基于IEEE1588網絡時間同步系統(tǒng)的研究

張懷玉 韓建波

【摘 要】隨著社會生產力的迅速提高和數字化技術應用的逐漸拓展，越來越多的領域需要使用精確的時間同步技術：如軍事、導航、通信、工業(yè)過程控制、測量等各個領域。在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，即網絡各個節(jié)點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合相關標準的規(guī)定。鑒于此，本文主要分析基于IEEE1588網絡時間同步系統(tǒng)的研究。

【關鍵詞】IEEE1588；網絡時間；同步系統(tǒng)

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A

1、概述

隨著電子信息技術和互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，計算機對信息的處理和傳送起著至關重要的作用。計算機的時鐘精度很低，一天內就有幾秒鐘甚至幾分鐘的時間漂移，已經無法滿足高準確度時間約束業(yè)務的要求，因此，如何在網絡系統(tǒng)中實現高準確度時間同步是一個相當重要的問題。

目前傳統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議如NTP（Network Time Protocol）和簡單網絡時間協(xié)議所達到的時鐘精度一般只能達到毫秒級，同步精度較低，對于現階段的一些對時鐘精度要求高的場合并不適用，而IEEE1588協(xié)議提高了時鐘同步精度，可以使時鐘精度達到微秒級，解決了一些場合時鐘精度不夠的問題。

IEEE1588的全稱是“網絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準（IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol）。IEEE1588標準是通用的提升網絡系統(tǒng)定時同步能力的規(guī)范，在起草過程中主要借鑒以太網來編制，使得分布式通信網絡能夠具有嚴格的定時同步，并應用在各種系統(tǒng)中。

2、IEEE1588網絡時間同步協(xié)議的技術

2.1、IEEE1588協(xié)議規(guī)范

IEEE1588標準為網絡測量和控制系統(tǒng)提供了精確時間同步協(xié)議即PTP協(xié)議，該協(xié)議應用于包括一個或多個節(jié)點的分布式系統(tǒng)中，這個系統(tǒng)在一系列的通信媒介上進行通信。每個節(jié)點包含一個實時時鐘模型，該實時時鐘可用于節(jié)點內不同的應用目的：比如為數據報產生時間戳，通過節(jié)點管理的事件進行排序等。PTP協(xié)議為分布式網絡中實現多個節(jié)點之間的高精度同步提供了一種機制。

2.2、最佳主時鐘算法

最佳主時鐘算法BMC（Best Master Clock Algorithm）指明了一種方法，該方法使得本地時鐘能夠決定與它相連的所有時鐘（包括其自身）中，哪一個時鐘是最好的。該算法獨立于系統(tǒng)中的每個PTP端口，即不管端口處于主狀態(tài)還是從狀態(tài)，只是根據BMC算法計算出自己的狀態(tài)。在端口選擇出比較好的時鐘之后，又將這些較好的時鐘進行比較，最后確定出一個最好的時鐘，指定它作為系統(tǒng)中的最佳主時鐘。

2.3、PTP時鐘端口狀態(tài)管理

（1）PTP協(xié)議引擎狀態(tài)機

在PTP系統(tǒng)中，任何時刻，普通時鐘的PTP時鐘端口或邊界時鐘的任意一個PTP時鐘端口，都必處于描述的9種狀態(tài)之一。在時鐘節(jié)點的初始狀態(tài)下，PTP網絡中各個節(jié)點的狀態(tài)保持的是系統(tǒng)默認狀態(tài)或者上一次系統(tǒng)關閉時的狀態(tài)，所以，在初始化狀態(tài)下確立的主時鐘是PTP系統(tǒng)默認的主時鐘或者系統(tǒng)上一次運行關閉時確立的主時鐘。但是，在系統(tǒng)的實際運行過程中，由于網絡中時鐘節(jié)點數目和網絡拓撲結構發(fā)生改變，以及網絡中各PTP時鐘自身的狀態(tài)變化等多種狀況，使得網絡拓撲結構經常發(fā)生變化，必然導致網絡中各PTP時鐘節(jié)點的狀態(tài)和最佳主時鐘發(fā)生變化。因此，在PTP時鐘節(jié)點間進行時鐘同步的過程中，PTP時鐘的狀態(tài)也必然隨之不斷變化。

（2）觸發(fā)PTP時鐘狀態(tài)轉換的事件

由特定的事件觸發(fā)導致圖1中所有狀態(tài)之間進行轉換。所有的觸發(fā)事件可歸納為以下9種。

圖1PTP協(xié)議引擎狀態(tài)機

1）POWERUP：事件必須由設備上電或復位機制觸發(fā)。2）INITIALIZE：事件必須由接收到的INITIALIZE管理報文觸發(fā)，也等價于報文的initialization Key域值被設定。3）DESIGNATED_ENABLED：事件必須由接收到的ENABLE_PORT管理報文觸發(fā)。4）DESIGNATED_DISABLED：事件必須由接收到的DISABLED_PORT管理報文觸發(fā)。5）FAULTY_CLEARED：事件必須由清除端口故障操作觸發(fā)，或由組織端口校正操作觸發(fā)。6）FAULTY_DETECTED：事件必須由內部狀態(tài)阻止端口校正的操作觸發(fā)。7）STATE_DECISION_EVEN：用接收到的Announce報文的數據決定哪一個是最佳主時鐘的事件，并決定本地時鐘的端口狀態(tài)是否需要改變。每個PTP時鐘節(jié)點都會按照相應的邏輯關系發(fā)生STATE_DECISION_EVEN事件。8）Recommended state：推薦狀態(tài)是最佳主時鐘算法的結果，并由STATE_DECISION_EVEN事件觸發(fā)。

3、IEEE1588協(xié)議的改進方法

3.1、路徑不對稱性

這個時鐘同步機制順利進行的前提是路徑一定要是對稱的，即報文在主時鐘節(jié)點到從時鐘節(jié)點傳輸時和從時鐘節(jié)點到主時鐘節(jié)點傳輸的延遲是相同的（上文用Delay代替兩個方向的延遲），分別如下式：

sm_Delay=t2-t1-Offset（1）

sm_Delay=t4-t3+Offset（2）

假設在理想的情況下，也就是當ms_Delay=sm_Delay的時候，上節(jié)的同步機制才能保證精確，但是在實際系統(tǒng)中，由于一些網絡上有較大負載，負載越大，兩種傳輸方向上的延遲Delay可能會越來越大，如果不加以改進，那么時鐘精度就會越來越低，嚴重影響設備的使用。所以要盡可能解決路徑不對稱的問題，以維持整個網絡和時鐘同步精度的穩(wěn)定。

3.2、時間戳

只有獲得準確的時間戳信息，IEEE1588協(xié)議才能最大程度的發(fā)揮其時間同步精度的優(yōu)勢。上文所提到的NTP和PTP實現時間同步的方法是類似的，但是NTP的時間同步精度低于PTP的時間同步精度，這是因為NTP和PTP時間戳的生成位置不同。

3.3、透明時鐘的引入

當時鐘節(jié)點較多時，容易產生時間誤差的積累，故引入透明時鐘概念，透明時鐘分為端對端透明時鐘和點對點透明時鐘。兩種時鐘都可以將延時的時間加到時間修正域里，以達到減小時間誤差的目的。

總之，隨著分布式系統(tǒng)的廣泛應用，系統(tǒng)對高精度時間同步的要求越來越高，在測控、通信等領域中已經對時間同步提出了微秒級的要求。而現行的網絡時間同步方式NTP/SNTP 等很難滿足以上領域的要求。因此，本文的研究也就顯得十分的有意義。

（作者單位：國電南瑞科技股份有限公司）