專題技術(shù)與工程廢用PTP技術(shù)分析方強(qiáng)(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)摘要時間同步技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀表測量以及通信等領(lǐng)域,傳統(tǒng)的同步技術(shù)的同步精度比較低,已經(jīng)無法滿足高精度同步的需求,IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)精確時間同步協(xié)議(PTP)的提出,解決了應(yīng)用領(lǐng)域中需要高精度時間同步的問題,它可以通過分組網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),大大降低系統(tǒng)成本。對PTP中的系統(tǒng)模型、同步機(jī)制進(jìn)行了分析,給出了PTP實現(xiàn)時注意的問題。關(guān)鍵詞PP;1588;NP中圖分類號TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1003-3106(2010)02-0061-04Analysis on PTPFANG QiangThe 54th Research institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China)Abstract Time synchronization techniques are widely applied to industrial automation, instrument measurement and telecommunicationbut traditional methods can t satisfy the requirement in some precise time synchronization application. IEEE1588 standard addresses precisesynchronization of clocks in application that needs precise time references. It can achieve highly accurate synchronization over pnetwork(e. g. Ethemet)and reduce cost of system deployment. In this paper, PTP system model and precise synchronization principle arediscussed and some key points in designing PTP system are givenKey words PTP: 1588; NTP成本,提高了效率0引言時間同步技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、工業(yè)控1系統(tǒng)模型制、儀器測量以及通信領(lǐng)域,早期的時間同步技術(shù)一PTP系統(tǒng)是一個分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在PP系統(tǒng)般需要專用的時間同步網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù),中,協(xié)議運(yùn)行的邏輯范圍稱為一個域( Domain),域中無法直接在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中(尤其是在分組網(wǎng)絡(luò)中)傳遞設(shè)備采用主、從方式實現(xiàn)時間精準(zhǔn)同步,所有的實時時間同步信息,所以系統(tǒng)的成本比較高,NTP時鐘組成主從同步端口,一個設(shè)備可以有多個( Network Time protoco)雖然可以在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)端口,對上它是從端口,對下它是主端口。系時間同步,但是精度不是很高,無法滿足日益增長的統(tǒng)中有一個高級主時鐘( Grandmaster),它決定了對精確時間同步的需求,所以PTP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。整個系統(tǒng)的時鐘IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)(網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精確時鐘同步頻率。系統(tǒng)中主協(xié)議,簡稱PP)由安捷倫實驗室的成員開發(fā),并于從設(shè)備通過交換2002年11月正式成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)(版本1.0),最初PIP協(xié)議消息,來的標(biāo)準(zhǔn)主要用于工業(yè)自動化、精密控制以及工業(yè)測調(diào)整本地時鐘,從量和測試方面,但是隨著精確時間定時的廣泛應(yīng)用,而達(dá)到時鐘的同IEEE在2008年4月推出了2.0版本,增加了PTP在步。一個簡單的電信、網(wǎng)絡(luò)、航空以及電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 IEEE PTP1588的出現(xiàn)解決了時間同步應(yīng)用中對時間精度的圖1"中國煤化工系模要求,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中精確時鐘同步;采用了以太網(wǎng)絡(luò)CNMHG普通時鐘(OC)邊實現(xiàn)傳輸可以和采用分組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用結(jié)合降低了收稿日期:200182010旱無實電工翟第40癮第2期61專題技術(shù)與工程應(yīng)用界時鐘(BC)、端到端透明時鐘、對等透明時鐘以及Delay_ Resp:對 Delay_meq的響應(yīng),可以帶發(fā)送管理設(shè)備等。PTP設(shè)備在物理上可能只是一個可以時間標(biāo)簽,如果沒有帶由隨后的 Delay Resp實現(xiàn)PIP協(xié)議的硬件模塊或軟件模塊,它們一般集Folw_Up傳送;成在應(yīng)用設(shè)備中。Pdelay_ Resp Follow Up:用于傳送De普通時鐘直接和應(yīng)用相連,實現(xiàn)對應(yīng)用所需時Resp的發(fā)送時間;鐘的精確定時。Management:傳輸用于管理時鐘設(shè)備的的信息邊界時鐘主要實現(xiàn)不同PTP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的橋接,以及命令;它有多個PTP端口,在每個端口都實現(xiàn)不同的同步ignaling:在不同時鐘之間傳送信息、請求以及機(jī)制,這些端口可以是主端口也可以是從端口,邊界命令。時鐘一般對上一級為從鐘,對下一級是主鐘。3同步機(jī)制透明時鐘(T℃C)類似于普通網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)橋或路由器,一般不做本地時鐘同步,只是轉(zhuǎn)發(fā)PP協(xié)議的實現(xiàn)精確網(wǎng)絡(luò)時鐘同步需要解決2個問題消息,同時為了防止級聯(lián)拓?fù)渲械恼`差累計,計算①晶振的漂移;②時間傳輸?shù)难舆t。對于一般的PTP協(xié)議包經(jīng)過中間設(shè)備引起的時延(駐留時間),晶振來說,當(dāng)經(jīng)過一段時間后就會和其他晶振失去并把這些時間加在消息中“時間更正字段”,用于計同步,產(chǎn)生漂移,而保持同步的方法就是周期性用算鏈路延遲,實現(xiàn)時間的精確同步,這時中間節(jié)點相個精確的時鐘源去調(diào)整晶振。當(dāng)于“導(dǎo)線”,不會影響經(jīng)過它們的數(shù)據(jù)包的時間PTP協(xié)議通過主鐘和從鐘的頻繁交換信息,使計算得從鐘不斷計算出時間偏移以及鏈路延遲來調(diào)整自PTP系統(tǒng)具有自動管理功能,PP設(shè)備可以自已的時鐘從而達(dá)到和主鐘時間的同步動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他PP設(shè)備,并且自動優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)PTP協(xié)議中定義了2種同步方法:①延遲請求定時結(jié)構(gòu),同時利用BMC算法( Best master Clock)評響應(yīng)( Delay Request-response)方法;②對等延遲方法估網(wǎng)絡(luò)中的其他PTP設(shè)備,并選擇主鐘。( Peer-delay),前一種方法使用Syne, Delay_Req等消息進(jìn)行交互,后一種采用 Delay_Req, Delay Re2協(xié)議消息等消息實現(xiàn)。PTP協(xié)議消息包括事件消息和普通消息,事件3.1延遲請求響應(yīng)方法消息屬于定時消息,在傳輸和接收時會打上消息發(fā)送時的精確時間標(biāo)簽,而普通消息無需精確的時間延遲請求響應(yīng)方法協(xié)議過程如圖2所示,該主主時鐘從時鐘標(biāo)簽。事件消息包括:要用于測量主鐘和從鐘之SyncSyne:同步消息,由主設(shè)備發(fā)送給從設(shè)備,消息間的時間偏移以及鏈路延中可以包含Smc發(fā)送時間標(biāo)簽,也可以在后續(xù)的遲。具體如下:Follow UP消息中包含;①主鐘給從鐘發(fā)送Deay-Bg:請求對端返回接收到 Delay Reg Sync消息并標(biāo)注發(fā)送時間4;消息時的時間標(biāo)簽,時間標(biāo)簽嵌入在響應(yīng)消息②從鐘收到Syne消Delay Resp;息后標(biāo)注接收時間2。主Deiay RespDelay-mq:用于發(fā)起鏈路延時測量請求,帶發(fā)鐘通過下面2種方法把4送時間標(biāo)簽。通知給從鐘:在Syn消息圖2延遲請求響應(yīng)方普通消息沒有時間標(biāo)簽,主要用于傳遞其他消中嵌入時間標(biāo)簽;在yne法協(xié)議過程息的發(fā)送時間標(biāo)簽、系統(tǒng)狀態(tài)以及管理信息,包括后發(fā)送一個Folw_U消息,在該消息中攜帶t1;Announce:廣播發(fā)送節(jié)點和高級主鐘的狀態(tài)和凵中國煤化工給主鐘并且標(biāo)注特征信息;發(fā)送CNMHGFollow_ Up:用于傳送Syn消息的發(fā)送時間;④主鐘收到Dlay_Rq消思后標(biāo)注接收時間4;62 2010 Radio Engineering Vol 40 No.2專題技術(shù)與工程應(yīng)用⑤主鐘通過 Delay Resp消息把t4告訴從鐘。加到相應(yīng)的消息中,實現(xiàn)延遲的校正假設(shè)主鐘和從鐘之間2個方向的傳輸延遲相等,同時在一個很短的時間同步過程中,從鐘相對于4PTP實現(xiàn)時應(yīng)注意的問題主鐘新產(chǎn)生的時間偏移忽略不計。4.1協(xié)議棧設(shè)從鐘相對于主鐘的時間偏移為qsr,即主鐘在t1時刻時,從鐘的時間應(yīng)為t1+ offset,另設(shè)傳輸使用PTP實現(xiàn)時間同步時,PTP可以承載在延時為 delayUDP上,也可以直接承載在MAC協(xié)議上。PTP承載從鐘根據(jù)t1、l2、l1、t4計算時間偏移(se)以在UDP上時,軟件可以采用 SOCKET進(jìn)行收發(fā)UDP及傳輸延時( delay),即包,事件消息的UDP端口號319,普通消息的組播端口號為320。PP實現(xiàn)另一種方法是:直接在MAC層進(jìn)行PP協(xié)議包分析,這樣可以不經(jīng)過UDP協(xié)議棧,減少delay =(44-43+ t2-t1PTP在協(xié)議棧中駐留時間,提高同步的精確度qer=(h2-1-l4+l3)/2。IEEE1588支持基于MAC的PP協(xié)議,PTP協(xié)根據(jù) offset從鐘可以調(diào)整自己的時鐘。議消息可以承載在MAC幀中,由于靠近物理層,所以有助于提高同步精度。3.2對等延遲方法4.2時間標(biāo)簽對等延遲方法用于請求節(jié)點A應(yīng)節(jié)點B測量相鄰2個PTP端口之在PTP的實現(xiàn)中,時間標(biāo)簽的實現(xiàn)方式有2種:Pde l ay Req間的鏈路延時,使用軟件實現(xiàn)的時間標(biāo)簽和硬件實現(xiàn)的時間標(biāo)簽。軟件時間標(biāo)簽的實現(xiàn)無需硬件支持,簡單易行,可以在應(yīng)和 Pdelay Resp_ Follow用層實現(xiàn),但是具有較高的時延和抖動,在精度上稍Pcly.R與ψp等消息實現(xiàn),工作原差一些。硬件時間標(biāo)簽可以減少抖動( Stack Jitter理如圖3所示具有很好的性能,可以實現(xiàn)ns級的定時。硬件時間實現(xiàn)對等延遲方法Pdel ay_ Resp_ Follow_up標(biāo)簽需要硬件支持,在實現(xiàn)上比較復(fù)雜,而且會增加的2個PTP端口沒有主成本。硬件時間標(biāo)簽一般在MAC層實現(xiàn),原因是靠從之分,任何一個端口圖3對等延遲方法近物理層。都可以發(fā)起請求,其中協(xié)議過程4.3更新間隔個端口為請求方,另一個端口為響應(yīng)方,請求方根4個時間標(biāo)簽計算出節(jié)點A到節(jié)點B之間的平均時間的同步精度和同步消息Sync的更新間隔鏈路延遲有著密切的關(guān)系,顯然間隔越小就會得到更好的精協(xié)議過程如下:度。在IEE1588V1.0版本中Syme消息的時間間①節(jié)點A在t1時刻發(fā)送 Delay_ Req,且記下隔為s級,可以是1,2,5,16和64,但是在V2.0中Sye的發(fā)送間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1s,最高可以達(dá)到時間標(biāo)簽t1;1000次/s②節(jié)點B在收到 Pdelay_ Req后產(chǎn)生時間標(biāo)簽同步消息更新太頻繁會消耗大量的帶寬資源并4,同時在與時刻發(fā)送Pday-Rep消息,在且影響其他業(yè)務(wù),所以更新間隔的選擇和設(shè)備要求Delay-Resp消息中,把a(bǔ)3-h2的值放在的精度、網(wǎng)絡(luò)的帶寬以及業(yè)務(wù)有關(guān)Correction Field字段中;為了實現(xiàn)PTP協(xié)議的快速傳遞,一般應(yīng)給于③節(jié)點A收到 Delay Resp后記下t4;PTP消息最高的優(yōu)先級,這樣可以降低它在網(wǎng)絡(luò)中④節(jié)點A根據(jù)h1、4、3-2可以計算出節(jié)點A、的延面好岫宮福蠕確時回同步。B之間平均鏈路延時,即[(4-t1)-(t3-t2)J/2。中國煤化工4.4對等延遲方法是為了精確測量鏈路延遲,便于CNMHG用延遲請求響應(yīng)方法實現(xiàn)同步時,把鏈路延遲信息構(gòu)建PTP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時,域的選擇不能太大,中間2010年死線電工翟第40裘第2期63專題技術(shù)與工程應(yīng)用節(jié)點也不應(yīng)太多,主從級聯(lián)層次不要過多,否則會影①次ps級的同步精度;響同步效果,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大的時候可以分成多個域,利用②數(shù)據(jù)、同步以及管理均通過以太網(wǎng);邊界時鐘(BC)實現(xiàn)互連③自動糾正時延( Latency);④管理簡單:PTP設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。5PTP和其他同步技術(shù)的比較PTP對本地時鐘的精度要求比較高,這主要和6結(jié)束語同步所要求的精度有關(guān)。PP和其他時間同步技術(shù)PTP技術(shù)協(xié)議簡單、比較容易實現(xiàn),目前逐步在的比較如表1所示。需要高精度時鐘同步的領(lǐng)域得到應(yīng)用,采用以太網(wǎng)表1PTP和其他同步技術(shù)比較絡(luò)傳輸?shù)奶攸c使它更適合于分組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,尤其是同步技術(shù)TEEE1588在移動通信領(lǐng)域,隨著通信的P化,PTP技術(shù)的采同步精度100m-100p81-10ps1-100ms用可以減少基站對GPS的依賴,大大降低網(wǎng)絡(luò)部署網(wǎng)絡(luò)類以太網(wǎng)專用網(wǎng)服務(wù)方式主/從主/從成本,同時滿足網(wǎng)絡(luò)對時間同步精度的需求。中協(xié)議UDP或MACUDP參考文獻(xiàn)傳播方式組播或單播播時延校正自動沒有自動[1] IEEE 1588-2008. IEEE Standard for a Precision Clock網(wǎng)絡(luò)管理配置Synchronization Protocol for Networked Measurement and本地時鐘要求精度要求較高沒有要求Control Systems[S],2008更新間隔1-1000次/s1次/幾作者簡介PTP協(xié)議和其他時間同步技術(shù)相比有以下的方強(qiáng)男,(1%67-),中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所優(yōu)點:高級工程師。主要研究方向:通信交換技術(shù)、信令和協(xié)議(上接第52頁)較好,測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,可投入實驗室使用3實驗4結(jié)束語針對自動校準(zhǔn)系統(tǒng)選擇一臺性能穩(wěn)定的信號發(fā)利用圖形化編程語言Ⅴ EE Pro6.0與GPIB通用生器(F8251A)進(jìn)行了相關(guān)實驗,對同一頻率(1cH)接口總線及LAN口組建的信號發(fā)生器自動校準(zhǔn)系的調(diào)諧射頻電平由高到低進(jìn)行單次測量,并對關(guān)心統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單控制軟件簡單明了,擴(kuò)展性及可操作性的0dBm電平進(jìn)行重復(fù)性測試測試數(shù)據(jù)如表1表2強(qiáng),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,維護(hù)方便,數(shù)據(jù)存儲和打印功能所示。均能較好的實現(xiàn),提高了測試覆蓋性,減小了人為誤表1自動測試的測量結(jié)果差,適應(yīng)了檢定校準(zhǔn)測試技術(shù)的發(fā)展。但需要指出標(biāo)稱值/dBm實測值/dBm標(biāo)稱值/dBm實測值/dBm的是,由于信號發(fā)生器的型號眾多,各個信號發(fā)生器0,0l60.10的測量的參數(shù)、指標(biāo)以及程控指令等都有所不同,所10.以該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫需逐步完善,實現(xiàn)對各種信號發(fā)80.12生器的自動校準(zhǔn)測試。30.02參考文獻(xiàn)40.05100.24[1]聽雨軒工作室. Agilent VEE虛擬儀器工程設(shè)計與開110.18發(fā)[M].北京國防工業(yè)出版社,2003.表2手動測試的測量結(jié)果[2]涂海艷胡修林.HPⅤEE與自動測試技術(shù)[刀]工業(yè)控制標(biāo)稱值/dBm實測值/dBm標(biāo)稱值/dm實測值A(chǔ)m計第機(jī)201(1)4-47[3]JG173-2003,信號發(fā)生器檢定規(guī)程[S],200310.0370.12[4]國防科工委科技與質(zhì)量司.無線電電子學(xué)計量[M]北80.14京:原子能出版社,2090.13[5]王曉遠(yuǎn),李建郭輝頻譜分析儀自動測試系統(tǒng)研制40,03100100.26中國煤化工此外,對相同的參數(shù)進(jìn)行了手動測試,通過比較YHCNMHGE公司第五十四研究所實驗結(jié)果,表明新建自動校準(zhǔn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,重復(fù)性工程師碩土。主要研究方向:無線電計量技術(shù)。64 2010 Radio Engineering Vol40 No. 2