賈杰峰，郝青茹，尹繼凱，劉連照

(1.中華通信系統(tǒng)有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

時間同步技術廣泛應用于工業(yè)自動化、工業(yè)控制、儀器測量以及通信領域[1]，其中的網(wǎng)絡授時服務已經(jīng)在國民經(jīng)濟中起到了越來越重要的作用，其時間同步精度成為影響國民經(jīng)濟穩(wěn)定運行和國防安全的重要因素。廣泛應用的網(wǎng)絡授時技術主要有精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)網(wǎng)絡授時和網(wǎng)絡時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)授時等[1]。NTP是由美國Delaware大學的Mills教授設計實現(xiàn)的[2]，NTP網(wǎng)絡授時是一種基于軟件時戳的網(wǎng)絡授時技術，其精度一般在毫秒級[3]。文獻[4-8]論述了PTP網(wǎng)絡授時是基于硬件時戳實現(xiàn)的網(wǎng)絡授時技術，具備高精度特點，授時精度一般在納秒級，應用領域更廣。

隨著PTP授時服務應用的推廣，如何獲取PTP網(wǎng)絡授時精度成為急需解決的問題。本文針對該問題提出一種基于IEEE1588協(xié)議的PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測技術的工程實現(xiàn)方法，為授時網(wǎng)絡質量評估、授時服務管理、授時性能監(jiān)測提供支撐。

1 PTP網(wǎng)絡授時原理

1.1 IEEE1588協(xié)議

IEEE1588協(xié)議的全稱是“IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol”，即網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準，簡稱“PTP”[9]。IEEE在2002年發(fā)布的IEEE1588V1，該協(xié)議標準可以達到亞微秒級的授時精度，滿足了各類工業(yè)控制和測量對時間精度要求[10]。2008年IEEE對1588V1版本進行了修訂，發(fā)布了1588V2，協(xié)議中不僅增加了同步時鐘模型，而且定義了P2P和E2E兩種延時測量機制[11]。通過改進，簡化了網(wǎng)絡的復雜性，提高了網(wǎng)絡組網(wǎng)的靈活性和擴展性。

1.2 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測原理

PTP授時監(jiān)測的目的是獲取被監(jiān)測PTP主鐘與監(jiān)測設備的時間差。通過精確記錄報文發(fā)送和接收的時間，并將所獲取的時間通過報文發(fā)送給監(jiān)測設備，由監(jiān)測設備計算出被測設備的授時誤差。PTP授時監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測原理Fig.1 Principle diagram of PTP network timing monitoring

圖1中，同步指令(Sync)，由主時鐘周期性向網(wǎng)內(nèi)廣播，傳遞主鐘時間；跟隨報文(Follow_Up)，主時鐘在發(fā)出同步指令后發(fā)出跟隨報文，將記錄下的同步指令(Sync)，時間戳T1由跟隨指令廣播發(fā)出；延遲申請指令(Delay_Req)，由從鐘設備發(fā)出用以測量路徑延遲；延遲回執(zhí)(Delay_Resp)，由主鐘發(fā)出，返回其接收到延遲申請指令(Delay_Req)的時間戳T4。

PTP信號監(jiān)測過程如下：

① 監(jiān)測設備接收外部參考時間信息，并同步本地時鐘至外部參考時間。

② 接收PTP主鐘的同步指令(Sync)，并記錄接收到該報文的本地時間戳T2。

③ 接收PTP主鐘發(fā)送的Follow_Up指令，從中解出主鐘發(fā)出同步指令(Sync)的時間戳T1。

④ 監(jiān)測設備向PTP主鐘發(fā)送延遲申請指令(Delay_Req)，并記錄下該報文發(fā)出時的系統(tǒng)時間戳T3。

⑤ 隨后接收主鐘返回的延遲回執(zhí)(Delay_Resp)并從中解出主鐘接收到Delay_Req報文的主鐘時間戳T4。

⑥ 監(jiān)測設備根據(jù)系統(tǒng)獲取的4個時間戳T1，T2，T3，T4通過計算即可獲取網(wǎng)絡內(nèi)主鐘與本地時鐘鐘差信息與路徑延遲，完成一次時差監(jiān)測。

一個對時循環(huán)結束后，從時鐘便獲取了T1，T2，T3，T4四個時戳信息。

主從鐘差：

offset=T2-T1-TMS，

(1)

offset=T4-T3+TSM，

(2)

式中，TMS為主端口到從端口信道時延；TSM為從端口到主端口信道延遲。假設通信信道為對等信道，即TMS與TSM相等[7]，即：

delay=-TMS=+TSM。

(3)

將式(1)與式(2)相加，并將式(3)帶入，可得主從鐘差offset：

(4)

將式(1)與式(2)相減，并將式(3)帶入，可得單向路徑延遲delay：

(5)

按指定頻度重復此過程，即可實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的目的。

2 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測實現(xiàn)

PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測技術實現(xiàn)主要包括硬件和軟件。本文從PTP硬件實現(xiàn)方法和軟件實現(xiàn)方法分別進行闡述。

2.1 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備硬件實現(xiàn)

PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備硬件主要包括SFP網(wǎng)絡變壓器、光收發(fā)模塊、物理層芯片、微處理器和電平轉換芯片。

SFP網(wǎng)絡變壓器的主要作用是將物理層芯片的差分信號進行耦合、放大，使芯片端與外部隔離，提高抗干擾能力。物理層芯片主要完成數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準及數(shù)據(jù)編碼等功能，為數(shù)據(jù)鏈路層設備提供標準接口，選用支持PTP協(xié)議標準的物理層芯片，在物理層獲取高精度PTP時戳信息，避免了軟件處理過程對戳精度與穩(wěn)定度的影響[7]。微處理器是網(wǎng)絡授時監(jiān)測的核心，為網(wǎng)絡通信提供介質訪問控制 層硬件支持與TCP/IP協(xié)議棧及PTP協(xié)議棧的運行，同步信息處理、鐘差計算及報文分析等功能。

PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接口向被監(jiān)測時鐘申請時鐘同步，并依據(jù)本地授時時鐘記錄網(wǎng)絡信息包時間戳。通過協(xié)議分析與時戳比對[12]，PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備可計算出主、從時鐘鐘差信息、路徑延遲，并進行PTP協(xié)議相關協(xié)議分析，獲取鐘差信息。

PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備接收基準的1 pps，10 MHz信號以及ToD信息，維持本地時鐘，并運行PTP協(xié)議向PTP主鐘服務器申請時鐘同步，依據(jù)同步協(xié)議計算本地時鐘與PTP服務器時鐘鐘差，并完成鐘差數(shù)據(jù)上報。

PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備硬件工作原理如圖2所示。

圖2 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測硬件工作原理Fig.2 Principle diagram of PTP network timing monitoring hardware operation

2.2 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備軟件實現(xiàn)

由PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測原理可知，為達到監(jiān)測PTP網(wǎng)絡授時精度的目的，PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備必須工作在從鐘模式下，因此PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備的時鐘等級被永久設定為SLAVE ONLY，以保證在授時網(wǎng)絡中監(jiān)測時鐘的等級為最低。

測試開始后，首先進行PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測相關參數(shù)設置，參數(shù)設置內(nèi)容包括：本地IP、本地子網(wǎng)掩碼、本地網(wǎng)關、被監(jiān)測設備IP、報文封裝格式、一步兩步模式、組播域、時延測量機制、單播多播模式及以太網(wǎng)速率等。參數(shù)設置完成后由軟件下發(fā)給監(jiān)測設備，若監(jiān)測設備執(zhí)行參數(shù)后出現(xiàn)錯誤，則給出提示信息，若參數(shù)設置執(zhí)行正常程序則進入開始測試；開始測試后，先進行IEEE1588協(xié)議分析，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)等原始測量數(shù)據(jù)；獲取原始測量數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)存儲。PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備軟件執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測軟件工作流程Fig.3 Work flow chart of PTP network timing monitoring software

3 測試驗證

為了驗證PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備的監(jiān)測功能，搭建的測試環(huán)境如圖4所示。

圖4 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測測試驗證連接Fig.4 Connection diagram of PTP network timing monitoring test verification

使用PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備和Sync-edge綜合時間分析儀分別對PTP授時設備進行測試。PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備、Sync-edge綜合時間分析儀及PTP授時設備分別接收北斗系統(tǒng)信號，向北斗系統(tǒng)時間溯源。PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備和Sync-edge綜合時間分析儀分別通過網(wǎng)線與被監(jiān)測PTP授時設備相連接。PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備通過串口將獲取的鐘差數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控計算機。

測試過程如下：首先將PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備、Sync-edge綜合時間分析儀和PTP授時設備加電預熱1 h，使各設備達到工作穩(wěn)定狀態(tài)；然后保持PTP授時設備狀態(tài)不變，同時開啟PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備和Sync-edge綜合時間分析儀PTP監(jiān)測任務；持續(xù)測試一段時間后，斷開PTP授時設備的北斗天線，繼續(xù)進行監(jiān)測，直到測試結束。

使用PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備對IP地址為192.168.1.228的PTP授時設備進行連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖5所示。

圖5 PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備測試數(shù)據(jù)Fig.5 Test data diagram of PTP network time service monitoring equipment

使用Sync-edge綜合時間分析儀對IP地址為192.168.1.228的PTP授時設備進行連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖6和圖7所示。

圖6 Sync-edge測試數(shù)據(jù)Fig.6 Sync-edge test data diagram

圖7 Sync-edge測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.7 Sync-edge test data statistics

通過測試結果可以看出，PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備與Sync-edge綜合時間分析儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本一致。2組監(jiān)測數(shù)據(jù)的當前偏差和平均偏差出現(xiàn)差異是由于2個設備的零值不同導致的。2組監(jiān)測數(shù)據(jù)在后半部分均出現(xiàn)了跳變，這是由于PTP授時設備斷開北斗天線后，授時精度出現(xiàn)惡化后的結果?？梢姡琍TP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備與Sync-edge綜合時間分析儀均實際反映了PTP授時設備的授時性能。

由此可知，PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備實現(xiàn)了對PTP主鐘的實時連續(xù)性能監(jiān)測，并對測試數(shù)據(jù)進行了平均偏差和標準方差等統(tǒng)計分析，有利于用戶掌握PTP網(wǎng)絡授時精度的相關情況。

4 結束語

本文提出了一種基于IEEE1588協(xié)議的PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測技術，并完成了工程實現(xiàn)。通過實驗表明，PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測設備可以有效地對PTP網(wǎng)絡授時精度進行監(jiān)測。提出的PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測技術實現(xiàn)了對單節(jié)點PTP網(wǎng)絡授時的監(jiān)測，如果改變硬件平臺及相關軟件算法，可以實現(xiàn)對多個PTP網(wǎng)絡授時節(jié)點的同時監(jiān)測，能夠進一步提供PTP網(wǎng)絡授時監(jiān)測能力。