基于PTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

吳昊+關(guān)曉旭+周鵬

【摘 要】 為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在整個(gè)測(cè)控網(wǎng)的高可靠性實(shí)時(shí)傳輸及事后處理，對(duì)高可靠性高精度的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)要求越來(lái)越高，尤其在故障排查過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘錯(cuò)亂或同步精度偏低將導(dǎo)致所有待驗(yàn)證數(shù)據(jù)失效。本文針對(duì)某型測(cè)量船現(xiàn)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)存在的缺陷，介紹了PTP協(xié)議的工作原理，提出了一種基于PTP協(xié)議和集群服務(wù)器架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并探討了外時(shí)鐘源的確定、系統(tǒng)偏差及時(shí)延的具體計(jì)算方法，旨在為提高整個(gè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的健壯性提供時(shí)序支持。

【關(guān)鍵詞】 PTP協(xié)議 時(shí)間同步 集群服務(wù)器

1 前言

某型測(cè)量船內(nèi)所有終端的數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)必須統(tǒng)一，同一時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)必須打上相同的時(shí)間印章，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。離開(kāi)時(shí)間同步系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集不能反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能狀況；各終端時(shí)間不同步，各處網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)包存在較大時(shí)差，故障排查無(wú)法進(jìn)行。高可靠高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)成為決定網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。

2 問(wèn)題分析

該船使用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)基本架構(gòu)以最小化客戶端配置為原則，利用試驗(yàn)IP網(wǎng)的傳輸通道，構(gòu)建前端和后端兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)SNTP時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步。

NTP協(xié)議是當(dāng)前使用最為廣泛的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議。通過(guò)端口號(hào)123封裝成UDP格式的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，1個(gè)NTP協(xié)議包的大小為64byte或72byte。時(shí)間服務(wù)器與時(shí)間同步終端通過(guò)TCP/IP的客戶/服務(wù)器方式交換NTP數(shù)據(jù)包。

對(duì)于對(duì)時(shí)間同步精度要求越來(lái)越高的試驗(yàn)IP網(wǎng)而言，滿足其高精度對(duì)時(shí)需要的是2008年發(fā)布的IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)第2版定義的用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，PTP），從目前國(guó)外的原型實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用來(lái)看，僅使用軟件實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)間同步的方案精度為微秒級(jí)，而采用硬件輔助的PTP時(shí)間同步的方案則可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的精度。

3 PTP授時(shí)原理

PTP協(xié)議的整體思路是通過(guò)硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步終端與時(shí)間服務(wù)器的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，建立微秒級(jí)的同步運(yùn)用。硬件單元由高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和時(shí)間印章單元組成，軟件部分通過(guò)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和印章單元的聯(lián)系來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步過(guò)程分為偏移測(cè)量補(bǔ)償階段和延遲測(cè)量補(bǔ)償階段。

3.1 偏移測(cè)量補(bǔ)償

偏移測(cè)量補(bǔ)償是用來(lái)測(cè)量并補(bǔ)償從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間差。在偏移測(cè)量補(bǔ)償階段，主時(shí)鐘周期性的發(fā)送確定的時(shí)間信息，其中包含有精確的時(shí)間印章，描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。

主時(shí)鐘在TA1時(shí)刻發(fā)送同步信息，其中包含數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間T，從時(shí)鐘在精確的TB1時(shí)刻收到該數(shù)據(jù)包。主時(shí)鐘在數(shù)據(jù)包發(fā)出后，發(fā)送Followup信息，其中包含有主時(shí)鐘發(fā)出同步信息的精確時(shí)刻。設(shè)從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移為TBA，則

TBA=TB1-TA1-Tdelay

其中Tdelay為主從時(shí)鐘的時(shí)間延遲。

主時(shí)鐘相對(duì)于從時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移為TAB，則

TAB=TA2-TB2-Tdelay

故，時(shí)鐘偏移Toffset=（TBA-TAB）/2=（TB1+TB2-TA1-TA2）/2

則，時(shí)鐘偏移的補(bǔ)償為：T（從）=T（主）-Toffset

3.2 延遲測(cè)量補(bǔ)償

延遲測(cè)量補(bǔ)償是用來(lái)測(cè)量并補(bǔ)償主從時(shí)鐘間的時(shí)間延遲。PTP協(xié)議定義了延遲請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。

從時(shí)鐘在TB3時(shí)刻發(fā)出延遲請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，主時(shí)鐘在TA3收到數(shù)據(jù)包，并發(fā)送給從時(shí)鐘，從時(shí)鐘能精確的計(jì)算出從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的時(shí)延，為DelayBA=TA3-TB3+TBA

同理，當(dāng)主時(shí)鐘在TA4時(shí)刻發(fā)送延遲請(qǐng)求數(shù)據(jù)包時(shí)，主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的時(shí)延為：

DelayAB=TB4-TA4-TBA

故，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲為：

Delay=（DelayBA+DelayAB）/2=（TA3-TB3+TB4-TA4）/2

則，從時(shí)鐘延遲補(bǔ)償為：T（從）=T（主）-Delay

4 方案設(shè)計(jì)

為建立高可靠性高精度的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是高精度的外時(shí)鐘源系統(tǒng)，二是高可靠性的PTP服務(wù)器架構(gòu)。

4.1 外時(shí)鐘源的選擇

考慮到時(shí)鐘源的精度及特殊情況下的可靠授時(shí)，外時(shí)鐘源最好選擇GPS及北斗雙授時(shí)系統(tǒng)，且本地配置銣頻標(biāo)或銣頻標(biāo)以上的頻率標(biāo)準(zhǔn)。從節(jié)約成本及減少維護(hù)工作量的角度出發(fā)，外時(shí)鐘源選擇為船現(xiàn)有的SB-123站時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)。

本時(shí)鐘源系統(tǒng)具備同時(shí)接收解調(diào)GPS授時(shí)信息及北斗授時(shí)信息的能力，并配備高性能銣原子頻標(biāo)。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 PTP集群服務(wù)器架構(gòu)

考慮到終端較多和用戶對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性要求甚高，本系統(tǒng)擬采用集群服務(wù)器架構(gòu)方案。

由于PTP采用多播通信，服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包不存在瓶頸問(wèn)題。但眾多的PTP 客戶機(jī)一起向服務(wù)器發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求數(shù)據(jù)包時(shí)，服務(wù)器需要逐個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)包處理并發(fā)送相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)包。為了減輕PTP服務(wù)單元的處理壓力，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)IP網(wǎng)時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和中心機(jī)機(jī)房分別設(shè)置PTP服務(wù)單元，構(gòu)成集群服務(wù)架構(gòu)。并可以通過(guò)故障處置機(jī)制，及時(shí)跳開(kāi)故障服務(wù)單元并告警。

PTP服務(wù)單元可以通過(guò)數(shù)據(jù)集信息的計(jì)算確定各網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時(shí)間同步終端PTP 端口狀態(tài)，基本分為主時(shí)鐘狀態(tài)、從時(shí)鐘狀態(tài)、失效狀態(tài)、預(yù)備主時(shí)鐘狀態(tài)、未校準(zhǔn)狀態(tài)等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能下降或主時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)集信息計(jì)算產(chǎn)生新的PTP服務(wù)單元，并上報(bào)PTP服務(wù)分配單元。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)IP網(wǎng)對(duì)時(shí)間同步精度要求越來(lái)越高，本文通過(guò)PTP集群服務(wù)器架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包打上精確的時(shí)間印章，提供了高可靠高精度的時(shí)間平臺(tái)。

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