（通信与信息系统专业论文）ieee+1588协议频率同步的实现.pdf

摘要 近年来，随着计算机网络的发展，越来越多的应用对时钟同步提出了比较高 的要求，很多领域根据需要开发了完成一定功能的分布式网络系统。如何构造时 钟系统来为不同的分布式网络系统提供有效的时间服务，已成为迫切需要解决的 问题。i e e e l 5 8 8 正是针对这一需求制定的精确时钟同步协议，利用这项技术设计 或集成分布式系统，可以在不增加网络负荷的情况下，实现整个系统中各类不同精 确度、分辨率和稳定性的时钟的高精度同步，从而可以有效解决分布式系统的实 时性问题，进而改善和提高系统的精度，在最好情况下能达到系统级的亚微秒级的 同步精度。 本文介绍了i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议产生的背景及其相关协议，总结了国 内外研究现状，说明了精确时钟同步在分布式网络中的重要性，并给出了i e e e l 5 8 8 的协议机制及其同步模型和关键算法。在此基础上提出了一种较为完善的频率同 步方案及其硬件开发环境。之后对i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议频率同步中各功能 模块的f p g a 设计进行详细阐述，给出了关键模块的实现结构框图和r t l 仿真结 果。 关键词： i e e e l 5 8 8 精确时钟协议频率同步现场可编辑门阵列 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k ，m o r e a n dm o r e a p p l i c a t i o n sd e m a n dh i g h e ra c c u r a c yo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n m a n yf i e l d sd e v e l o p e d d i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e m so fc e r t a i nf u n c t i o n sw h i c hb a s e do l lt h e i rr e q u i r e m e n t s h o wt oc o n s t r u c tac l o c ks y s t e mt op r o v i d ev a l i dt i m i n gs e r v i c et o t h ed i f f e r e n t d i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e m sh a sb e e nap r o b l e mw h i c hn e e d si m m e d i a t es o l u t i o n s i e e e l5 8 8i st h ep r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o lw h i c hi sp r o p o s e df o rt h i s r e q u i r e m e n t t h ed i s t r i b u t e ds y s t e m sd e s i g n e do ri n t e g r a t e db yu s i n gt h i st e c h n o l o g y c a na c h i e v eh i g ha c c u r a c yo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o no fd i f f e r e n ta c c u r a c i e s ，r e s o l u t i o n s a n ds t a b i l i t i e si nt h ew h o l es y s t e mw i t h o u ta d d i n gn e t w o r kl o a da n de f f e c t i v e l ys o l v e t h et i m ep r o b l e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m t h ep r o t o c o lw i l ls u p p o r t s y s t e m w i d es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c y i nt h es u b m i c r o s e c o n dr a n g ei nt h eb e s tc a s e t h eb a c k g r o u n do fi e e e15 8 8p r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o la n dt h e c o n c e p to ff r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na r ep r o v i d e da tf i r s t t h ed o m e s t i ca n d o v e r s e a s r e s e a r l 出s i t u a t i o na lea l s oa n a l y z e dt oe m p h a s i z et h ei m p o r t a n c eo fp r e c l s t o nc l o c k s v n c h r o n i z a t i o ni nd i s t r i b u t e dn e t w o r k n e x t ，t h em e c h a n i s m ，c r i t i c a l a r i t h m e t i ca n d s y n c h r o n i z a t i o nm o d e lo fi e e e l 5 8 8p r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l a r e i i l t r o i l u c e df o l l o w e db yam u c hm o r ep e r f e c tf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e a n di t s h a r e w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h eg e n e r a lr e a l i z a t i o n s o fi e e e l5 8 8 p r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o li nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l e p r o v i d e d t h ef p g ad e s i g n so fe v e r ym o d u l e ，t h ef r a m ed i a g r a m so fc r i t i c a lm o d u l e sa n dt h e i r s i m u l a t i o nr e s u l t so fr t la r ea l s ol i s t e d k e y w o r d ：i e e e l 5 8 8 i w p f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n f p g a 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。 本人保证毕业离校后，发表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西 安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：盗鱼邀 导师签名：釜必 嗍半 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议产生的背景 控制系统中的时间同步问题早就出现，系统越大越分散这种同步问题就越明 显，同时通过同步来控制系统之间的相互作用也越来越重要应用越来越广泛( 比 如控制轴承旋转等工业控制方面) 。系统中时间的使用一般分为两种：时间标记性 应用和基于频率的应用。 时间标记应用主要是配电系统，在这种系统中绝对时间很重要。因为特定事 件的定时不仪需要与本系统内的其他事件的时间作比较，而且由于电力系统的连 贯性，经常可能需要与外部相关系统的事件的时间作比较。哪一个事件先发生? 是电网a 先跳闸，还是电网b 先跳闸? 这些事件相隔多少时间? 在实际应用中这 些事件可能发生在不同的地理区域。由于这个原因需要绝对时间值的概念，并且 这个时间基准需要校正为世界各地使用的常用时间。由于特定的事件和报警是被 打上时间标记的，只要这些时间标记具有相同的基准，就可以在事后进行这些事 件的时间顺序的分析。 在控制系统中存在大量基于频率的应用，比如说工业控制方面，如通过网络 连接的多个分布驱动的协调控制( 汽车制造、工业远程分布控制) ，它们需要精确 同时执行，因为他们必须保证相互之间的衔接，所以控制相应动作的统一就比较 关键，类似于我们s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y , 同步数字体系) 的时钟模块协 调整个系统的时钟和业务步调一致。如果每个驱动器精确地同时采样反馈和同时 执行控制算法，同时执行控制命令，那么作用力的施加是协调的。在这种应用中 绝对时间不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。工业控制对于时间上面的 要求使得技术不断的革新，这种动力就有点类似于工业革命前期的需求。 解决这些问题的关键是时间同步，时间同步的目的就是要将时间基准准确地 传递到各控制点，传递并不困难，关键是精度。在1 9 8 5 年，以太网标准被定义为 i e e e 8 0 2 3 后，数据传输速度有了很大的提高，从1 0 m b s 到1 0 0 0 m b s 。因此，出 现了以太网定时同步能力不足的问题。为了解决这一问题，当时开发了一种网络 时间协议，即n t p 协议，以此来提高网络设备之间的定时同步能力。在1 9 9 2 年的 时候，这个协议同步时间的精度已经能够达到2 0 0 u s ，但是仍然不能满足测量仪器 和工业控制所需的准确度。 在过去几年中，一些研究机构和商业组织一直在研究设备之间，尤其是测量 和控制设备之间的时钟同步的技术。将这种技术标准化的公开讨论开始于一些研 发人员在工业自动化方面将i e e e l 4 5 1 系列标准应用于分布式系统的工作中。 2 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 在2 0 0 0 年的1 1 月份，为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要，具 有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员倡议成 立网络精密时钟同步委员会，专门从事将时钟同步问题标准化的工作，2 0 0 1 年中 获得i e e e 仪器和测量委员会美国标准技术研究( n i s t ) 的支持。委员会向i e e e 组织递交了一份正式研究方案，并在2 0 0 1 年6 月1 8 日得到了核准。按照i e e e 的 规定，委员会递交的草案在2 0 0 2 年经过修改和两轮投票后被递交到i e e e 标准复 查委员会，于2 0 0 2 年1 2 月通过核准，并于三个月后出版了标准。该委员会起草 的规范在2 0 0 2 年底获得i e e e 标准委员会通过作为i e e e l 5 8 8 标准( 网络化测量和 控制系统的精确时钟同步协议，通常称为p r e c i s i o nt i m ep r o t o c o l p t p ) 。使用这个 方法并不需要很多资源就可以达到l o o n s 级的同步精度。该标准的技术基础来源于 一家1 9 9 9 年从h p 脱离的名为a g i l e n t 的公司。许多参数的测试需要在大型的、空 间分散的、分隔式的系统中进行，而无法采用传统的集中式的方法得到。a g i l e n t 公司将这项技术整合于v a n t e r ag a u g i n g 系统中。此系统的时间精度大约为2 0 0 n s 。 i e e e1 5 8 8v 2 版本增加了多项新特性用于支持i e e e1 5 8 8 在电信应用的扩展。 1 2i e e e l 5 8 8 相关协议的介绍 最初，为了解决地理上分散的两个控制节点之间能够实现一定精度下的时钟 同步，由于当时还没有普及g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 技术的 应用，同时传统的同步通讯网络或专用同步时钟脉冲电缆方式在距离超过几公里、 几十公里，甚至上百公里的应用上，受价格、电缆传输延时和信号衰减失真等因 素的制约，在实践中已变得不可行或不可用，这就促成了各种借用数字通信通道 的异步通讯模式下的点对点时钟同步技术的发展，其中最为成功就是所谓的“乒乓 算法”技术，这也是后来互联网技术下n t p 和s n t p ( s i m p l en e t w o r k t i m ep r o t o c o l ， 简单网络时间协议) 协议的基础。 首先，它假设需同步的两个控制节点内部均独立按各自内部的晶振时钟运行， 并且都具有一定时钟精度的时钟脉冲计数的功能，如l m s 、l p s 或l n s 等，通常在 l “s 这个数量级上，因为大部分控制器的晶振时钟在1 m h z 这个频率数量级上。 现在将一侧的时钟脉冲计数设为主时钟，另一侧为从时钟，即其时钟脉冲计数只 要同步到与主时钟同样大小的时钟脉冲计数值就可实现两侧的时钟同步。由于两 侧的晶振并不完全一样，或即使两侧的晶振的技术指标完全一样，但实际运行时 的两侧的环境温度等条件的差异，都会使得两侧的时钟脉冲计数值在经过一段时 间后出现差异，因此要维持两侧的时钟在一定精度上的同步，即维持两侧的时钟 脉冲计数值之间的差异在一定的范围内，则需要每隔一段时间周期性地同步一次。 同时由于同步指令有关的信息帧在通信通道中传输时存在预先未知的传输时延， 第一章绪论 所以同步算法中还必须考虑传输时延的影响。所谓“乒乓算法”即巧妙地利用了传输 时延的对称性假设来解决以上问题，其具体方法如图1 1 所示。 m a s t e r s l a v e 图1 1 乒乓算法 从时钟侧向主时钟发送同步请求，同时记下发送这一时刻自身的计数值大小 作为，请求信息经过通道时延以到达主时钟侧，主时钟记下接收到请求这一时刻 所对应的自身计数值大小岛，然后经过一定的内部处理后，在厶时刻( 主时钟对应 的计数值大小) 发送请求应答信息，其中包含厶和厶这两个计数值，再经过通道延 时t 。，请求应答信息到达从时钟侧，从时钟侧立即记下接收到信息这一时刻所对 应的自身计数值大小厶，然后将应答信息中的岛和厶这两个数值取出，若假设同步 前两侧计数值的大小在某一时刻的差值为址，则有以下方程成立： f l a t + t d = 乞 式( 1 一1 ) t 3 + a t + 岛= 式( 1 - 2 ) 通过解这两个方程，可求出： t d 2 1 2 ( t , 一) - ( 岛一乞) 】 式( 1 3 ) a t = 1 2 ( t l + ) - ( t 2 + 岛) 】 式( 1 4 ) 这样在从时钟侧计数定时器上加上这个差值垃的大小即可实现两侧时针同步，然 后每隔一定时间重复以上过程即可实时消除两侧晶振信号差异所累积的误差。 其次，如上述所提到的，该算法成立的前提条件是假设数字通信通道的传输 时延在两个方向上是完全对称相等的。这一假设在大多数情况下是成立的，特别 是在总线网络下由于双方向信号都是经过同物理媒介，这一条件自然得到满足。 但在一些可动态进行路由选择配置的通信网络中若双方向信号的路由选择不是同 一物理路径，则传输时延会出现明显差异从而破坏了以上算法的成立条件，导致 同步出现明显的固有误差或同步失效。在这种情况下可以通过与通信部门沟通要 求与同步两侧相关的路由选择配置为信号通道双方向对称，即经过同一物理路径， 从而保证该算法的成立。 再次，为了保证两侧的同步误差维持在一定精度范围内，需要周期性地重复 以上同步算法，同步周期越短，则所能达到的同步精度就越高，但同时所占用的 通信通道的通信容量带宽比例就越大，因此需要根据具体的应用所需要的精度和 通信通道所能提供的通信带宽选择一个合理的同步周期。如在1 0 0 p p m 的晶振频率 精度下，理论上，如果1 s 同步一次则同步偏差可控制在1 0 0 9 s 的范围内，如l m s 同 4 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 步一次则同步误差可控制在微秒或微秒以下的精度。 由以上原理可以看出，该“乒乓算法”最大的优点在于可以利用各种现有的点对 点异步通讯通道，在通信协议的应用层完全由软件来实现，无需为此更改或增加 任何专用的硬件配置。更进一步，在软件模块化设计的控制器设计中，算法甚至 可以放到控制器内部有时间同步要求的应用软件模块内，这样当作系统配置时需 要该相关应用软件模块与该算法一同配置，而无需该功能时则整体退出配置，可 以更加优化控制器的按需配置。但其限制条件也非常明显，除以上通道延时对称 性和周期性同步通信带宽的要求外，、乞、岛、气四个时标的精确性也直接应用 到两侧时钟同步的精度。由于大部分通信协议都是采用分层次来实现，即应用层 协议的数据包发出到数据链路层将数据帧真正发送到物理层的网络媒介上之间时 存在一定的延时。对于采用无阻塞的电路连接通道，该延时比较小而且比较稳定、 分散性小，而对于共用网络媒介的总线类通道，该延时随机性很大，因为对于某 一个控制器来说通道并不是每时每刻都可用，这就直接影响到以上算法的时间同 步精度上限，所以一般来说，完全采用软件实现的以上算法其时钟同步精度几乎 不可能做到微秒以下的精度。另外，对于现场总线类的应用，若将同一总线上所 有的节点均按照以上点对点的方式来进行相互间的时钟同步，则网络通信量和主 时钟节点控制器的负荷率将呈指数增长，使得即使要达到毫秒级的时钟同步精度 都很困难。 总之，以上算法对于点对点之间的应用软件时钟同步，可以在异步通讯的模 式下很好地实现。但对于要在现场总线类的应用中同步接入总线上的所有控制器， 直接采用该算法在实践中不太可行。同时，要进一步提高时钟同步精度，则需要 对算法作进一步的改进。 于是，在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，i n t e r n e t 网络时间协议n t p 和简单网络时 间协议s n t p 等得到了初步的发展，一直到目前的网络时间协议第四版，网络同步 技术经历了萌芽快速发展基本成熟继续发展等阶段，这里首先简单 介绍n t p 同步协议原理。 n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) 基于无连接的i p 协议和u d p 协议， 目的是在分散 的，包括很多网关和不可靠子网的i n t e m e t 环境中提供精确和健壮的时间服务。n t p 使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对 设备以及进程延迟的严格控制。目前精度在局域网内可达l o 。毫秒，在广域网可 达几十毫秒。n t p 支持三种时间传送模式：多播模式、客户服务器模式及对称模 式，采用时可根据需要进行选择。在典型配置中，n t p 利用多个冗余服务器及多 条网络路径来获得高准确度与可靠性。在有些配置中，包括加密与验证机制，有 些还提供了基于i p 多播的时间服务器自动发现机制。 n t p 主要是用来测量数据包在网络上来回往返的时间延迟和估算计算机时钟 第一章绪论 偏差，达到在网络上实现高精度电脑校时的目的，它是设计用来在i n t e r n e t 上使不同 的机器时间同步的一种通信协定。n t p 协议是用在分布式时间服务器和客户端之 间进行时间同步的，它定义了协议实现过程中所要使用的结构、算法、实体和协 议。n t p 协议是基于i p 和u d p 的，也可以被其他协议组使用。n t p 是从时间协议 ( t i m ep r o t o c 0 1 ) 和i c m p 时间戳报文( i c m pt i m e s t a m pm e s s a g e ) 演变而来，主要是 从准确性和强壮性方面进行了特殊的设计。 n t p 协议实现主要采用客户服务器结构，而且在性能差异很大的客户端及服 务器均能应用，适用于客户端及服务器所在网路有大范围的网络延迟和抖动的情 况。在n t p 中没有专门的虚电路管理，数据报完全通过i p 和u d p 传送，也没有流控 制和重发措施。在实现时间同步的过程中，主要是计算本地时钟和服务器时钟之间 的偏差以及网络路径的延时。网络延时和时钟偏差的测量过程如图1 2 所示。 2 ：4 6 j 8 一： 1 0 一1 2 j 1 1 4 1 6 一；1 8 2 0 一 4 i ? _ | - 一卜啼卜叫 b 低山 ，t l - i圮一： 图1 2 网络延时和时钟偏差的测量过程 设客户端发送时间同步请求时的本地时间为互，服务器端收到同步请求时的服 务器时间为乃，服务器端回送时间同步信息时的服务器时间为五，客户端接收到同 步信息时的本地时间为五，t 为服务器端和客户端的时间偏差，互到互的路径延迟 为d l ，乃到乃的路径延迟为畋。由： z + + o f f s e t = 乃 式( 1 5 ) 乃+ t = 正式( 1 6 ) 互一o f f s e t + f 2 = 瓦 式( 1 7 ) 则在网络上所用延时 d e l a y = 厶+ 厶= 正o f f s e t z + 乃+ o f f s e t 正 一j = ( 五一石) - ( 互一互) 式( 1 8 ) 时间偏差 o f f s e t = ( 五一墨- t l + 互+ 乞一五) 2 6 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 2 ( 互一互) + ( 乃- 瓦) + ( 乞一f 1 ) 2 式( 1 9 ) 假设岛一毛，就得到 o f f s e t = ( 互- 五) - i - ( 墨- 五) 2 式( 1 1 0 ) n t p 适用于整个无序的i n t e m e t ，而对于简单的末端子网络，s n t p 更适用。s n t p 基于n t p ，两者之间的丰要差别在于，n t p 提供了错误管理和复杂的过滤系统，而 s n t p 没有，所以s n t p 可达的精度不及n t p 高，适用于对时间要求不是十分严格的 网络。 1 3 国内外的研究现状 测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 到v x i 再到p x i ( p c ie x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ，面向仪器系统的p c i 扩展) ，测试仪器也由机架式发展到了插卡式。 但是测试与测量对数据传输与处理综合要求的逐步提高使得这种发展已经远远不 能满足人们的需求，于是以太网以其优秀的传输性能开始被广泛采用。 i e e e1 5 8 8 的典型应用领域是实验室或产品测量和控制系统、工业自动化、电 力系统或远程通信系统以及包含多个传感器、执行器、仪器仪表和控制器的分布 式运动控制系统。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。 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 ps y n c ， 作为对e t h e m 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。各个站点上的电路 采用以太网的标准硬件芯片，需要附加硬件辅助，如f p g a 。 e p s g ( e t h e m e tp o w e r l i n k 标准联盟) 已经计划将该协议作为e p l ( e t h e m e t p 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 tv 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 也研究采用该协议或类似的方法来保证时间同 步。这两种方案都需要专用的a s i c s 。 h i r s c h r n a n n 公司提出了一种i e e e1 5 8 8 同步模型( 如图1 3 所示) ，硬件部分 包括一个高精度的实时时钟和一个时间戳单元，来产生时间戳，软件部分与实时 时钟和硬件时间戳单元绑定实现i e e e1 5 8 8 协议。h i r s c h m a n n 已经在它的m i c e 模 块化以太网交换机上测试了i e e e1 5 8 8 增强插件模块，并发现其同步精度在最大 抖动时为士1 0 0 n s ，且主、从时钟之间偏移量的频率分布总计为2 3 9 5 n s ，平均为 第一章绪论 圈13h i r s c h m a n n 同步模型 r o c k w e l l a u t o m a t i o n 也在其开发的分布式控制系统样机中使用了i e e e1 5 8 8 ， 这种控制系统包括三个运动控制器( 如图14 所示) ，每个控制器都利用一块 s e r c o s 卡并通过s e r c o s 与一个骄动器相连，且每个驱动器都连接一个运动 轴，但其中一个被指定为丰轴，而另两个则被指定为从轴。由于丰轴控制器周期 性地向每一从轴控制器发送位置参考信息，因而使每一从轴都能与主轴以一比一 的比率相咬合。所有节点上的时钟( 运行于5 0 m h z p o w e r p c c p u 上) 通过i e e e 1 5 8 8 并借助以太网而被同步。 8 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 图1 4r o c k w e l l 运动控制器模块图 第二章i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议概述 9 第二章i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议概述 2 1p t p 协议的基本概念介绍 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”， 它是 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定时同步，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) 的内时钟与丰控机的主时钟实现同 步，提供同步建立时间小于1 0 p s 的运用，与未执行i e e e l 5 8 8 协议的以太网延迟 时间1 0 0 0 1 a s 相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。 p t p 标准要求以下两点：p t p 协议；节点和通信设施必须支持p t p 。p t p 协议 包含两个方面，一个是同步一个是管理。 一个1 5 8 8 精密时钟( p t p ) 系统包括多个节点，每一个都代表一个时钟，时钟之 间经由网络连接。i e e e1 5 8 8 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 y c l o c k ) 和边界时钟b c ( b o u n d a r yc l o c k ) ，只有一个p t p 通信端口的时钟是普通 时钟，有一个以上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。从 通信关系上，一个简单系统包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个 潜在的丰时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。这些状态随 着网络构造的改变而改变。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。理论上 任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个p t p 通信子网内只能有一个主 时钟。 图2 1i e e e l 5 8 8 时钟架构 整个系统中的最优时钟为最高级时钟g m c ( g r a n d m a s t e rc l o c k ) ，有着最好的 稳定性、精确性、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 l o i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 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。 为了管理时间信息，p t p 协议定义了四种多点传送的信息类型：一种是同步 信息，简称s y n c ；一种是s y n c 之后的信息，简称f o l l o w：一种是延时要求信up 息，简称d e l a y _ r e q ；还有一种是d e l a y _ r e q 的回应信息，简称d e l a y _ r e s p 。收到 的信息回应是与时钟当前的状态有关的。为了简化问题，我们先考虑一个主时钟 与一个从时钟的同步过程： a 主节点每2 秒钟( 同步报文的间隔是可设置的，这里假设为2 秒) 向从节点发送 一个“同步”( s y n c ) 报文。这个报文是由主节点打上预计的发送时间标记的报 文，但是由于预计的发送时间和实际的发送报文发送本身可能的延迟，实际时 间标记不能随“同步”报文一起发送。这个“同步”报文在接收端被从节点打上接 收时间标记( 为了提高精度，应在物理层或接近物理层的位置检测、记录和标 识发送或接收时间) 。i e e e l 5 8 8 规范制定了可选件“硬件辅助”设计来实现这个 精度的提高。 b 第二步主节点向从节点发送一个“跟随”( f o l l o wu p ) 报文，这个报文包含先 前的同步报文准确的发送时间的标记。从节点利用这两个时间标记可以得到它 与主节点的延迟，据此可调整它的时钟的频率。 c 从节点向主节点发送“延时请求”( d e l a y报文延时请求报文的间隔是request) 独立设置的，一般应较同步报文间隔长) ，这个报文是由从节点记录它的准确 发送时间，由主节点打上准确的接收时间标记。 d 主节点向从节点返回一个“延时响应”( d e l a y报文，这个报文带着response) 先前的“延时请求”报文的准确的接收时间标记，从节点利用这个时间和由它所 记录的准确的发送时间，可计算出主节点和从节点之间的传输延迟并调整它的 时钟漂移误差。 2 2p t p 协议同步原理 p t p 协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通 过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。这个同步过程分为两个阶段：偏 移测量阶段和延迟测量阶段。 第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差，称为偏移测量。如下图所示： 第二章i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议概述 1 1 m a s t e r t i m e - - - t - m s + s l a v e t i m e it i m e b - l a m p s； ik n o w nl a ys l a v e i ： l ： ： l ： l： ： ： ；l l ： it 2i ： ： ： ：l ；t 1 t 2 ； ： ： l： ： ： ；t 1 t 2 t 3； ： ： ： l ；： l： ：l ；： ： ： ：； ： ： ： ： ：l ；： ： ： ： l ： lt 1 t 2 t 3 t 4； ；： 图2 2 偏移测量 m a s t e r 发送s y n c 消息到s l a v e ，并且表明发送的时刻t l 。 s l a v e 接受s y n c 消息并且标注接受的时刻t 2 。 m a s t e r 通过以下方式把时间戳t 1 搬运到s l a v e ： 1 把时间戳t l 埋到s y n c 消息里面。这要求某种硬件处理已达到很高的精度； 2 把时间戳t l 埋到第二个发送的f o l l o wu p 消息里面。既然对定时不是很严这 可以由软件来做。 s l a v e 发送d e l a y 消息到并且表明发送的时刻。rex m a s t e rt 3 m a s t e r 接收d e l a y消息并且表明接收时刻t4。req m a s t e r 把时间戳t 4 埋在d e l a y 消息里面，发送给 。 这些过程结束后， 获得了r所e有sp的四个时间戳。这些sl时av间eslave 戳用来计算主从 之间的o f f s e t ( 偏移量) 和主从之间的平均传播延迟。也就是t - m s 和t - s i n 的平均值。 计算o f f s e t 和传播延迟时假定s l a v e 到m a s t e r 和m a s t e r 到s l a v e 之间的传播延迟是 相等的。传播延迟的不对称性将造成o f f s e t 计算的错误。计算的平均传播延迟和实 际的传播延迟因为非对称性而不同。 为了提高修正精度，可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进 来，即延迟测量，这是同步过程的第二个阶段，如图2 3 所示。 i l 1 2 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 p o r t - 1 t i m e - - - 1 - t m s 士 t 。 t - s m 一主1 4 p o f l 2 t i m e 图2 3 延迟测量 彼此相连的两个端1 3 都使用p d e l a y 机制来测量链路延迟。所有应用这种测量 机制的端口都可以独立的进行链路延迟的测量并且获得链路延迟量。因此矫正值 的计算是不用考虑s y n c 消息的方向的。这种测量在不包含p t p 算法的模块上存在 是很重要的。 链路延迟的测量从端口p o r t 1 开始，为p d e l a y 消息产生时间戳。端口 接受并且打上时间戳t 2 。为了减小端口 处理时_ r e 间q 所造成的时间错误t l p o r t 22 ，端口 p o r t 2 尽快地产生包含时间戳t 3 的p d e l a y消息(需要硬件协助完成)或者是_resp p d e l a y _ r e s p _ f o l l o w p 消息。端口p o r t 一1 产生接收p d e l a y _ r e s p 时刻的时间戳t 4 。 端口p r o t 1 根据这四个时间戳计算出链路的平均延迟。 传输延迟t - m s 和t - s i n 的不对称性将会产牛链路延迟的计算错误。如果产生时 间戳t 2 和t 3 的装置和g r a n d m a s t e r 产生s y n c 消息的装置具有不同的精度，那么在 链路的延迟测量中就引入虽然小但是很重大的错误。错误的根源就是在 g r a n d m a s t e r 中的振荡器和在p e e r - t o p e e r 时钟中的振荡器的频率有小小的差别。如 果这种错误的影响很大，那么在p e e r - t o - p e e r 时钟就会同步到g r a n d m a s t e r 。 2 3p t p 协议的同步模型 p t p 消息有两种类型：e v e n t 和g e n e r a l 。e v e n t 消息是定时消息，在发送和接 收的时候产生时间戳。g e n e r a l 消息没有被定时，也没有时间戳产生。 第二章i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议概述 1 3 e v e n t 消息包括：s y n c 、d e l a y _ r e q 、p d e l a y _ r e q 和p d e l a y _ r e s p 。 g e n e r a l消息包括：a n n o u n c e 、f o l l o w p 、d e l a y j t e s p 、 p d e l a yr e s p _ f o l l o w _ u p 、m a n a g e m e n t 以及s i g n a l i n g 。 s y n c ，d e l a y _ r e q ，f o l i o 、_ - u p 和d e l a y _ r e s p 消息用来产生普通时钟和边界时 钟之间的定时信息，以及负责定时信息的收发。 p d e l a yr e q ，p d e l a y _ r e s q ，p d e l a y _ r e q _ f o l l o w - u p 消息用来测量两个时钟端 的口链路延迟。链路延迟用来修正p e e r _ t o _ p e e r 时钟透传时的s y n c 和f o l l o w _ u p 中的时间戳信息。 a n n o u n c e 消息用来建立同步层次。 p t p 设备有五个基本的类型：普通时钟、边界时钟、e n d t oe n d 透传时钟、 p e e r - t o p e e r 透传时钟和管理节点。 普通时钟模型如下图： 图2 4 普通时钟模型 边界时钟通过基于一个物理接口的两个逻辑接口与网络通信，e v e n t 接口收发 e v e n t 消息( 被基于本地时钟的时间戳引擎打上时间戳) ，g e n e r a l 接口收发g e n e r a l 消息。普通时钟可以作为g r a n d m a s t e r 时钟或者s l a v e 时钟。 当处于s l a v e 状态时，本地时钟的控制环路调整本地的时钟与主时钟同步，处 于m a s t e r 状态时，本地时钟自由振荡，或者同步于外部的定时源，比如g p s 。 边界时钟模型如下图： 1 4 i e e e l 5 8 8 协议频率同步的实现 图2 5 边界时钟模型 边界时钟具有几个物理端口，每个物理端口通过两个逻辑端口( e v e n t 和g e n e r a l ) 与网络相连。除了以下几点，边界时钟端口与普通时钟没有什么区别 a ) 对于所有的边界时钟端口，数据设置是相同的。 b ) 对于所有的边界时钟端口，本地时钟是相同的。 每个协议引擎增加了额外的功能，来判定哪个端口提供的定时信号是用 来同步本地时钟的。 和同步以及主从层次建立的相关的信息，将在边界时钟的协议引擎里终止，不 会继续向前传输。管理消息可以继续通过边界时钟传输。 上图中边界时钟模型仪仪用于p t p 消息。对于非p t p 消息，边界时钟作为普 通的网络单元，比如，s w i t c h ，r e p e a t e r , 或者r o u t e r 。 e n d t o e n d 透传时钟模型如下图： 第二章i e e e l 5 8 8 精确时钟同步协议概述 1 5 p 略 h 、_ 一一 p - k 、-，。 r - l f 磕h m 缸拍 。 p 。舱 沙 l 喃。d 碱 、 p 晦 h 、i 、 、“一t 、h 。h 1 、l r _ 。4 、。、。 、。“。 厂一丫一 l o t 咖矗 ( o p e n 柏 f k 。- - h i i。厂、。 4 m r 藿l 酶h l 哺霸算- 一丫 0 l 糍气l h 一洲蝴h 。稿。 ii 一 嘲i 翻謦 - , 1 1 , - l 艄a嗍u l -o 靠| 幽r f a u ,u 图2 6e n d - t o - e n d 透传时钟模型 e n d t o e n d 透传时钟模式，像普通的s w i t c h ，r o u t e r 或者r e p e a t e r 一样向前发送 所有的消息。但是对于p