IEEE1588时钟同步实现方式研究

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AResearchonImplementationofIEEE1588

王芸杨彬

（中环天仪股份有限公司300384）

摘要:IEEE1588(用于网络测量和操纵系统的周密时钟同步协议)在有时刻同步要求的实时以太网工业应用中，以其成本低，精度高在短短几年内获得广泛应用。本文从技术开辟的有用角度对此协议做了深入、直观地阐述和详解，涵盖了研发过程中的要紧技术难点和重点，并对也许浮现的应用误区做了分析。

关键词：IEEE1588时钟同步时刻戳

1引言

随着工业以太网技术在自动操纵领域的应用愈加广泛的应用，以太网数据传输对实时性的要求也越来越严格，在兼顾精度和低成本方面，已有的时刻同步技术如NTP/SNTP、GPS等在实时以太网中别具备有用优势。正是在此背景下，IEEE1588(简称PTP,PrecisionTimeProtocol)以标准形式公布出来，其低成本、高精度特点使得该技术在短短几年内便在自动化领域获得了广泛的推广和应用。。它最初由AgilentLaboratories（安捷伦实验室）开辟用于测量和操纵系统，后来得到IEEE的赞助，并于2002年11月得到IEEE批准，目前最新版本是2008年7月公布的PTP协议V2。

2PTP时钟同步机理

2.1系统结构

图1主从时钟系统拓扑结构图

PTP系统结构模型如图1所示，它由一具或多个PTP子域组成，每个子域包括一具或多个彼此通信的时钟。按工作原理能够分为：一般时钟和边界时钟。区不是一般时钟惟独一具PTP端口，而边界时钟包括多个PTP端口。在网络中，每一具PTP时钟都有也许处于下面两种状态：从时钟(SlaveClock)、主时钟(MasterClock)，处于主时钟状态的设备被以为是最精确时钟，它将同步从时钟的时刻，但在同一具通信子域内只能存在一具主时钟。时钟的具体状态由最佳主时钟算法决定。

在系统网络中终端设备（也被称为节点）均为一般时钟，而边界时钟（具备PTP功能的路由器，交换机等网络设备）在网络中起到将多个PTP子域联接的作用。

2.2PTP时刻同步方式

PTP协议实现思路为：在PTP网络系统中各个时钟设备经过周期性交换带有时刻信息的报文来举行主从时钟间偏差(Offset)和网络时延(Delay)的计算，进而纠正偏差，补偿时延，实现时刻同步。

如图2所示[1]，主、从时钟之间存在四种类型的报文交换。报文交换期间产生四个发送或接收时间值，此动作称之为打时刻戳事件，这四个数值用来计算偏差和时延以同步从时钟。在测量过程中，假设传输介质是对称均匀的。

图2PTP报文交换

从图中能够看出t1、t2、t3、t4这四个时刻戳值来自发送和接收Sync和Delay_Req报文的时间。Follow_up和Delay_Resp报文中传输的是前一时间主时钟打时刻戳的数值，而别是发送对应报文时间的时刻值。偏差、时延和时刻戳数值关系如下：

Delay+Offset=t2-t1

Delay-Offset=t4-t3

Delay=((t2-t1)+(t4-t3))/2

Offset=((t2-t1)-+(t4-t3))/2

3PTP要紧开辟内容概要

3.1时钟同步实现方案挑选

标准以太网

软件IEEE1588方案NTP

PTP标准MAC

标准PHY

硬件辅助IEEE1588PTPTCP/IP/UDP

TCP/IP/UDP标准MAC定制FPGA或者微操纵器专用PHY芯片带有硬件PTP时刻戳功能的专用PHY芯片+时钟+GPIO人工操纵过程操纵动作操纵周密操纵

100μs-10μs100ns-50ns100ms5ns

图3时钟同步实现方案的挑选

网络时刻协议（NTP）已是以太网时刻同步的传统方式，它允许时刻同步达到100毫秒。从图3能够看出，采纳PTP能够实现更严格的操纵。其中单纯采纳软件PTP（典型特征为软件时刻戳）精度为微秒级，而采纳硬件辅助的PTP方案（典型特征为硬件时刻戳）能够实现纳秒级的时刻同步性能。

3.2周密时钟源的挑选及设计

PTP时刻戳数值的最小单位是纳秒，所以怎么获得计时单位至少为1ns的高精度、高稳定性定时器同时在其运行时只是多消耗系统资源也成为PTP开辟要思考的要紧咨询题之一。

定时器的挑选和PTP协议实际开辟所用的操作系统有关，假如操作系统本身已自带高精度系统计时功能，无需额外开辟，否则就需要思考用纯软件或软硬件结合方案的方式来获得高精度时钟源。

3.3PTP最佳主时钟算法

最佳主时钟算法（BestMasterClockAlgorithm）。它由两部分算法组成：数据集比较算法和状态定断算法[2]。前者的作用是依照同步报文别同的数据集，把合格的同步报文都举行比较以筛选出可用最佳报文，确定最佳主时钟。后者在确定所属PTP子域主时钟后，依照别同数据集的信息进一步计算出每个时钟各个PTP端口的具体推举状态（共八种）：初始化、故障、禁止、监听、主时钟、待机、从时钟、未校正等,依照这些状态本地时钟去做出对应的反应。

该算法运行在PTP子域中时钟的每个PTP端口，依照运算分析结果，动态调整各个时钟和端口的状态，因此在当前主时钟故障或性能下落时，系统可以自动挑选其他更合适的时钟来代替它作为主时钟。

3.4从时钟伺服算法

作为从时钟，它需要收集上文中提到的四个时刻戳数值来举行一系列运算，进而使从时钟每隔一定时刻纠正本地时钟时刻，保持与主时钟时刻同步。具体涉及到偏差和时延的计算，从时钟时刻的纠正和更新。

3.5PTP相关报文的传递

PTP共定义了五种类型的报文：Sync、Fowllow_up、Delay_Req、Delay_Resp和management。其中Sync和Delay_Req称为事件报文（eventmessages），事件报文在发送和接收时都产生了计时事件，猎取了本地时钟时刻戳；其余三种报文被称为一般报文(generalmessages)，Fowllow_up和Delay_Resp用来传递事件报文传递过程中的时刻戳信息，management报文不过用来传递一些治理单个时钟和系统所有时钟的信息[3]。需要注意的是事件报文和一般报文基本上以多播模式传送。

PTP报文在发送时依照PTP端口具体状态来决定端口发送的报文类型或进一步执行的动作。比如：假如是主时钟，发送的是Sync、Follow_up或Delay_Resp报文中的一种而且关于其事件报文要在发送时打时刻戳，从时钟发送报文只能是Delay_Req，同时也需要打时刻戳动作；关于接收报文动作，本地时钟除了推断依据端口状态外，事件报文类型存在打接收时刻戳事件。从从时钟角度来讲，从时钟接收到来自主时钟Sync、Fowllow_up两种后举行本地时钟偏差纠正，收到Delay_Resp报文后即举行网络时延补偿实现与主时钟时刻同步。

4PTP时钟同步精度妨碍因素

PTP时钟同步的同步结果受到多方面因素的妨碍，在实际的设计中需要在以下几方面提起注意：

时刻戳位置：如图4所示，在所有时钟同步的相关协议中，时刻戳标记浮现在以下3个位置：应用层、驱动层或MAC与PHY之间。经过报文的传输过程分析，能够看出，时

间戳越接近以太网底层即真正意义上的发送和接收位置，时刻误差越小，在PTP协议实现时，时刻戳应做到尽可能标记点接近底层，即在MAC层和PHY层之间的位置，具体实现需要思考到时刻戳怎么传递到应用层等细节工作。这部分工作是PTP设计开辟中需要重视的环节。

图4时刻戳标记备选位置

同步间隔：PTP在一定时刻内同步的次数越多，网络内时钟的精度越高，具体同步间隔在设计时能够依照需要举行设置。其他妨碍因素还有时钟的稳定性、精确度，网络传输过程中的颤动（滤波、统计办法来消除），以太网中交换机或路由器报文转发带来的时延（使其支持PTP,成为边界时钟能够解决此咨询题），网络传输带来的颤动等。这些因素直截了当决定了PTP实现的精度级不。

5结束语

PTP协议以其突出的代表性，同时是开放式，如今差不多有许多操纵系统的供应商将该标准应用到他们的产品中去，如ODVA将其融入EtherNet/IP，命名为CIPSync，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都差不多将产品扩展到了1588标准。

目前IXXAT公司已开辟出PTP协议栈软件开辟包，这减少了技术人员在明白PTP协议深层次内容的投入精力，缩短了开辟时刻，提高了研发效率。

参考文献：

[1]HansWeibel.IEEE1588Impl