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基于IEEE1588高精度網(wǎng)絡時鐘同步的研究

2011-03-06 09:17李曉珍蘇建峰
通信技術 2011年3期
關鍵詞:延時報文時鐘

李曉珍,蘇建峰

(①中國科學院國家授時中心,陜西 西安 710600;②中國科學院研究生院,北京 100080 )

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展和分布式系統(tǒng)的大規(guī)模應用,使得各個控制節(jié)點之間的時鐘同步變得越來越重要,因此對時鐘同步精度提出了更高的要求?,F(xiàn)有的一些時鐘同步協(xié)議如NTP并不適用于分布式測控領域,它主要應用于較大規(guī)模系統(tǒng)的同步,精度一般只能達到毫秒級[1]。

針對局域網(wǎng)多播環(huán)境和更高的同步精度要求,2002年IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議IEEE1588V1.0應運而生。為了解決V1.0中雙時鐘機制不能獨立執(zhí)行、時間戳表示局限性、全球IP枯竭等問題,2008年頒布IEEE1588V2.0。V2.0比V1.0有較大的改進,下面主要對IEEE1588V2.0所引入的新技術進行分析。

1 IEEE1588時鐘同步的基本原理

一套 IEEE1588系統(tǒng)由許多設備(節(jié)點)組成,每個設備都有自己的時鐘系統(tǒng),時鐘之間通過網(wǎng)絡相連,通過周期性地發(fā)布帶有時間戳的信息包,使各個節(jié)點的時鐘得到同步。

按照工作原理可以將 IEEE1588的時鐘分為兩類:普通時鐘(Ordinary Clock)和邊界時鐘(Boundary Clock)。只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘,有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘,每個PTP端口提供獨立的PTP通信。按照通信關系又可將時鐘分為主時鐘和從時鐘,理論上任何時鐘都能實現(xiàn)主時鐘和從時鐘的功能,但一個PTP子網(wǎng)內只能有一個主時鐘。主時鐘擔當時間發(fā)布者的角色,從時鐘擔當接收者的角色。

PTP采用主從(Master-Slve)模式,主要定義了四種多點傳送的時鐘報文類型:同步報文 Sync、跟隨報文Follow_Up、延遲請求報文 Delay_Req和延遲請求響應報文Delay_Resp,其實現(xiàn)原理如圖1所示。

在進行時鐘同步時,首先子網(wǎng)中的所有時鐘通過最佳主時鐘算法(BMC,Bestmaster Clock)確定自己的狀態(tài),從而確定子網(wǎng)中的主時鐘[2]。整個系統(tǒng)中的最優(yōu)時鐘為最高級時鐘(GMC,Grandmaster Clock),有著最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。

圖1 IEEE1588時鐘同步基本原理

同步過程分為兩個階段:偏移測量階段和延遲測量階段。

第一階段:偏移測量階段,修正主時鐘和從時鐘之間的時間偏差。主時鐘周期性(一般為2 s)地給從時鐘發(fā)送Sync報文,這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘隨后發(fā)送Follow_Up報文,該報文攜帶Sync報文準確的發(fā)送時刻t1。從時鐘在收到Sync報文后記下報文的精確到達時間t2。根據(jù)t1和t2可計算出主時鐘和從時鐘之間的時間偏差(Offset),由于此時對同步報文的傳輸延時(Delay)未知,先假設為零[3]。

第二階段:延遲測量階段。從時鐘向主時鐘發(fā)送一個延遲請求Delay_Req報文,同時記錄該報文的實際發(fā)送時間t3。主時鐘記錄延遲請求報文到達的準確時間t4,然后在延遲請求響應報文Delay_Resp中把t4送回到從時鐘。根據(jù)t3和t4可計算出報文的傳輸延時 Delay,再次對本地時鐘進行調整。延遲測量是不規(guī)則進行的,其測量間隔時間為4~60 s之間的隨機值,這樣可以使網(wǎng)絡的負荷不會太大[3]。

假設報文由主時鐘到從時鐘所用的時間與報文由從時鐘到主時鐘所用的時間相同,則:

從式(1)和式(2)計算出主從時鐘之間的 Delay和Offset,并根據(jù)此調整從設備的本地時鐘,完成一次時間同步。

2 IEEE1588V2.0相對于IEEE1588V1.0的改進

因為IEEE1588V2.0在IEEE1588V1.0的基礎上從同步原理、同步過程等方面作了改進,使得 V2.0不能向下兼容,所以V1.0和V2.0時鐘不能直接進行同步。下面比較兩個版本,主要介紹V2.0相對V1.0的一些重要改進。

2.1 增加點延時機制

V1.0提供延遲請求-響應機制,V2.0提供兩種機制,延遲請求—響應機制和點延時機制,用于測量一對端口的平均路徑延時[4]。與V1.0相比,增加了Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Announce和Signaling報文,如圖2所示。

圖2 點延時機制原理

點延時機制用于測量端口到端口的傳輸延時,如鏈路延時。此測量應在設備的所有端口中進行,包括被底層協(xié)議阻塞的端口。鏈路延時應獨立地在各個端口之間進行。在普通及邊界時鐘中,點延時機制應根據(jù)該端口是主時鐘還是從時鐘而獨立進行。

點延時機制操作步驟如下。

測量開始之后,端口A向被測端口B發(fā)送Pdelay_Req報文,記下發(fā)送時間t1,端口B在收到Pdelay_Req報文后記下接收時間t2。接著端口B發(fā)送Pdelay_Resp報文,記下發(fā)送時間t3,端口A在收到Pdelay_Resp報文后記下接收時間t4。端口 B之后將t3與t2的差值 Δt(Δ t=t3-t2)以Pdelay_Resp_Follow_Up報文的形式發(fā)送給端口A[2]。

從端口A到端口B的延時為:

從端口B到端口A的延時為:

假設從端口A到端口B的延時和從端口B到端口A的延時相等,即 tAB=tBA,則端口A與端口B之間的網(wǎng)絡延時t為:

由式(3)、式(4)、式(5)得:

2.2 時間戳表示方法的改進

線路延時主要由通信棧和物理網(wǎng)絡上傳輸?shù)难訒r組成。NTP協(xié)議在應用層加入時間戳,由于通信棧軟件的執(zhí)行過程中不確定性很大,使通信棧延時的抖動相對較大,對同步精度產(chǎn)生了較大的影響。PTP協(xié)議將時間戳下移到MAC層以下,PHY層以上的MII處,有效地提高了精度,如圖3所示[4]。

圖3 PTP時鐘同步模型(在MII處加入時間戳)

V1.0中時間戳的表示為:

Seconds表示時間戳的整秒部分,nanoseconds表示納秒部分,PTP協(xié)議的紀元是1970年1月1日0點0分0秒,只能表示到2106年。

V2.0中時間戳的表示為:

secondsField表示時間戳的整秒部分, nanosecondsField表示納秒部分, 納秒的表示范圍為0≤| nanosecondsField |≤109,并且,加入了一個新的數(shù)據(jù)類型——時間間隔數(shù)據(jù)類型[5]。

它是一個 64位有符號整型數(shù),可以使時間分辨率達到納秒的 1/216,提高了同步精度。

2.3 通明時鐘模型的引入

大多數(shù)局域網(wǎng)的物理拓撲結構采用星形結構,當節(jié)點與節(jié)點通過邊界時鐘連接起來的時候,容易產(chǎn)生時間誤差的累積。為了更好的解決這個問題,在 V2.0中引入了透明時鐘模型。

透明時鐘模型分為兩種:端對端透明時鐘模型和點對點透明時鐘模型。這兩種模型都是讓通用報文正常通過,事件報文經(jīng)過處理,將延遲時間累加到信息包的時間修正域中[6]。

端對端透明時鐘:事件報文從主時鐘發(fā)送到從時鐘的過程中,端對端透明時鐘接收端口到發(fā)送端口的延遲時間累加到時間修正域中。以同步報文為例,如圖4所示。

圖4 端對端透明時鐘同步報文的傳送

點對點透明時鐘:它是專門針對點延時機制而建立的,能夠自動測量每個端口與所連接端口間的平均網(wǎng)絡傳輸延遲時間。事件報文從主時鐘發(fā)送到從時鐘的過程中,除了將報文在透明時鐘內的滯留時間累加到修正域外,還將鏈路延時累加到修正域中。以同步報文為例,如圖5所示。

2.4 其他方面的改進

V1.0基于 IEEE802.3 標準支持 UDP/IPV4協(xié)議。V2.0在支持原有協(xié)議的基礎上,支持新的網(wǎng)絡協(xié)議,如UDP/IPV6、PROFINET、DeviceNet/ControlNet 等。

V1.0采用雙時鐘同步模型,即發(fā)送Sync之后要接著發(fā)送Follow_Up,F(xiàn)ollow_Up包含Sync發(fā)送的精確時間。V2.0增加了單步時鐘模型,即在 Sync中直接包含了它本身發(fā)送的準確時間,不需要再發(fā)送一個跟隨報文。

V1.0不支持報文信息擴展,V2.0通過TLV支持報文的信息擴展[7]。

3 結語

V2.0與V1.0相比,有了很大改進。提高了信息交換速率和同步精度,且具有較低的開銷,易于實現(xiàn),V2.0將會逐漸取代V1.0。當然,V2.0中也存在一些尚待進一步研究的問題,如主時鐘容錯性能,振蕩器的穩(wěn)定性對時鐘的影響等,相信今后會更加完善,會有功能更強大,精度更高的新版本被開發(fā)出來。

[1] IEEE Std 1588?-2002.IEEE Standard for a precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

[2] 戴寶峰,崔少輝,常健.IEEE1588最佳主時鐘算法的分析與實現(xiàn)[J].儀表技術,2008(02):29-31,34.

[3] 趙紅,周春福,張春,等.IEEE1588在混合網(wǎng)絡中性能分析[J].通信技術,2010,43(10):89-91.

[4] IEEE Std 1588?-2008.IEEE Standard for a precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

[5] 葉衛(wèi)東,張潤東.IEEE 1588精密時鐘同步協(xié)議2.0版本淺析[J].測控技術,2010(02):1-4,15.

[6] John Eidson.IEEE1588 Version 2 Tutorial.[EB/OL].(2006-10-01)[2010-10-01].www.ieee802.org/1/files/.../as-garner-1588v2-summary-0908.pdf.

[7] 王璇,杜軍.CE/PTN中時鐘同步和實現(xiàn)的一種方法[J].通信技術,2009,42(02):88-90.

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