IEEE1588協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用?

楊傳順，彥廷江

（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006）

IEEE1588協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用?

楊傳順，彥廷江

（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006）

在基于網(wǎng)絡(luò)的測量與控制系統(tǒng)中，對分散節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步有很高的要求。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的精確時(shí)鐘協(xié)議為測控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步提供了一種簡單可行的途徑。分析了精確時(shí)鐘協(xié)議實(shí)現(xiàn)的原理和算法，針對測控系統(tǒng)中對時(shí)鐘同步精度的需求，研究了系統(tǒng)內(nèi)選擇最優(yōu)主時(shí)鐘的算法和實(shí)現(xiàn)，以及硬件輔助檢測時(shí)間戳的方法和應(yīng)用。最后以以太網(wǎng)為例，對設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了精度測試，驗(yàn)證了在測控系統(tǒng)中應(yīng)用精確時(shí)鐘同步協(xié)議能夠滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

測控系統(tǒng)；IEEE 1588協(xié)議；精確時(shí)鐘協(xié)議；最優(yōu)主時(shí)鐘算法；時(shí)間戳；硬件輔助

在基于網(wǎng)絡(luò)的測量控制系統(tǒng)中，對時(shí)鐘的應(yīng)用主要有基于絕對時(shí)間的應(yīng)用和基于頻率的應(yīng)用兩種，絕對時(shí)間用于記錄系統(tǒng)內(nèi)事項(xiàng)的發(fā)生次序，頻率用于控制器、執(zhí)行器以及傳感器的同步采樣、回饋和執(zhí)行。因此，分散節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步對于基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)來說非常重要，而IEEE 1588協(xié)議的推出正是為了解決測量儀器和工業(yè)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)定時(shí)同步能力不足的問題。

1 精確時(shí)鐘同步協(xié)議

IEEE 1588協(xié)議［1］的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議”，簡稱PTP（Precision TimeProtocol）。國際電工協(xié)會也把此標(biāo)準(zhǔn)納入到了IEC標(biāo)準(zhǔn)中，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61588［2］。它具有配置容易、收斂快速以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等優(yōu)點(diǎn)。它的主要原理是采用分層的主從模式通過一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正；通過記錄報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間戳信息，計(jì)算出報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)間延遲和主從時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移，并相應(yīng)地調(diào)整本地時(shí)間，使從時(shí)鐘保持與主時(shí)鐘一致的頻率與相位，使系統(tǒng)中分散節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘達(dá)到高精度同步［3］。

PTP定義了4種多點(diǎn)傳送的報(bào)文［4］：同步報(bào)文（Sync）、跟隨報(bào)文（Follow-up）、延遲請求報(bào)文（Delay-Req）和延遲應(yīng)答報(bào)文（Delay-Resp）。這些報(bào)文的交互順序?qū)⒃诘?節(jié)中說明，收到的信息響應(yīng)與時(shí)鐘當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)。

為了描述測控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步問題，我們以一個(gè)主時(shí)鐘和一個(gè)從時(shí)鐘的同步過程為例，如圖1所示。

時(shí)鐘同步過程如下所述。

（1）主時(shí)鐘按照定義的間隔時(shí)間周期性地向從時(shí)鐘發(fā)送“同步報(bào)文（Sync）”，這個(gè)報(bào)文的時(shí)間戳是主時(shí)鐘打上的預(yù)計(jì)發(fā)送時(shí)間，同時(shí)主時(shí)鐘記下實(shí)際發(fā)送時(shí)間tm1；此報(bào)文在接收端被從時(shí)鐘記下接收時(shí)間ts1。

（2）主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送“跟隨報(bào)文（Follow-up）”，此報(bào)文包含先前的同步報(bào)文準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間tm1。

記網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間為Delay，主從時(shí)鐘偏移為Offset，則：

（3）從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送“延時(shí)請求報(bào)文（Delay-Request）”（延時(shí)請求報(bào)文的間隔是獨(dú)立設(shè)置的），報(bào)文發(fā)送后是從時(shí)鐘記下準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間ts2，在主時(shí)鐘端記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)間tm2。

（4）主時(shí)鐘向從時(shí)鐘返回一個(gè)“延時(shí)響應(yīng)報(bào)文（Delay-Response）”，此報(bào)文包含先前的“延時(shí)請求報(bào)文”的準(zhǔn)確接收時(shí)間tm2，從時(shí)鐘利用ts2和發(fā)送時(shí)間tm2?？梢缘玫剑?/p>

根據(jù)鏈路的對稱性，由式（1）和（2）可計(jì)算出：

如果目前的從時(shí)鐘時(shí)間為tsOld，則可以計(jì)算出目前應(yīng)該同步到的新的從時(shí)鐘時(shí)間tsNew：

據(jù)此，在接下來的一個(gè)同步周期內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘的同步。

以上是時(shí)鐘同步過程的算法思想，在實(shí)際的應(yīng)用中，同步報(bào)文和跟隨報(bào)文的發(fā)送是按照定義的時(shí)間間隔周期性發(fā)送的；延遲請求報(bào)文和延遲應(yīng)答報(bào)文發(fā)送間隔可以是不規(guī)則的，其測量間隔時(shí)間比偏移值測量間隔時(shí)間要大，這樣做可以減輕網(wǎng)絡(luò)尤其是終端設(shè)備的負(fù)荷［5］。

2 IEEE 1588在網(wǎng)絡(luò)測控中的應(yīng)用

在測控系統(tǒng)中，測控裝置的時(shí)鐘一般來源于主站或后臺；為了提高同步精度，一般采取系統(tǒng)內(nèi)配置GPS裝置，接收GPS的標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號，其它節(jié)點(diǎn)和GPS的時(shí)鐘同步，保證系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精確度要求；當(dāng)GPS故障時(shí)，可選擇利用與監(jiān)控中心的時(shí)鐘同步來校正，這正好符合IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)中，系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘分為普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘兩種。只有一個(gè)PTP通信埠的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘，有兩個(gè)及以上PTP埠的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘。每個(gè)PTP埠的狀態(tài)主要有主狀態(tài)、從狀態(tài)和被動狀態(tài)3種。埠處于主狀態(tài)的時(shí)鐘稱為主時(shí)鐘，處于從狀態(tài)的時(shí)鐘稱為從時(shí)鐘，主時(shí)鐘負(fù)責(zé)同步系統(tǒng)內(nèi)所有的從時(shí)鐘。如果埠處于被動狀態(tài)，則意味著對應(yīng)的時(shí)鐘不參與時(shí)鐘同步。理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)只能有一個(gè)主時(shí)鐘，整個(gè)系統(tǒng)中的最優(yōu)時(shí)鐘為主時(shí)鐘（Grandmaster Clock），具有最好的穩(wěn)定性、精確性等。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘精度、級別以及通用協(xié)調(diào)時(shí)間（UTC）的可追溯性等，由最優(yōu)主時(shí)鐘算法來自動選擇系統(tǒng)內(nèi)的主時(shí)鐘［6］。圖2是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中典型的主、從時(shí)鐘關(guān)系示意圖，最上面的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，其它設(shè)備的時(shí)鐘通過分層結(jié)構(gòu)都與主時(shí)鐘同步。

2.1 最優(yōu)主時(shí)鐘算法

最佳時(shí)鐘（Best Master Clock，BMC）算法獨(dú)立運(yùn)行于系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)時(shí)鐘的端口上，在系統(tǒng)的所有時(shí)鐘中（包括本地時(shí)鐘）選出一個(gè)性能最好的，指定它作為系統(tǒng)中的最優(yōu)主時(shí)鐘，該算法避免系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)主時(shí)鐘或沒有一個(gè)主時(shí)鐘的情況［7］。

BMC算法由兩部分組成：一是數(shù)據(jù)集比較算法，比較兩組數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，一組可能是本地時(shí)鐘的缺省數(shù)據(jù)集，一組可能是本地時(shí)鐘的某個(gè)端口接收到的時(shí)鐘數(shù)據(jù)集，應(yīng)用此算法，從中選出質(zhì)量較優(yōu)的數(shù)據(jù)集；二是狀態(tài)決策算法，根據(jù)數(shù)據(jù)集比較算法的結(jié)果計(jì)算本地時(shí)鐘的每個(gè)埠當(dāng)前應(yīng)該所處的狀態(tài)，并作相應(yīng)的埠狀態(tài)轉(zhuǎn)換，為接下來系統(tǒng)的時(shí)鐘同步作準(zhǔn)備。

BMC算法規(guī)定了數(shù)據(jù)比較的順序和判據(jù)。時(shí)鐘埠在設(shè)備上電時(shí)進(jìn)行缺省初始化配置，為各數(shù)據(jù)集分配緩沖區(qū)等操作。然后，系統(tǒng)開始偵聽網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)鐘同步報(bào)文，如果埠收到相應(yīng)的PTP報(bào)文，就調(diào)用BMC算法。

BMC算法的典型軟件實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step 1：對于具有N個(gè)埠的時(shí)鐘C0的其中一個(gè)端口r，通過數(shù)據(jù)集比較算法比較從這個(gè)端口接收到的其它時(shí)鐘埠的有效同步報(bào)文的數(shù)據(jù)集，計(jì)算出最優(yōu)的Erbest；

Step 2：對C0的所有埠比較Erbest，計(jì)算出N個(gè)埠最優(yōu)的Ebest；

Step 3：對C0每個(gè)埠，根據(jù)Erbest和Ebest以及缺省資料集D0，通過狀態(tài)決策算法決策出端口應(yīng)該所處的狀態(tài)，并更新所有端口的數(shù)據(jù)集；

Step 4：把決策出的端口狀態(tài)返饋到PTP引擎狀態(tài)機(jī)，由狀態(tài)機(jī)控制和實(shí)現(xiàn)埠狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘端口的BMC算法的軟件流程圖如圖3所示。對于系統(tǒng)的每個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)端口都運(yùn)行BMC算法，這個(gè)運(yùn)算是連續(xù)不斷的，因此能適應(yīng)時(shí)鐘和埠的變化。

2.2 時(shí)間戳記錄

PTP支持在物理介質(zhì)層、驅(qū)動程序?qū)踊驊?yīng)用軟件層檢測和記錄報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間戳；越靠近物理介質(zhì)層，同步精度越高；越靠近應(yīng)用軟件層，同步精度越低［8］。早期的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）是只有軟件控制的同步協(xié)議，在應(yīng)用軟件層打上時(shí)間戳，因此同步的精度不高；PTP為了提高系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度，既使用軟件，亦同時(shí)使用硬件和軟件配合，獲得更精確的定時(shí)同步；PTP支持硬件輔助在物理介質(zhì)層檢測和記錄報(bào)文的時(shí)間，從而把報(bào)文從驅(qū)動程序到應(yīng)用軟件處理的不確定時(shí)間延遲排除在系統(tǒng)精度的分析之外。圖4是在物理介質(zhì)層硬件輔助記錄時(shí)間戳的示意圖，圖中tm1、tm2、ts1和ts2分別是在物理介質(zhì)層由硬件記錄的同步報(bào)文的發(fā)送和接收時(shí)間，然后傳送給應(yīng)用軟件，由應(yīng)用軟件打包記錄到報(bào)文中，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

目前已有多種芯片和微控制器支持PTP時(shí)間戳硬件實(shí)現(xiàn)，常見的有美國國家半導(dǎo)體的DP83640芯片、Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si5315芯片、飛思卡爾的ColdFire MPU等，也可以采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用硬件輔助檢測和記錄PTP報(bào)文的時(shí)間戳?xí)r，即在網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）中放置這些器件，一旦線路上有PTP包，即被這些器件讀取。采用DP83640芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3 精度測試

當(dāng)在測控系統(tǒng)中采用PTP時(shí)，本地時(shí)鐘相對于主時(shí)鐘的同步時(shí)鐘精度可由標(biāo)準(zhǔn)差（或稱均方差）表示，PTP的標(biāo)準(zhǔn)差基于Allan標(biāo)準(zhǔn)差，Allan標(biāo)準(zhǔn)差σy（τ）的估計(jì)如下［9］：式中，xk、xk+1、xk+2是對應(yīng)時(shí)間tk、tk+τ、tk+2τ的樣本測量值，τ是樣本測量的時(shí)間間隔，N是樣本總數(shù)。Allan標(biāo)準(zhǔn)差是對時(shí)基振蕩器頻率變化的二階統(tǒng)計(jì)，PTP標(biāo)準(zhǔn)差則是對測量時(shí)鐘和本地參考時(shí)鐘的偏差統(tǒng)計(jì)。

PTP方差定義為

由式（6）和（7）得PTP的標(biāo)準(zhǔn)差無偏估計(jì)的計(jì)算如下：

測試系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度的方法有多種，最常用的是通過示波器觀察秒脈沖信號（PPS）的波形。為了使測試的精度能夠滿足實(shí)際的工程應(yīng)用，以采用以太網(wǎng)組網(wǎng)為例，對不同情況下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分別進(jìn)行了相應(yīng)的測試。

設(shè)置主時(shí)鐘和從時(shí)鐘在某一頻率點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘輸出，然后比較這兩路時(shí)鐘信號。采用秒脈沖測量是由于秒脈沖信號一般從數(shù)字輸出中產(chǎn)生，雖然會對同步結(jié)果增添額外的誤差，但是附加的誤差僅會影響數(shù)字輸入和輸出，而不是同步時(shí)鐘本身，因此不會包括在同步測量中。測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在80%時(shí)，從時(shí)鐘和主時(shí)鐘的同步精度在28.0 ns的標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)，完全能夠滿足網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的時(shí)鐘需求。

4 結(jié)論

隨著測量和控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，分散節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步變得愈加重要。IEEE 1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議的出現(xiàn)，為測控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步提供了一種切實(shí)可行的途徑。由于PTP不需要為時(shí)鐘傳遞布置特別的網(wǎng)絡(luò)，只需在原有網(wǎng)絡(luò)上添加時(shí)鐘同步報(bào)文，這些報(bào)文只占用少許網(wǎng)絡(luò)資源，它們和控制數(shù)據(jù)包或其它信息包共享網(wǎng)絡(luò)，具有較低的網(wǎng)絡(luò)開銷，在不需要太多資源的情況下，就能實(shí)現(xiàn)微秒級的高精度時(shí)鐘同步，完全能夠滿足系統(tǒng)對時(shí)鐘的同步精度需求。

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

［2］IEC 61588-2009，Precision Clock Synchronization Protocol for NetworkedMeasurement and Control Systems［S］.

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YANG Chuan-shun was born in Heze，Shandong Province，in 1978.He received the B.S.degree from Shandong University and the M.S.degree from the North China Computer System Engineering Research Institute in 2001 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research interests include computer control and system engineering.

Email：yang97718＠yahoo.com.cn

彥廷江（1963—），男，吉林人，1990年于東南大學(xué)自動化系獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備及顯控臺總體技術(shù)。

YAN Ting-jiang was born in Jilin Province，in 1963.He received the M.S.degree from Southeast University in 1990.He is now a senior engineer.His research concerns system technique of electronic equipment and console.

Application of IEEE 1588 Protocol in Networked Measurement and Control System s

YANGChuan-shun，YAN Ting-jiang
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222006，China）

In a networked measurement and control system，high accuracy of the clock synchronization between the distributed nodes is required.IEEE 1588 standard of precision time protocol formeasurement and control system provides a simple and feasibleway to the clock synchronization.This paper analyses the principle and algorithm of precision time protocol，according to the requirement ofmeasurement and control system for clock synchronization accuracy，studies the algorithm and implementation to choose the bestmaster clock in the system，and the hardware-assisted method and application of detecting time stamp.Finally，taking the ethernet for example，it tests the accuracy of the clock synchronization designed and the resut verifies that the application of precision clock synchronization protocol inmeasurementand control systems can satisfy the system application requirements.

measurement and control system；IEEE 1588 protocol；precision time protocol；bestmaster clock algorithm；time stamp；hardware-assisted

TP273

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.017

楊傳順（1978—），男，山東菏澤人，2001年于山東大學(xué)數(shù)學(xué)系獲學(xué)士學(xué)位，2007年于華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制和系統(tǒng)工程；

1001-893X（2011）11-0084-05

2011-07-11；

2011-08-19