta r m 9f l a t k e yw o r d s ：c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，p 鞭p r o t o c o l tm a s t e rc l o c k ，d a t a s e t ， e m b e d d e dl i n u x ，k e r n e lc o m p i l e d 玎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在露师指导下进行的研究工作及取得的 臻究成栗。攥我所知，除了文串特剃热班栋注帮致 鑫 的逢方辨，论文中不怠含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包宙为获褥重鏖鲣曳塞璺或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何 贡黻均已农沧文孛终了嚼礴豹说明势表示谢意。 学馒论文作者签名：击伊 1 7 签字耳期：加年z 月f b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作袭完全了解冀鏖整复塞堂蒋关保整、使用学位论文救援 定，有权保留并向豳家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 鼹秘氆耀。零人援救。重鏖塑塞盔燮胃以凌学僚论文戆全落或郝分内器编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印戏扫描等复制手段保存、汇编学位论 。 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 芦 学德论文作者签名：专，1 尸r 导师签名： 矽孕 签字日期；蒯年占月厂日签字目期；3 年多鼠r 日 藿庆邮电大学坝七论文第一章绪论 1 1 控制网络 1 1 1 概述 第一章绪论 控制网络系统“。一，一般来说，可以说是自控系统，又可以说是网络系统， 它是将网络的概念引入到控制现场，彻底改变了传统传输数据、管理数据的方式， 控制功能下放到现场，现场进行数据的处理和管理，大大提高了系统的实时性和 集成度，同时又保证了上层决策系统可以得到大量丰富的现场信息，便于进行适 当而及时的决策，提高了系统的有效性和效率。控制网络体系结构的原则就是开 放性。开放系统的特征应具有标准化( 相关标准符合开放系统互联协议) 、可移植 性、可伸缩性、可互操作性。在工业自动化领域，正向着开放性体系结构方向发 展，如现场总线、工业以太网等。 控制网络采取纵向分层、横向分散的策略，以网络为依托，将控制区域内 的各种设备连接在一起，使各组成部分协调工作，共同完成控制、管理和决策功 能现代控制网络系统可由三层基本结构组成：现场控制网络、信息管理网络、 远程监控网络。现场控制网络应用于控制现场的设备层，实现了底层现场设备的 分布式控制；信息管理网络将控制与管理综合化、一体化，实现管理层的数据通 讯与共享；远程监控网络不仅用于传统的信息浏览、查询、发布，还可通过 i n t e r n e t 跨国异地直接对现场设备进行远程监测与控制“”。 1 1 2 控制网络的发展 控制网络系统的结构从最初的c c s ( 计算机集中控制系统) ，到第二代的d c s ( 集散控制系统) ，发展到现在流行的f c s ( 现场总线控制系统) o 3 】。对诸如图象、 语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又促使了当前在商业领域风靡的以太 网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标 准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业 控制领域的发展空间。 现有的控制网络可以根据其应用场合的不同分为以下几种： ( 1 ) s e n s o r b u s ：低阶网络，通常用来连接低阶的传感器、执行器等现场设备， 传输数据量最少，例如a s ：i 、i n t e r b u r s 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 2 ) d e v i c e b u s ：它界定的范围最广，只要是能对网络化设备提供通信或诊断 功能的都属于这种类型。例如c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u 譬一d p 。 ( 3 ) f i e l d b u s ：通常是架构在d e v i c e b u s 之上，用来传输大批量的数据，但传 输速度较慢。有的也提供一些设备终端控制的功能，例如w o r l d f i p 、f o u n d a t i o n f i d d b u s 、p r o f i b l l s 干a 。 ( 4 ) c o n t r o l b u s ：提供高阶控制设备( 例妻i p l c ，c n c ) 间的对等网络通信p e e r 1 0 - p e e r ) ，例! t l c o n t r o l n e t 。 j ( 5 ) e n t e r p r i s e n e t ：企业的骨干网络，一般为e t h e r n e tt c p i p 。 现在，工业自动化领域的现状是集散控制系统d c s 仍然在许多行业有着广泛 的应用；现场总线控制系统f c s 已逐渐被大家认可，并以每年3 0 的增跃率快速 发展；而工业以太网控制系统则蓬勃兴起，并有望解决控制系统对网络实时性和 确定性的要求，实现工业网络控制标准的最终统一“”。 1 1 3 时间同步是控制网络的要求 传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求m ，一直 被视为非确定性的网络。控制网络的现场设备由于温度变化、电磁干扰、振荡器 老化，甚至还包括计算机负载等多种原因，多数设备的时钟是不精确的，同时时 间误差是累积的，随着时间的推移，设备之间的时间同步问题也凸现出来，特别 是在一些对时间精度要求比较严格的领域，如结算业务、实时数据融合等，这一 问题更加突出。 因此控制网络的“实时性”已成为人们关注的焦点，在要求实时性的应用 场合，通信系统必须保证传输实时性的确定性、精确性、稳定性。这意味着一方 面在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传 输延时的减小，另一方面工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序，这 就要求具有在所有通信设备之间实现精确时间同步的能力。目前只有少数的现场 总线或其他专有的解决方案能够达到循环时间小于l m s 的要求。为了继续推动以 太网应用到实时自动化系统的互联，我们需要采用一些特殊的措旖以保证控制网 络所需要的实时性。对现场设备的时间同步的越来越高的需求，成为现在控制网 络中重要研究内容o “】。 1 2 时间同步相关技术概述 自动控制系统中网络测量与控制设备间的同步技术是控制网络管理中所支 持的一项功能“”。在控制网络中的每个现场设备都会维护一个本地时钟( 即设 备本身的时间) ，用于为本地事件打上时间戳。为此，在各个设备之间需要保持 2 延庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 时间同步。 1 2 1 传统的时间同步 典型的传统的时间同步系统的拓扑结构可以用图1 1 所示。图中的时间服务 器一般集成有g p s 等标准时间源，相应的配置也较高；现场设备一般情况下通过 ， 1 0 m 1 0 0 m 以太网与时间服务器保持时间同步，其精度为l o 毫秒到秒级不等， 部分应用( 如快速响应系统) 可能要求达到l 毫秒的级别甚至更高“。 图1 1 典型的传统的时问同步系统 为了解决时问同步问题，同时也充分利用网络性能，传统的采用的方法为： 整秒时由时统服务器在以太网上发送时码信息，网络上的各个时间客户接收该时 码信息，再校正各自机器的系统时间。 经过测算，设备采用这种方法对准时间后，与标准时闯进行比对，误差在l 1 0 0 毫秒之间，网络流量越大，误差也越大。发送报文的节点越多，冲突的机会 也越多，延时也越大。网络流量的差异，造成这种延时总是有的，但又是不定的， 这种延时而且由于网络流量具有不确定性，无法对这种延对差异进行补偿。 因此，传统的同步方法对时间精度要求较高的控制网络来说，无法满足其 时间同步的需要。 1 2 2n t p 时间同步 n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，网络时间协议) 由美国德拉瓦大学的d a v i dl m i l l s 教授于1 9 8 5 年提出，是设计用来 $ i n t e m e t 上的计算机保持时间同步的一种 通信协议。网络时间协议可以估算出数据包在i n t e m e t 上的往返延迟，并可独立地 估算计算机时钟偏差。网络时间协议的工作原理说明如下阻“： ( 1 ) 现场设备a 发送一个n ，r p 包给现场设备b ，该包带有它离开现场设备a 的 时间戳，该时间戳为t 1 。 ( 2 ) 当此n t p 包到达现场设备b 时，现场设备b 加上自己的时间戳，该时间戳 为1 2 。 ( 3 ) 当此n t p 包离开现场设备b 时，现场设备b 再次加上自己的时间戳，该时 间戳为t 3 。 3 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 ( 4 ) 当现场设备a 接收到该响应包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为t 4 。 整个同步过程如图1 2 所示。 现场设各 现场设备b r l + 丁2t 3 图1 2 现场设备a 与现场设备b 通讯时间戳 至此，现场设备a 已拥有足够的信息来计算两个重要的参数：一是n t p 数据 包来回个周期的时延，二是现场设备a 和现场设备b 的时钟差。于是现场设备a 能够设定自己的时钟与现场设备b 同步。可以根据公式算出现场设备a 与现场设 备b 之间的时间差，在大多数的环境中，n t p 可以提供l 5 0 毫秒的可靠时间源。 但在某些对时间精度要求严格的领域，时间精度要求在毫秒级以内，n t p 协议也 难以保证时间精度，特别容易受到网络突发报文的影响。所以，它难以适应对实 时性要求越来越高的控制网络的发展需要。 1 2 3i e e e l 5 8 8 时间同步 。 已有的时间同步信号协议达不到预期的准确度和收敛速度。新的i e e e 标准 精确时间协议( p t p ) 最初e 1 a g i l e n t 公司开发以用于分布式仪器仪表和控制任务。 该技术以标准化协会主席j o h ne i d s o n 的工作为基础，而且他主要负责在2 0 0 2 年1 1 月对标准的审定“。 利用i e e e l 5 8 8 可以使在传送程序数据的同网络中的传感器、执行器和其 他终端设备以小于一毫秒同步于本地时钟。相比之下，i e e e l 5 8 8 标准作为新的 时间同步的标准提高了设备同步时间精度，所以i e e e l 5 8 8 在各种同步协议中的 对时精度是最高的，它越来越适用于大型的控制网络特别是工业以太网方面。 为实现控制网络中设备间的时间同步，每个现场设备自上电初始化起便周 期性地和系统中的其它设备进行比较，在每个时钟的端口中运行最优主时钟算 法，选择出最好的主时钟来修正和它时间不一致的其它设备的时间。通过主时 钟与从时钟的相互响应来保持设备的本地时间和系统时间。若从属时钟的本地 当前时间( c u r r e n t t i m e ) 与主时钟的当前时间之间的误差( 主从偏差) 符合给 定的时间同步精度要求，即认为主时钟与从属时钟之间实现了时间同步“脚。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 网络控制中的时间同步控制系统 1 3 1l e e e l 5 8 8 时间同步及p t p 协议概述 i e e e l 5 8 8 的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”， i e e e l 5 8 8 协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要 参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的时间同步，并且应用于 工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备( 客户机) 的内时钟 与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间在微秒级的运用，与执行n t p 协议的以太网延迟时间相比，整个网络的时间同步指标有显著的改善“”1 。 i e e e l 5 8 8 的基本功能是使控制网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步， 它定义了一个在控制网络系统中的时间同步协议，该协议特别适合工业以太网， 可以在各个以太网现场设备进行微秒级的高精度的时间控制，它就是精确同步 时钟协议( p r e c i s et i m ep r o t o c o l ，p t p 协议) ，该协议与网络交流、本地计算和 分配对象有关。此协议不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度 可以达到微秒的范围。 i e e e l 5 8 8 使用时间戳来同步本地时间的原理也可以使用在生产过程的控 制中。在网络通信时同步控制信号可能会有一定的波动，但它所达到的精度使 得这项技术尤其适用于基于以太网的需要实现最高精确度分布时钟控制网络系 统。它为工业自动化应用提供了真正有用的解决方案。 在工业控制领域一些对时间同步要求十分严格的分布式网络系统中，现行 的i n t e r n e t 网络时间协议n r p ( n e t w o r kt u n ep r o t o c 0 1 ) ，简单网络时间协议s n t p ( s i m p l en e t w o r kt t m ep r o t o c 0 1 ) 等不能达到所要求的同步精度或收敛速度，而 p t p 协议使基于工业以太网的高精度同步控制成为可能。i e e e1 5 8 8p t p 协议也借 鉴了n t p 技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须有一个包含实时时钟的网络 接口卡，可以实现基于p t p 协议栈的相关服务。 p 1 1 p 协议用于对标准以太网或其他采用多播技术的控制系统中的传感器、执 行器以及其他终端设备中的时钟进行微秒级同步。该协议对内存及c p u 性能没有 特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。这样，对控制网络系统中配置不太高 的现场设备也能满足它们对实时性高的要求“m 。 1 3 2 目前研究情况 国外方面，许多组织都已决定将该协议用于其基于现场总线的以太网络。 而国内还未发现有相关应用。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 2 0 0 3 年o d v a ( 开放式网络设备供应商协会) 计划在其实时控制应用的通用 工业协议c i p ( c o m m o ni n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) 中加入时间同步服务，称之为c i p s y n c ，作为对e t h e r n e t i p - c i p 的实时扩展。测试表明，如果采用l o o m b p s 交换式 以太网系统，c i ps y n c 可以在设备间传递小于5 0 0 n s 的时间同步精度，符合最严 格的实时应用的要求。 e p s g ( e t h e r n e tp o w e r l i n k 标准联盟) 已经计划将i e e e1 5 8 8 p t p 协议作为 e p l ( e t h e r n e tp o w e r l i n k ) 第三版本规范的固定内容。在第三版本中，i e e e1 5 8 8 将用在跨越多个实时段的同步通信上，提供分布式的e p l 应用。e p l 只需要标准以 太网硬件，不需要专用的a s i c s ，但必须通过网桥或路由器将实时通信与非实时 通信分离。 西门子公司也致力于用i e e e1 5 8 8 修改其p r o f i n e t ；v 3 b e c k h o f f 和j e t t e r 的 实时工业以太网解决方案e t h e r c a t 也在着手研究采用1 5 8 8 协议或类似的方法来 保证时间同步“。 1 4 本文研究内容 本文的在研究内容是在l i n u x 下对i e e e l 5 8 8 时阋同步协议进行设计及开 发。针对我所从事的科研工作，主要是对控制网络中的i e e e l 5 8 8 时间同步协议 的研究，以及对嵌入式l i n u x 开发及其关键技术的实现，因此，本论文主要包 括以下几个方面的内容： 1 ) 工业控制网络的i e e e l 5 8 8 时间同步协议的研究与分析。 2 ) 最佳主时钟算法模块的软件设计与实现。 3 ) p t p 发送、接收控制模块设计与实现。 4 ) 本地时钟同步算法模块的设计实现。 5 ) 基于嵌入式l i n u x 的应用程序开发。 1 5 本章小结 本文首先介绍了控制网络的概念及其发展趋势，介绍了时间同步对控制网 络的实时性的重要性以及它的发展背景、过程。然后介绍了基于控制系统中 i e e e l 5 8 8 的概念、作用和目前发展的情况，分析了i e e e l 5 8 8 的特点及技术要 求，及本人在其中所做的工作，最后归纳了本文的主要研究内容。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 2 1i e e e l 5 8 8 的p t p 协议规范 i e e e l 5 8 8 标准为网络度量和控制系统提供了精确时钟同步协议即p t p 协议， 这个协议应用在包括一个或多个时钟节点、通过一系列通信媒体进行通信的控制 网络系统中。每个节点包含一个实时时钟的模型。i e e e l 5 8 8 标准将整个网络内的 时钟分为两种：普通时钟o c ( o r d i n a r yc l o c k ) 和边界时钟b c ( b o u n d a r yc l o c k ) 。 它们之间的区别是普通时钟是只有一个p t p 通信端口的时钟；有多个p t p 通信端口 的时钟是边界时钟，每个p t p 端口提供独立的p t p 通信。其中，边界时钟通常用在 确定性较差的网络设备如交换机和路由器上。p t p 系统就是包含有普通时钟、可 能的边界时钟、可能的管理节点的一个分布式控制网络系统。 在p t p 系统中，从通信关系上又可把时钟分为主时钟、从时钟和最高级主时 钟。在一个p t p 通信子网内只能有一个主时钟，主时钟为整个系统提供时钟标准， 从时钟与主时钟保持同步“”】。 2 1 1p t p 系统组成 图2 1i e e e l 5 8 8 时钟同步的p t p 系统组成 p r r p 系统由一个或多个p t p 子域( 简称子域) 组成，每一个子域都有一个子 域名，它包括一个或多个彼此通信的时钟( 包含普通时钟o c 和边界时钟b c ) 。如 果多个p t p 子域需要互联，则必须由边界时钟来实现。在图2 1 当中，子域l 有三 7 重庆邮电大学硕七论文第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 个普通时钟o c 和一个边界时钟b c ，作为主时钟的普通时钟有一个主端口也就是m 端口，通过m 端口发送同步报文信息给边界时钟b c ，边界时钟再通过m 端口发送同 步报文信息给另外的四个时钟：为了和其它p t p 子域相联系，子域1 里的边界时钟 将和另两个子域里的边界时钟进行通信。 在一个子域里的主时钟，除了发送同步消息，也可以发送外部的标准时间 信号到此主时钟所在的同一个子域里的所有其它时钟来进行同步“”1 。 2 1 2p i p 子域系统模型 一个典型1 5 8 8 的精确时钟p t p 系统的典型p t p 予域模型包括多个节点， 其中每一个节点都代表一个时钟，每个时钟之间经由网络连接。如图2 2 所示， 每一个矩形就代表每一个包含普通时钟的节点，椭圆形代表包括包含边界时钟 ( 有数个p t p 端口) 的节点，那些直线所代表的是p t p 通信链路。边界时钟的 某个端口会作为从属端口与子域相联，并且为整个系统提供时钟标准；边界时 钟的其他端口会作为主端口，通过边界肘钟的这些端口将同步报文信息传送到 子域，边界时钟的端口对子域来说是普通时钟“2 “”。 图2 2 包含o c 和b c 的典型p t p 子域模型 一个简单p t p 子域系统包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多 个潜在的主时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的 时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网 络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。 在一个子域内，边界时钟的每个端口就象普通时钟那样进行同步和运行主 时钟算法。在边界时钟内部选择出一个能“看见”“主时钟”的端口作为从端口 ( s 端口) 。在边界时钟中从端口是唯一的，边界时钟通过这个从端口跟另外的子 域进行通信，接收同步报文消息。边界时钟的其它所有端口都在内部同步于这 个从端口。边界时钟定义了主一从时钟的一个双亲一孩子层次。系统中最好的 时钟是最高级主时钟g m c ( g r a n dm a s t e rc l o c k ) ，有着最好的稳定性、精确性、 b 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及u t c ( 通用协调时间) 的可追 溯性等特性，由最佳主时钟算法( b e s tm a s t e rc l o c k ) 来自动选择各子网内的主 时钟：在只有一个子网的系统中，主时钟就是g m c 。每个系统只有一个g m c ， 且每个子网内只有一个主时钟，从时钟与主时钟保持同步。因此这个子系统的 主时钟是整个系统的最高级主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口，通过 边界时钟的这些端口将同步信息传送到子域“”1 。 2 1 3p t p 通信拓扑结构 p t p 协议的操作产生一个p t p 通信路径的拓扑结构，这个拓扑结构是不封 闭的环形图结构。也就是说，在任何两个p t p 时钟之间没有可替代的p t p 通信 路径( 即唯一一条路径) ，路径拓扑禁止形成一个环，如在图2 2 中黄色虚线处 的节点1 3 、1 4 、1 5 就不允许。 p t p 协议会在p t p 通信路径探测这样的环形。通过改变包含边界时钟的端 口的状态，p t p 协议会改一个环形图成没有环的图。在这个例子中，协议不可 能在节点1 4 、1 5 之间传输消息。这些状态的改变导致在非环形拓扑结构上进行 真正的通信，尽管物理连接可能是环形的拓扑结构。 2 1 4p t p 子域的时钟端口模型 p t p 协议认可五类端口的时钟，它们是： 1 、从端口：同步于主端口的普通时钟端口或边界时钟的一个t ：q p 端口外部接 入点，这个被主端口同步的端口就称为从端口，同步从时钟的主端口称为从时钟 的双亲端口。从端口必须处于p t p l a v e 状态。 2 、主端口：可能是普通时钟端口或边界时钟的一个p t p 端口外部接入点充当 双亲端口的端口，主端口和从端口一起共享p t p 的通信线路。主端口必须处于 p t pm a s t e r 或p t p p r e m a s t e r 状态。 3 、最高级主端口：最高级主端口可能是普通时钟端口或边界时钟的一个 p t p 端口外部接入点的端口。在整个p t p 子域中，如果时钟只有单一的主端口而没 有其它的端口，那么它就是最高级主端口。它必须处于p t pm a s t e r 状态。 4 、未校正端口：它是在普通时钟端口或一个边界时钟的p t p 端口外部接入点 的端口中的、还没有对确定主时钟的、处于p t p l i s t e n i n g 或p t p _ u n c a l i b r a t e d 状态的端口。 5 ，被动端口：一个端口指明为被动的端口，必须处于阿p a s s i v e 状态，被 动端口使得p t p 协议避免循环拓扑。 每一个子域形成时钟端口的稳定的双亲一孩子层次，这种层次的根是最高级 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 主时钟。每个分节点( 必需是边界时钟) 的时钟端口对所有分节点必须是双亲和主 端口，任何分节点层次终端必定是一个从端口。一个稳定的子域的必定是这样的 子域，它的所有的端口都被p t p 协议指出，或者是主的、被动的、或者是从属的 或者是一个被指定的最高级主时钟“删。 图2 3p t p 子域时钟端口模型 在图2 3 中，每个时钟端口的状态都被表示为：m ( 姒s t e r 主时钟状态) 、 s ( s l a v e 从时钟状态) 。图中的n o d e k ( k = l ，2 ，1 1 ) 是指的p t p 子域的1 1 个 节点，其中节点5 在整个p t p 子域中是单一的端口，它的状态是m ，也就是说， 节点此时是处于最高级主时钟状态。节点5 的m 端口对和它相联的三个端口来 说，是双亲和主端口，和节点5 的m 端口相联三个端口必定都是从端口。而节 点层次终端必定是一个从端口。因此这个子域中的其它所有时钟将形成一个以 节点5 作为根的非循环的双亲一孩子层次关系。 2 1 5p i p 反应时间 每个p t p 端口有两个标志性常量o u t b o u n d _ l a t e n c y 和i n b o u n d _ l a t e n c y ， 这两个常量将在迟延校正过程中被用到。在一个时钟中，同步报文和延迟请求 报文应该分别在发送和接受两个时刻打下时问戳“”。 图2 4p t p 反应时间常量的定义 这些时间戳用在执行p t p 协议的编码和通信介质之问的路径上的时钟时间 戳来表示，如图2 4 所示。 1 0 垂庆邮电大学硕士论文第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 常数o u t b o u n d _ l a t e n c y 将是同步报文和延迟请求报文在时钟时间戳和通 信介质之间向外传播的时间。常数i n b o u n d _ l a t e n c y 将是同步报文和延迟请求 报史在时钟时间戳和通信介质之间向内传播的时间。这两个常量的值是不相同 的，它们的不一致将引起时钟的不一致，这在时钟变量的计算中将用到。对输 入和输出的同步报文和延迟请求报文，时间戳产生于在报文时间戳通过相应的 时钟时间戳的瞬间。报文时间戳是同步报文和延迟请求报文的显著特征，它们 可以在通过时钟时间戳时被识别出来。图2 4 显示了一个典型同步报文和延迟 请求报文进入协议栈( 虚线箭头) ，报文时间戳( 图中开始的“1 1 ”，这以后跟着 一系列的“1 0 ”) 从离开通信媒介到进入栈底端经过时钟时间戳经历时间是 i n b o u n d _ l a t e n c y 。所有时间戳在报文时间戳通过时钟时间戳时反映时间。如果 执行在不是报文时间戳的点检测到了同步报文和延迟请求报文，那么产生的时 间戳在检测的时间和报文时间戳通过时钟时间戳的时间之间适当地得到纠正。 2 2p i p 协议中的主时钟选择 最佳主时钟算法( b e s tm a s t e r c l o c k ，b m c ) 指明了一种方法，该方法使一个 本地时钟决定它能看到的哪一个时钟是所有当中最好的( 包括它自身) “川。该 算法独立于每个端口，在每个端口选择出比较好的时钟之后，又将这些较好的时 钟进行比较，最后确定出一个最好的时钟，那么它就是主时钟。最好主时钟算法 由二个部份所组成：数据集比较算法，它计算一个二元关系数据集，该数据集和 二个时钟端口关联，这些数据集之一可能代表本地时钟的确省特性，否则数据集 是建立在一种报文的基础之上，这种报文包含在从子网域端口收到的同步报文 中。另一个是状态决断算法，它的作用是根据被选择出来的主时钟的数据集来更 新本地的数据集和更改每个时钟的p t p 状态。 2 2 1 数据集比较算法 时钟数据集存在于每个时钟中以及收发的同步报文中。对于每个现场设备 时钟来说，时钟数据集被规定用来作为协议的决策和对报文域赋值。它是有若干 成员项的集合，这些集合能够反映和时钟有关的很多属性。时钟数据集包括了6 种数据集：缺省数据集、当前数据集、双亲数据集、全局时间属性数据集、端口 配置数据集、外来主时钟数据集。 i 、缺省数据集：描述了本地时钟的固有属性，当本地时钟成为网络中的 主时钟时需要使用此数据集的相关属性。 2 、当前数据集：描述本地时钟与当前主时钟关联属性。 ， 3 、双亲数据集：描述了本地时钟关联主时钟的关键属性，主要用于数据 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 集比较和选择最优主时钟。 4 、全局时间数据集：描述p t p 协议对时间的相关约定。 5 、端口配置数据集：提供本地时钟的网络通信端口的基本配置信息，在 封装数据报文的时候往往需要使用此数据集。 6 、外来主时钟数据集：主要统计主时钟的摘要信息。 数据集比较算法主要是分析数据集a 和数据集b 中的时钟变量值、最高级主 时钟的层次、报文中问路由的次数、主时钟是否优先选择标记等关键变量的性能， 把数据集a 和数据集b 中这些关键变量的值加以比较，为系统从这些数据集选出 质量最好的同步报文。如图2 5 所示。 图2 5 数据集比较算法表示图 对时钟的每个端口r ，从其他连接到端口r 的通信路径上时钟其他端口收 到的合格同步报文的数据集应当被比较。这些报文中数据集最好者是e ，嘲，每 个端口可以不依靠在其他的端口上的使用率而独立地决定e i b 瞄。对有n 个端 口的时钟，所有的报文数据集最好者e b 。，将是在n 个端口r 当中的最好者。 2 2 2 状态决断算法 采用状态决断算法来判断当前p t p 协议引擎所处的状态，其中时钟c 0 的 缺省数据集以d o 表示，e 晒是通过使用数据集比较算法得来的时钟c o 的最优 同步报文，e 。b 。是时钟c o 的第r 号通信端口的最优报文。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 状态决断算法首先判断缺省数据集d o 中最高主时钟的层次，如果是位于 第一或第二层，则按照数据集比较算法比较d o 和时钟c 0 的第r 号通信端口的 同步报文e r b e s t ，如果e r b c m 性能属性优于d o ，则本地时钟根据e 舾。的属性值来 确定主时钟，系统应进入主时钟状态，否则本地时钟进入从时钟状态。如果d 。 中最高主时钟不位于第一或第二层，则根据同样的办法来比较d o 和c o 的e b 。 对每一个有n 个端口的时钟，最好的数据集e 鲰和e 岫。和缺省的数据集d o 应和状态决断算法一起用，以决定出在哪个端口的数据集是最好的数据集。如 图2 6 所示。 图2 6 状态决断算法表示图 2 3p t p 系统的时钟状态管理规范 2 3 1 现场设备p t p 端口状态分析 在控制网络中，现场设备的时钟每个p t p 端口都可能处于下面所述状态： 1 p t p _ i n i t i a l i z i n g 一 初始化状态。端口在这个状态时，可以初始化现场设备时钟的数据集、硬 件和通信属性。 ， 2 p t p - f a u l t l 故障状态。端口在这个状态将不参与p t p 协议所规定的同步活动，但是可 以执行指定的规程来清除错误。 3 p t pd i s a b l e d 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 未使能状态。在此状态的端口将不收发任何报文在它所处的通信链路上。 在边界时钟里，不允许处于这个状态的时钟端口去影响这个边界时钟的任何其 它端口的活动。 4 p t p - l i s t e n i n g 侦听状态。此状态的端口是等待同步报文接收超时或者是接收一个从主时 钟来的同步消息的状态。这个状态主要是用于是允许在一个子域中有序的加入 若干个时钟。 5 p t p p r e m a s t e r 预备的主时钟状态。此状态的端口在各个方面都和p t p _ m a s t e r 的行为几乎 是一样的。唯一和p t p _ m a s t e r 不同的是，它没有任何的管理报文在p t p 通信链 路上。 6 p t pm a s t e r 主时钟状态。端口在这个状态的时候，它就是作为一个主时钟来执行的。 它总是在同步报文的接收和发送时记录的时问戳的设备的端口上使用。 7 p t 时a s s i v e 被动状态。在这个状态的端口将不收发任何报文在它的通信链路上。处于 一种被动的未使用的状态。 8 ，p t p _ u n c a l i b r a t e d 未校准状态。在子域上检测到一个或者多个的主端口，适当的主时钟端口 将会被选择出来，并且现场设备的时钟将会同步于这个主端口。这是一个短暂 的状态，当一个新的主时钟端口被选择出来，它允许同步伺服系统的初始化和 数据集的更新以及其它p t p 协议中规定的活动。 9 p t p _ s l a 、，e 从时钟状态。处于这个状态的端口将同步于被选择出来的主时钟。 每一个现场设备上电后，时钟端口都可能处于上面所说的各种状态，而每 个端口所处的状态是根据最优化的主时钟算法、以及时钟系统运行状态许可行 为决定的n 。蚓。根据端口所处的状态，同步报文周期地通过任何与主时钟相联 系的时钟端口发送给其它从时钟。 2 3 2p t p 协议引擎状态机 协议引擎状态机规定了时钟每个f r p 端口所处的状态，以及接收到命令以后 所转变的状态，如图2 7 所示。在控制网络中，每个普通时钟的协议引擎或p t p 边 界时钟每个端口将执行状态机，边界时钟的每个p t p 端口有它自己状态值，这状 态由图2 7 所示的的状态机进行管理“1 。 1 4 重庆邮电人学硕士论文第二章i e e e l 5 8 8 关键技术的研究 图2 7p t p 协议引擎状态机 2 3 3p t p 中设备的状态调度规程 p t p 协议引擎状态机考虑设备上电后端口可能的各种状态：初始化状态、 故障状态、从时钟状态，主时钟状态、侦听状态，未校准状态，以及各个状态 的许可行为和状态之间的转化过程，为时钟系统提供可靠运行机制。设备上电 后或收到系统的初始化时钟命令，时钟系统处于初始化，它需要完成定时器队 列的初始化、为各数据集分配缓冲区、时钟端口配置、通信协议栈初始化等操 作。完成初始化操作后，系统应进入侦听状态，侦听网络上的p t p 协议报文。 如果此时出现系统性错误，则自动进入到故障状态，并要求用户对