IEEE 1588精密時(shí)鐘同步協(xié)議測(cè)試技術(shù)

1  引言

以太網(wǎng)技術(shù)由于其開(kāi)放性好、價(jià)格低廉和使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度也從早期的10M提高到100M，GE，10GE。40GE，100GE正式產(chǎn)品也將于2009年推出。

以太網(wǎng)技術(shù)是“即插即用”的，也就是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò)上就可以隨時(shí)使用其提供的業(yè)務(wù)。但是，只有“同步的”的IP網(wǎng)絡(luò)才是一個(gè)真正的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)，才能夠?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)傳送各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。目前，電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步要求十分嚴(yán)格，對(duì)于一個(gè)全國(guó)范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般要求控制在50ms之內(nèi)，現(xiàn)行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（Network Time Protocol），簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP（Simple Network Time Protocol）等不能達(dá)到所要求的同步精度或收斂速度�；�于以太網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用通道仿真技術(shù)（TDM over Ethernet）作為一種過(guò)渡技術(shù)，具有一定的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步概念，可以部分解決現(xiàn)有終端設(shè)備用于以太網(wǎng)的無(wú)縫連接問(wèn)題。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)則特別適合于以太網(wǎng)，可以在一個(gè)地域分散的IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)高精度的時(shí)鐘同步。本文重點(diǎn)介紹IEEE 1588技術(shù)及其測(cè)試實(shí)現(xiàn)。

2  IEEE 1588PTP介紹

IEEE 1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡(jiǎn)稱(chēng)PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。

IEEE 1588將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)鐘分為兩種，即普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，BC），只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每個(gè)PTP端口提供獨(dú)立的PTP通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)和路由器）上。從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，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)PTP通信子網(wǎng)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)鐘為最高級(jí)時(shí)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(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock）來(lái)自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘；在只有一個(gè)子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時(shí)鐘就是最高級(jí)時(shí)鐘GMC。每個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)GMC，且每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步。圖1所示的是一個(gè)典型的主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意。

圖1  主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意圖

同步的基本原理包括時(shí)間發(fā)出和接收時(shí)間信息的記錄，并且對(duì)每一條信息增加一個(gè)“時(shí)間戳”。有了時(shí)間記錄，接收端就可以計(jì)算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘誤差和延時(shí)。為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了4種多點(diǎn)傳送的報(bào)文類(lèi)型和管理報(bào)文，包括同步報(bào)文（Sync），跟隨報(bào)文（Follow_up），延遲請(qǐng)求報(bào)文（Delay_Req），延遲應(yīng)答報(bào)文（Delay_Resp）。這些報(bào)文的交互順序如圖2所示。收到的信息回應(yīng)是與時(shí)鐘當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)的。同步報(bào)文是從主時(shí)鐘周期性發(fā)出的(一般為每?jī)擅胍淮?，它包含了主時(shí)鐘算法所需的時(shí)鐘屬性。總的來(lái)說(shuō)同步報(bào)文包含了一個(gè)時(shí)間戳，精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。

圖2  PTP報(bào)文與交換順序

由于同步報(bào)文包含的是預(yù)計(jì)的發(fā)出時(shí)間而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)間，所以Sync報(bào)文的真實(shí)發(fā)出時(shí)間被測(cè)量后在隨后的Follow_Up報(bào)文中發(fā)出。Sync報(bào)文的接收方記錄下真實(shí)的接收時(shí)間。使用Follow_Up報(bào)文中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)差，并據(jù)此更正從屬時(shí)鐘的時(shí)間。但是此時(shí)計(jì)算出的時(shí)差包含了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時(shí)，所以使用Delay_Req報(bào)文來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。

Delay_Req報(bào)文在Sync報(bào)文收到后由從屬時(shí)鐘發(fā)出。與Sync報(bào)文一樣，發(fā)送方記錄準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間，接收方記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)間。準(zhǔn)確的接收時(shí)間包含在Delay_Resp報(bào)文中，從而計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)鐘誤差。同步的精確度與時(shí)間戳和時(shí)間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達(dá)到毫秒的精度，軟硬件結(jié)合的方案可以達(dá)到微秒的精度。
PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時(shí)的最精確的匹配時(shí)間，每個(gè)從時(shí)鐘通過(guò)與主時(shí)鐘交換同步報(bào)文而與主時(shí)鐘達(dá)到同步。這個(gè)同步過(guò)程分為漂移測(cè)量階段和偏移測(cè)量與延遲測(cè)量階段。

第一階段修正主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，稱(chēng)為漂移測(cè)量。如圖3所示，在修正漂移量的過(guò)程中，主時(shí)鐘按照定義的間隔時(shí)間（缺省是2s）周期性地向相應(yīng)的從時(shí)鐘發(fā)出惟一的同步報(bào)文。這個(gè)同步報(bào)文包括該報(bào)文離開(kāi)主時(shí)鐘的時(shí)間估計(jì)值。主時(shí)鐘測(cè)量傳遞的準(zhǔn)確時(shí)間T0 K，從時(shí)鐘測(cè)量接收的準(zhǔn)確時(shí)間T1 K。之后主時(shí)鐘發(fā)出第二條報(bào)文——跟隨報(bào)文（Follow_up Message），此報(bào)文與同步報(bào)文相關(guān)聯(lián)，且包含同步報(bào)文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計(jì)值。這樣，對(duì)傳遞和接收的測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間戳的傳播可以分離開(kāi)來(lái)。從時(shí)鐘根據(jù)同步報(bào)文和跟隨報(bào)文中的信息來(lái)計(jì)算偏移量，然后按照這個(gè)偏移量來(lái)修正從時(shí)鐘的時(shí)間，如果在傳輸路徑中沒(méi)有延遲，那么兩個(gè)時(shí)鐘就會(huì)同步。

圖3  PTP時(shí)鐘漂移測(cè)量計(jì)算

為了提高修正精度，可以把主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的報(bào)文傳輸延遲等待時(shí)間考慮進(jìn)來(lái)，即延遲測(cè)量，這是同步過(guò)程的第二個(gè)階段（見(jiàn)圖4）。

圖4  PTP時(shí)鐘延遲和偏移計(jì)算

從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)出一個(gè)“延遲請(qǐng)求”數(shù)據(jù)報(bào)文，在這個(gè)過(guò)程中決定該報(bào)文傳遞準(zhǔn)確時(shí)間T2。主時(shí)鐘對(duì)接收數(shù)據(jù)包打上一個(gè)時(shí)間戳，然后在“延遲響應(yīng)”數(shù)據(jù)包中把接收時(shí)間戳B送回到從時(shí)鐘。根據(jù)傳遞時(shí)間戳B和主時(shí)鐘提供的接收時(shí)間戳D，從時(shí)鐘計(jì)算與主時(shí)鐘之間的延遲時(shí)間。與偏移測(cè)量不同，延遲測(cè)量是不規(guī)則進(jìn)行的，其測(cè)量間隔時(shí)間（缺省值是4~60s之間的隨機(jī)值）比偏移值測(cè)量間隔時(shí)間要大。這樣使得網(wǎng)絡(luò)尤其是設(shè)備終端的負(fù)荷不會(huì)太大。采用這種同步過(guò)程，可以消減PTP協(xié)議棧中的時(shí)間波動(dòng)和主從時(shí)鐘間的等待時(shí)間。從圖4右邊可以看到延遲時(shí)間D 和偏移時(shí)間數(shù)值O的計(jì)算方法。

IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要應(yīng)用于相對(duì)本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，特別適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。與其他常用于Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要區(qū)別是PTP是針對(duì)更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)的，所以更為簡(jiǎn)單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源也更少。NTP協(xié)議是針對(duì)于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議。GPS(基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng))也是針對(duì)于分散廣泛且各自獨(dú)立的系統(tǒng)。PTP定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使自身達(dá)到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時(shí)間戳更容易在硬件上實(shí)現(xiàn)，并且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP可以達(dá)到微秒以?xún)?nèi)的精度。此外，PTP模塊化的設(shè)計(jì)也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。

由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。