IEEE 1588協(xié)議分析及在網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)的應(yīng)用

陳新華　支高飛　谷士鵬

（中國飛行試驗研究院測試所，陜西西安 710089）

IEEE 1588協(xié)議分析及在網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)的應(yīng)用

陳新華支高飛谷士鵬

（中國飛行試驗研究院測試所，陜西西安 710089）

本文主要講述發(fā)展基于1588同步協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)需求原因，并重點針對1588同步協(xié)議進行了分析，尤其是第2版本中新提出的透明時鐘模型以及透明時鐘的延時處理機制。在此基礎(chǔ)之上，針對在機載測試中可能影響同步精度的因素進行了逐一的分析，并提出了處理的方法。這些因素的考量以及處理的方案對于測試方案實施與設(shè)備的研制與定制具有一定的參考意義。

IEEE 1588 網(wǎng)絡(luò)化機載測試 時鐘同步性

1　前言

目前全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）同步設(shè)備通過硬接線利用1PPS脈沖信號進行對時，具有精度高，沒有累積時間誤差的特點，能夠達到IEC61850 T5的時間精度，而且其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但隨著數(shù)字化的進一步發(fā)展，站內(nèi)二次硬接線將逐漸被串行通信線所取代，為此IEC61850標準引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（simple network time protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對時精度在大多數(shù)情況下可達T1等級（1ms）且應(yīng)用較成熟，但是實現(xiàn)T3等級精度（25μs）很困難。

2002年，發(fā)布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議（precision time protocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達亞μs級。IEEE 1588協(xié)議引起了自動化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE 1588協(xié)議的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)和IEEE1588工業(yè)應(yīng)用的研究。2008年，經(jīng)進一步完善的IEEE 1588標準第2版發(fā)布。

2　1588協(xié)議的優(yōu)勢與網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)的必要性

1588協(xié)議與傳統(tǒng)的GPS授時系統(tǒng)相比，以串行總線的方式代替了站內(nèi)二次硬線的聯(lián)結(jié)，減少了GPS分路器和接收設(shè)備的成本投資；而與SNTP協(xié)議相比，雖然同樣是采用串行總線來實現(xiàn)時鐘同步，但是1588協(xié)議通過在MII層加入硬件時間戳的方式，使得網(wǎng)絡(luò)的抖動和延時得到了很大的改善，時間精度能夠達到T3的精度，遠優(yōu)于SNTP協(xié)議ms級的同步時間精度。

而且，隨著機載測試系統(tǒng)的越來越復雜，采集的數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)的PCM架構(gòu)下的機載網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足龐大的測試系統(tǒng)需求。因為當編輯的PCM幀格式大于8M傳輸速率，人為編輯的PCM幀格式，基本上很難通過軟件的編譯和硬件的燒錄。另外，傳統(tǒng)的PCM架構(gòu)下的KAM500采集系統(tǒng)，采用的是RS422/485電平特性，而RS422/485 電平在1Mbps 速率下最大傳輸距離100米，針對大飛機的測試也受到了一定的限制。因此，這些問題都提出了發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)的需要。

3　1588版本協(xié)議分析

IEEE 1588協(xié)議的核心思想是通過BMC算法獲得最佳主時鐘后，通過在同步報文上標記時間戳的方式，來實現(xiàn)整個系統(tǒng)上的主從時鐘的同步。其工作原理如圖1所示:

圖中，T1為同步報文的時間，T2為從時鐘端接收同步報文的時間，T3為從時鐘端發(fā)送延遲請求報文的時間，T4為主時鐘端收到延時請求的時間。主從時鐘間的偏移量Toffset以及傳輸延時Tdelay計算公式為:

Toffset= ［（T2-T1）-（T4-T3）］/2

Tdelay=［（T2-T1）+（T4-T3）］/2

3.1BMC算法

BMC算法是在所有互聯(lián)設(shè)備中選擇一臺最適合的設(shè)備充當主時鐘。當某臺設(shè)備加入1588網(wǎng)絡(luò)時，它會廣播其時鐘數(shù)據(jù)并接收其他設(shè)備的時鐘數(shù)據(jù)集，從而使得IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都運行同一BMC算法，以確定最佳主時鐘及自身未來的狀態(tài)（主時鐘或從時鐘）。

BMC算法由數(shù)據(jù)集比較算法和狀態(tài)決策算法組成。數(shù)據(jù)集比較算法依據(jù)系統(tǒng)上各個節(jié)點的時鐘特性（時鐘特性包括時鐘屬性、時鐘等級、時鐘類型、時鐘方差），將所有互聯(lián)設(shè)備的時鐘進行比較，并將比較結(jié)果返回，為狀態(tài)決策算法設(shè)置本地時鐘的狀態(tài)提供依據(jù)。狀態(tài)決策算法負責在數(shù)據(jù)集比較算法的基礎(chǔ)上決定本地時鐘端口的狀態(tài)，并對當前數(shù)據(jù)集、父數(shù)據(jù)集和全球時間數(shù)據(jù)集進行修正。即用數(shù)據(jù)集比較算法比較受到的同步報文是否優(yōu)于本地時鐘的默認數(shù)據(jù)集，如果比本地時鐘數(shù)據(jù)集優(yōu)，則將本地設(shè)為從時鐘，否則則為主時鐘，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)集修正的結(jié)果，決定程序的流向，進而產(chǎn)生拓撲結(jié)構(gòu)。

因此由于網(wǎng)絡(luò)中的所有時鐘端口均按相同的BMC算法進行本地時鐘狀態(tài)的設(shè)置，所以設(shè)備之間不需要進行任何的協(xié)商，便可選出網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)時鐘。IEEE 1588協(xié)議會依據(jù)BMC算法將一些競爭失敗的節(jié)點端口定義為禁用狀態(tài)、被動狀態(tài)等，避免生成回路。

3.2IEEE 1588協(xié)議下標記時間戳的方式

IEEE 1588的同步原理決定了時鐘同步的精度主要取決于時間戳的精度。時間戳的加蓋有3種方法:

（1）硬件標記方式:時間戳主要加蓋在MAC層和PHY層之間的MII（media independent interface）層，通過硬件電路實現(xiàn)，抖動最小，同步最精準。（2）軟件標記方式:時間戳加蓋在網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動層，在網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動程序中實現(xiàn)，精度略低。（3）應(yīng)用層標記方式:應(yīng)用層標記無需修改其他系統(tǒng)軟件，但是協(xié)議棧的操作延遲和負載情況都會對同步精度造成影響，同步精度最差。

無論在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層還是在MII產(chǎn)生的時間戳，都必須返回到PTP應(yīng)用層并經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)核處理，然后才發(fā)送到PTP終端。只有獲得精確的時間戳，才能發(fā)揮IEEE 1588所能達到的時鐘同步精度。

4　透明時鐘與時延機制

4.1透明時鐘與邊界時鐘的同步機制比較

IEEE 1588版本2在版本1的基礎(chǔ)上，增加了透明時鐘的模型。透明時鐘計算PTP同步報文在網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中的延時時間，并且把此延時時間累加在 PTP 同步報文的校正域中。當同步報文到達從時鐘，從時鐘將校正域加入到時間的偏差計算中，有效的補償?shù)敉綀笪脑谕该鲿r鐘上的延時，從而使得充當網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的透明時鐘看起來和導線一樣，避免了設(shè)備的內(nèi)部延時與抖動， 提高了網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備級聯(lián)時的同步精度。

透明時鐘計算PTP同步，但不運行PTP同步協(xié)議，只是轉(zhuǎn)發(fā)PTP報文，并對報文中的轉(zhuǎn)發(fā)延時進行修正。根據(jù)時延機制的不同，透明時鐘（TC）又分為E2E TC和P2P TC兩種（圖2）。

4.2E2E和 P2P 延時測量機制

4.2.1Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容不同

E2E模式下，Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容是級聯(lián)關(guān)系下，同步報文從發(fā)出到目的地之間，在各個網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中的駐留時間之和。P2P模式下，Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容是級聯(lián)關(guān)系下，同步報文從發(fā)出到目的地之間，各個網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的駐留時間和傳輸延時之和。例如在圖3中，E2E模式下的Sync校正域則為△S1；而P2P的Sync校正域則為△L1+△S1。

4.2.2延時測量機制的不同

首先，由于都是透明時鐘，因此主鐘發(fā)出的同步報文都是穿過數(shù)個網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備到達從鐘，從時鐘接收到同步報文并計算偏差，調(diào)整自身時鐘，從而與主鐘保持同步。這個同步過程與采用哪種延時測量機制無關(guān)。

在E2E模式下，延時報文交互只發(fā)生在主時鐘與每個從時鐘之間，由主時鐘發(fā)送延時請求報文（Delay_Req），從時鐘回答延時相應(yīng)報文（Delay_Resp）。由從時鐘計算路徑的總延時，而網(wǎng)絡(luò)上的其它端口均不計算延時。

在P2P模式下，延時報文發(fā)生在每一個端口之間，每條鏈路上的兩個端口都計算本鏈路的延時，如下圖4所示。

4.2.3網(wǎng)絡(luò)的局限性與重構(gòu)能力的不同

由于E2E的延時報文發(fā)生在主時鐘與每一個從時鐘之間的，而在實際工程中主時鐘的資源是有限的，因此E2E的網(wǎng)絡(luò)子時鐘數(shù)目具有一定的限制；而E2E的延時報文，由于發(fā)生在每條鏈路上得兩個端口之間，主時鐘只與直接鏈接的網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備發(fā)生延時報文的交互，因此可擴展性更好。

在重構(gòu)適應(yīng)能力上，由于E2E的延時報文發(fā)生在主時鐘與每一個從時鐘之間，因此當圖4中TC1到TC3與TC1到S鏈路斷路時，需要啟用之前的阻塞鏈路。而這一改變，會給整個網(wǎng)絡(luò)帶來一個較大的時鐘抖動。而在P2P延時測量機制下，網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路的兩個端口都計算并保存本鏈路延時。因此當延時路徑變化時，每個鏈路并不需要重新計算鏈路延時，這樣用于計算的路徑延時不會突變，不會對從時鐘的控制環(huán)造成擾動，因此從鐘偏差計算是穩(wěn)定的。［3］

因此，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時無縫計算路徑延時和偏差是 P2P 延時測量機制的重要優(yōu)點。

5　網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的架構(gòu)

由于機載測試系統(tǒng)日趨龐大，因此網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)是未來龐大數(shù)據(jù)量的機載測試系統(tǒng)的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)化機載測試系統(tǒng)包含有時鐘源、網(wǎng)絡(luò)主控交換機、數(shù)據(jù)采集單元（DAU）、專用測試子系統(tǒng)、ENC/106模塊、EBM/103網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽模塊、遙測子系統(tǒng)組成。其中，主控交換機接受時鐘源發(fā)生或者解析的時間信息；DAU與專用測試子系統(tǒng)負責通用數(shù)據(jù)采集和特殊的信號采集，并打包成網(wǎng)絡(luò)包的形式發(fā)給主控交換機；EBM模塊負責從網(wǎng)絡(luò)交換機獲取上獲取所需要的網(wǎng)絡(luò)包，并將需要遙測的信息發(fā)送給ENC/106模塊。ENC/106模塊將從EBM/103模塊接收到的網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)編輯成PCM數(shù)據(jù)流，發(fā)送給遙測子系統(tǒng)并由它進行遙測下傳（圖5）。

在機載測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，測試設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)同步性是一切數(shù)據(jù)有效可靠的前提。而IEEE 1588的同步原理決定了時鐘同步的精度主要取決于時間戳的精度，而以下的幾點因素都將影響機載測試網(wǎng)絡(luò)的時鐘的同步性。

5.1時間戳（TSU）的時鐘頻率

由于IEEE 1588協(xié)議是通過周期標記時間戳并交換同步報文來實現(xiàn)時鐘同步，因此主時鐘標記時間戳的頻率必須穩(wěn)定，且滿足機載測試同步的需要。例如TSU所用的時鐘頻率為80M時，時間戳只能12.5ns步進一次，精度也只能到達12.5ns，TSU記錄時間戳會存在±12.5ns的理論誤差。主時鐘晶振的漂移問題，則可選用溫漂小的晶振，并通過環(huán)路控制從時鐘的運行速度，以使得主時鐘與從時鐘采用相同的時間尺度。

5.2時間戳（TSU）的標記方法

目前，機載網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)的TSU標記方法大多通過硬件電路在MII層標記。但是，第三方的產(chǎn)品多種多樣，如果第三方產(chǎn)品的TSU標記方法在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層或應(yīng)用層標記，那么必然會帶來時鐘的誤差與時延。因此，在設(shè)備研制與采購時需要制定統(tǒng)一的標準，方便后期的測試方案的實施。

5.3網(wǎng)絡(luò)包的平衡性

不均勻的網(wǎng)絡(luò)負載會造成不容忽視的同步誤差。在飛行試驗機載測試網(wǎng)絡(luò)中這種現(xiàn)象非常普遍。數(shù)據(jù)總是從一個節(jié)點固定流向另一個節(jié)點，這造成PTP消息傳輸中形成不對稱的時延，從而導致一個固定的時間偏差［5］。在機載測試中，為了減少這種不平衡性，可以通過事先測試出DAU與主交換機之間的1PPS脈沖之間的偏差，并進行相應(yīng)的調(diào)整。

5.4網(wǎng)絡(luò)時鐘紊亂的處理機制

由于各個設(shè)備采用的處理機制不同，會使得在時鐘紊亂的時刻，各自計算路徑延時和偏差的不同。例如有的是邊界時鐘，有的是透明時鐘，有的是采用E2E延時機制，有的則采用P2P延時機制。這些采用不同的時鐘紊亂處理機制的設(shè)備間的對接將帶來一定的誤差值。

5.5時間戳（TSU）的標記時刻

IEEE1588v2建議以PTP報文幀頭到達TSU的時刻為時間戳的觸發(fā)時刻。在實際的工程方案中，由于各個TSU硬件結(jié)構(gòu)不同，時間戳的觸發(fā)時刻也不盡相同。有的在PTP報文幀頭處打戳，有的在PTP報文幀尾處打戳。相同的實現(xiàn)方案的PTP端口對接不會出現(xiàn)時間同步精度的問題，但是不同實現(xiàn)方案的對接將帶來固定誤差值。這個誤差值的大小由包長，打戳位置，接口速率等因素決定。

6 結(jié)語

IEEE1588是目前被重點考察的，以解決飛機大數(shù)據(jù)流測試系統(tǒng)時間同步問題的方法之一。深入研究與分析1588協(xié)議是理解網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)時鐘同步和方案設(shè)計的基礎(chǔ)。同時，大量關(guān)于飛行試驗所使用的測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時間不確定性、性能、組網(wǎng)等課題也都在繼續(xù)研究之中。相信1588時間同步技術(shù)將會在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化機載測試中發(fā)揮重要作用。

［1］黃云水，馮玉光.《IEEE 1588精密時鐘同步分析》.國外電子測量技術(shù)，2005，24（9）.

［2］IEC 61588，precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］. 2004.

［3］崔全勝，魏勇，何永吉，史宏光.《PTP1588 協(xié)議的分析》.電力系統(tǒng)保護與控制，2011年第39卷第10期.

［4］魏豐，孫文杰.IEEE-1588協(xié)議時鐘同步報文的精確時間標記方法研究.儀器儀表學報，2009.30.

［5］Hans Weibel and Dominic Bechaz.“IEEE 1588-Implementation and Performance of Time Stamping Techniques”，Processding of NIST Conference on IEEE 1588， 27-29 Sept，2004.

［6］劉巍，熊浩清，石光，趙勇.《IEEE 1588 時鐘同步系統(tǒng)應(yīng)用分析與現(xiàn)場測試》.電力自動化設(shè)備，2012年第32卷第2期.

［7］陳朝輝.《1588時間同步技術(shù)在現(xiàn)代通訊網(wǎng)中的實現(xiàn)與應(yīng)用》.信息通訊，2010年008卷第5期.

［8］魏豐，孫文杰.《IEEE-1588協(xié)議同步報文的精確時間標記方法研究》.儀器儀表學報，2009年1月第30卷第1期.

［9］陳姝，胡冰新，劉景夏，王娜.《IEEE 1588精確時間同步協(xié)議淺析》.微計算機信息，2012年第28卷第2期.

This paper is mainly about the demandof thedevelopment ofairborne networktesting systembased on1588 synchronization protocol，and focus on analyzing of the 1588synchronizationprotocol，especiallythe transparent clock model mentioned in version 2andtransparent clockdelayprocessing mechanism. On this basis， according to thefactors that may affectsynchronization accuracyin airbornetestone by oneanalysis，and puts forward the treatmentmethod.Consider these factors as well as treatment programs for research and program implementation and custom test equipment has a certain reference value.

non fixed length data packet； RS422；KAM500