精確時鐘同步協(xié)議分析及實現(xiàn)

曾慶華

0 引言

測量和控制工程正在越來越多地使用網(wǎng)絡通訊、本地化計算、分布式設備等分布式系統(tǒng)技術。在這個分布式系統(tǒng)中，分布式設備來自多個不同的廠商，如果沒有一個標準的協(xié)議用來同步那些分布式設備中的時鐘，整個系統(tǒng)將不可能很好地工作。在兼顧精度和低成本方面，現(xiàn)存的時鐘同步協(xié)議，如NTP/SNTP，GPS并不能很好地滿足這些系統(tǒng)的要求。在此背景下，IEEE Std 1588TM —2002《網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議》(簡稱IEEE 1588 協(xié)議) 已于2002以標準形式年發(fā)布[1]。2004年，IEC也發(fā)布了相應的IEC 61588 標準。IEEE Std 1588TM —2008作為IEEE Std 1588TM —2002的修訂版于2008年發(fā)布。IEEE 1588以其低成本高精度的特點，使其在短短的幾年內(nèi)，獲得了廣泛的應用和推廣。 IEEE 1588 協(xié)議又稱精確時間協(xié)議(PTP)，IEEE Std 1588TM —2008也叫做PTPv2，它最初是由Agilent Laboratories（安捷倫實驗室）開發(fā)用于測量和控制系統(tǒng)的。它利用以太網(wǎng)或其他支持多播技術的網(wǎng)絡使終端設備同步，最高精度可以達到亞微秒級。同時, IEEE 1588 協(xié)議對資源要求非常低,易于高中低端設備之間的兼容。但是, IEEE 1588協(xié)議為了保證高精度,需要硬件支持,這對于兼容性很高的以太網(wǎng)來說,制約了IEEE 1588 協(xié)議的應用與發(fā)展。

本文首先針對IEEE 1588協(xié)議的以太網(wǎng)應用，對協(xié)議進行了分析，介紹了IEEE 1588協(xié)議的優(yōu)點和核心算法，然后介紹了支持IEEE 1588的網(wǎng)絡設備，在不同時鐘模式下應該如何工作。

1 IEEE 1588的介紹

IEEE 1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡帶寬和資源消耗少等特點。IEEE1588標準的全稱是“網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理，是通過一個同步信號周期性的對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達到精確同步，IEEE 1588PTP時鐘同步技術也可以應用于任何組播網(wǎng)絡中。

IEEE 1588將整個網(wǎng)絡內(nèi)的時鐘分為兩種，即普通時鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時鐘（Boundary Clock，BC），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。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡設備（如交換機和路由器）上。從通信關系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，在理論上，任何時鐘都能實現(xiàn)主時鐘和從時鐘的功能，但一個 PTP通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個主時鐘。整個系統(tǒng)中，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。根據(jù)各節(jié)點上時鐘的精度和級別以及 UTC（通用協(xié)調(diào)時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘算法（Best Master Clock）來自動選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時鐘；在只有一個子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時鐘就是最高級時鐘GMC。每個系統(tǒng)只有一個GMC，且每個子網(wǎng)內(nèi)只有一個主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。是一個簡單的主時鐘、從時鐘關系示意，如圖1所示：

圖1 簡單主時鐘，從時鐘關系示意

同步的基本原理，包括時間發(fā)出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息增加一個“時間戳”。有了時間記錄，接收端就可以計算出信息在網(wǎng)絡中的時鐘誤差和延時。為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了4種多點傳送的報文類型和管理報文，包括同步報文（Sync）、跟隨報文（Follow_up）、延遲請求報文（Delay_Req）、延遲應答報文（Delay_Resp）。同步報文是由主時鐘周期性發(fā)出的(一般為每兩秒一次)，它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說，同步報文包含了一個時間戳，精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預計時間。

由于同步報文包含的是預計的發(fā)出時間，而不是真實的發(fā)出時間，所以Sync報文的真實發(fā)出時間被測量后在隨后的Follow_Up報文中發(fā)出。Sync報文的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up報文中的真實發(fā)出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從時鐘與主時鐘之間的時差，并據(jù)此更正從時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網(wǎng)絡傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req報文來測量網(wǎng)絡的傳輸延時。

Delay_Req報文在Sync報文收到后由從時鐘發(fā)出。與Sync報文一樣，發(fā)送方從時鐘記錄準確的發(fā)送時間，接收方主時鐘記錄準確的接收時間。主時鐘在接收到Delay_Req報文后生成Delay_Resp報文，并將Delay_Req報文的準確的接收時間包含在Delay_Resp報文中，然后將Delay_Resp報文發(fā)往從時鐘。從時鐘在收到Delay_Resp報文后就可以計算出網(wǎng)絡延時和時鐘誤差。

精確時鐘同步過程，分為漂移測量階段與延遲測量階段。

第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為漂移測量，如圖2所示：

圖2 漂移測量

在修正漂移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間（缺省是 2s）周期性地向從時鐘發(fā)出同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量發(fā)送的準確時間t10，從時鐘測量接收的準確時間t20。之后主時鐘發(fā)出第二條報文——跟隨報文（Follow_up Message），此報文與同步報文相關聯(lián)，且包含同步報文被發(fā)送到到 PTP通信路徑上的更為精確的時間值。從時鐘根據(jù)同步報文和跟隨報文中的時間信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么主從時鐘就可以達到同步。

為了提高修正精度，必須把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段——延遲測量，如圖3所示：

圖3 延遲測量

從時鐘向主時鐘發(fā)出一個“延遲請求”數(shù)據(jù)報文，并記錄下該報文傳遞準確時間t3。主時鐘對接收數(shù)據(jù)包打上一個接收時間戳t4，然后在“延遲響應”數(shù)據(jù)包中，把接收時間戳t4送回到從時鐘。根據(jù)傳遞時間戳t3和主時鐘提供的接收時間戳t4，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。

IEEE 1588定義了兩種工作模式，一步模式和兩步模式。上述用跟隨報文傳送同步報文的發(fā)送時間戳的方式即為兩步模式。如果作為 Master時鐘的設備有能力把同步報文的發(fā)送時間戳精確的打在同步報文中，那么就可以省去跟隨報文的發(fā)送了。這就是一步模式。

IEEE 1588目前的版本是 v2.2，主要應用于相對本地化、網(wǎng)絡化的系統(tǒng)，內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，其優(yōu)點是標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，特別適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡環(huán)境。與其他常用于Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要區(qū)別是PTP是針對更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡環(huán)境設計的，所以更為簡單，占用的網(wǎng)絡和計算資源也更少。PTP定義的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以使自身達到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時間戳更容易在硬件上實現(xiàn)，并且不局限于應用層，這使得 PTP可以達到微秒以內(nèi)的精度。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。

IEEE1588標準所定義的精確網(wǎng)絡同步協(xié)議，實現(xiàn)了網(wǎng)絡中的高度同步，使得在分配控制工作時，無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。

2 IEEE 1588定義的其它時鐘類型

在現(xiàn)實的網(wǎng)絡環(huán)境中，主時鐘設備和從時鐘設備之間往往會存在許多的各種路由器，交換機。在這些設備中，會因為網(wǎng)絡流量的變化或是設備自身的性能，而使得 IEEE 1588報文在網(wǎng)絡上的傳播時延產(chǎn)生抖動。這就會造成時鐘同步的精確度下降。為了能夠更好的測量報文在網(wǎng)絡上的時延，IEEE 1588定義了另外一種類型的時鐘：透傳時鐘。透傳時鐘在網(wǎng)絡中的位置，就在主時鐘設備和從時鐘設備之間，如圖4所示：

圖4 透傳時鐘工作示意圖

透傳時鐘的工作，就是把1588報文在該透傳時鐘設備上的停留時間，精確的記錄下來，然后把這個停留時間加到報文中去。這樣從時鐘在計算網(wǎng)路延遲時就可以得到更精確的值了。

3 IEEE 1588的實現(xiàn)

IEEE 1588的實現(xiàn)有3種方式：純軟件的實現(xiàn)、軟件與硬件相結(jié)合的實現(xiàn)、純硬件實現(xiàn)。

純軟件實現(xiàn)的IEEE 1588，是指時鐘同步過程中的頻率差的計算，線路延遲的計算以及時間同步報文的接收和發(fā)送時間戳的產(chǎn)生，都由軟件來負責完成。這樣的實現(xiàn)，性能難于達到設計的性能目標。主要原因，是IEEE 1588報文，在協(xié)議棧和存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程中，受到不確定因素的影響太多，從而使得同步的結(jié)果產(chǎn)生較大的抖動。不確定因素包括：軟件系統(tǒng)的繁忙程度、網(wǎng)絡的擁塞狀況等等。

純硬件實現(xiàn)的IEEE 1588，是指時鐘同步過程中的頻率差的計算、線路延遲的計算以及時間同步報文的接收和發(fā)送時間戳的產(chǎn)生，都由硬件來負責完成。純硬件實現(xiàn)，雖然可以提高精確度，使得得到的同步結(jié)果，更接近于理想的結(jié)果，但純硬件實現(xiàn)，會帶來成本大幅提高的問題，這不利于IEEE 1588的推廣使用。同時，硬件實現(xiàn)，還存在缺乏靈活性的問題，不利于IEEE 1588設備的升級和換代。

為了實現(xiàn)IEEE 1588的高精確性，同時也為了控制成本，理想的實現(xiàn)方式就是軟硬件結(jié)合。即由硬件來負責打時間戳和獲取時間戳的工作，然后由軟件來負責進行必要的計算。最后軟件將計算的結(jié)果設置到相應的時鐘上去。其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

圖5 軟件加硬件結(jié)合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

在報文中打時間戳的時間點相當重要，因為這關系到精確性。一般的實現(xiàn)方法，是在各種物理端口的PHY層，這個最靠近物理線路的模塊來實現(xiàn)打時間戳的功能。

3.1 IEEE 1588各種時鐘類型的實現(xiàn)

3.1.1 請求響應機制普通時鐘的實現(xiàn)

請求響應機制普通時鐘分兩種角色：master時鐘和slave時鐘。兩種時鐘的硬件在收到IEEE1588消息后記錄下消息到達時間，然后將消息送往CPU交由軟件做處理。硬件在發(fā)送 IEEE1588消息前，會修改消息的內(nèi)容、填寫IEEE1588消息的發(fā)送時間和校正域。軟件在收到IEEE1588消息后，先對收到的消息的正確性做出判斷。對于不正確的消息，直接丟棄。對于正確的消息，軟件會讀取硬件為該消息保存的接收時間信息。對于slave時鐘，軟件會計算出本地時鐘頻率和 master時鐘的時鐘頻率的差值，然后調(diào)整本地時鐘以達到和master時鐘頻率的同步。如果slave時鐘的本地時間和master時鐘的時間相差大于1S的情況下，slave時鐘還應該更改本地時鐘的時間，以達到和 master時鐘的時間一致。

請求響應機制，普通時鐘在計算線路延遲時，把從master到slave的線路延遲和從slave到master的延遲視為同等的。通過取兩個不同方向延遲的平均值作為線路延遲。

3.1.2 請求響應機制邊界時鐘的實現(xiàn)

請求響應機制邊界時鐘，是請求響應機制普通時鐘的聚合體。請求響應機制邊界時鐘上，必須且只能有一個slave角色的請求響應機制普通時鐘和若干個 master角色的請求響應機制普通時鐘。Slave時鐘和這些master時鐘共用相同的時鐘源。請求響應機制邊界時鐘，通過slave普通時鐘和外部的時鐘源完成時鐘同步。

請求響應機制邊界時鐘上的 slave普通時鐘和 master普通時鐘的實現(xiàn)，和4.1.1節(jié)中介紹的請求響應機制普通時鐘的實現(xiàn)是一樣的。

3.1.3 對等機制普通時鐘的實現(xiàn)

對等機制普通時鐘在進行時鐘頻率同步的時候，也是有master時鐘和slave時鐘之分的，但在進行線路延遲的測量時，卻沒有master和slave之分，這個時候體現(xiàn)出了對等的關系。兩個對等機制普通時鐘之間是直接互聯(lián)的，中間沒有連接任何設備。

對等機制普通時鐘頻率同步的實現(xiàn)和請求響應機制普通時鐘的頻率同步的實現(xiàn)是一樣的。對等機制普通時鐘的特殊之處，在于它把兩個時鐘之間的兩個方向上的線路延遲看做是不對等的，因此相連的兩個時鐘，要分別計算從對方到己方的線路延遲。

3.1.4 對等機制邊界時鐘的實現(xiàn)

對等機制邊界時鐘，是對等機制普通時鐘的聚合體。對等機制邊界時鐘上，必須且只能有一個slave角色的對等機制普通時鐘和若干個 master角色的對等機制普通時鐘。Slave時鐘和這些master時鐘共用相同的時鐘源。對等機制邊界時鐘，通過slave普通時鐘和外部的時鐘源完成時鐘同步。

對等機制邊界時鐘上的slave普通時鐘和master普通時鐘的實現(xiàn)，和4.1.3節(jié)中介紹的對等機制普通時鐘的實現(xiàn)是一樣的。

3.1.5 對等機制透傳時鐘的實現(xiàn)

透傳時鐘的作用，是將IEEE1588消息在該透傳時鐘設備上的逗留時間添加到消息報文中去。為了保證所加的逗留時間的準確性，這就要求透傳時鐘也要和時鐘源進行時鐘同步。

對等機制透傳時鐘的消息入口，是一個slave角色的對等機制普通時鐘。當來自主時鐘的IEEE1588消息從該入口進入到透傳時鐘時，硬件所做的工作，是將消息報文拷貝一份送往CPU供軟件進行頻率同步，同時將原消息報文遞送往出口，以使其到達從時鐘。而在反方向，來自從時鐘的回應消息，將會被硬件在消息報文中，添加逗留時間后直接轉(zhuǎn)發(fā)往主時鐘。

3.1.6 端到端機制透傳時鐘的實現(xiàn)

作為透傳時鐘，端到端機制透傳時鐘也要和時鐘源進行時鐘同步。

端到端機制透傳時鐘的消息入口是一個 slave角色的請求響應機制的普通時鐘。當來自主時鐘的IEEE1588消息從該入口進入到透傳時鐘時，硬件所做的工作是將消息報文拷貝一份，送往CPU供軟件進行頻率同步，同時將原消息報文遞送往出口，以使其到達從時鐘。而在反方向，來自從時鐘的回應消息，將會被硬件在消息報文中，添加逗留時間后直接轉(zhuǎn)發(fā)往主時鐘。

4 結(jié)語

目前支持IEEE 1588功能的設備大多為主干網(wǎng)上的設備。雖然支持IEEE 1588功能的局域網(wǎng)設備也已經(jīng)開發(fā)出來了，但是因為成本的原因，先期布設局域網(wǎng)設備不可能在短期內(nèi)得到更換。已有的實驗顯示，在兩個支持IEEE 1588功能的設備中間，加上10級不支持IEEE 1588的交換機后，同步的時間精度在300微妙左右。這樣IEEE 1588在局域網(wǎng)中，還是不能夠很好的發(fā)揮其精確時間同步的作用。

IEEE 1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡帶寬和資源消耗少等特點。同時還能夠提供亞微秒級的精確度。是適合以太網(wǎng)的理想時鐘同步協(xié)議。但是在實際的應用中，也還存在著問題。比如如何很好的克服在協(xié)議棧處理是產(chǎn)生的延遲；如何提高主時鐘的容錯性能。這些問題，都還需要更進一步的研究。

[1]IEEE Std 1588 TM —2002 Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S]. 2002.

[2]IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System ,[C]IEEE Instrumentation and Measurement Society , 2008.

[3]于鵬飛，喻強，鄧輝， IEEE 1588精確時間同步協(xié)議的應用方案，[J]電力系統(tǒng)自動化，33(3)2009.7.3.

[4]張妍，孫鶴旭，林濤等，IEEE 1588在實時工業(yè)以太網(wǎng)中的應用，[J]微計算機技術，2005（25）。

[5]袁振華，董秀軍，劉朝英，基于IEEE 1588的時鐘同步技術及應用，[J]計算機與控制，2006（12）。