PTP技術(shù)分析

專(zhuān)題技術(shù)與工程廢用PTP技術(shù)分析方強(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)摘要時(shí)間同步技術(shù)廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、儀表測量以及通信等領(lǐng)域,傳統的同步技術(shù)的同步精度比較低,已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高精度同步的需求,IEEE1588標準精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)的提出,解決了應用領(lǐng)域中需要高精度時(shí)間同步的問(wèn)題,它可以通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )實(shí)現,大大降低系統成本。對PTP中的系統模型、同步機制進(jìn)行了分析,給出了PTP實(shí)現時(shí)注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞PP;1588;NP中圖分類(lèi)號TP393文獻標識碼A文章編號1003-3106(2010)02-0061-04Analysis on PTPFANG QiangThe 54th Research institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China)Abstract Time synchronization techniques are widely applied to industrial automation, instrument measurement and telecommunicationbut traditional methods can t satisfy the requirement in some precise time synchronization application. IEEE1588 standard addresses precisesynchronization of clocks in application that needs precise time references. It can achieve highly accurate synchronization over pnetwork(e. g. Ethemet)and reduce cost of system deployment. In this paper, PTP system model and precise synchronization principle arediscussed and some key points in designing PTP system are givenKey words PTP: 1588; NTP成本,提高了效率0引言時(shí)間同步技術(shù)廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)控1系統模型制、儀器測量以及通信領(lǐng)域,早期的時(shí)間同步技術(shù)一PTP系統是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )結構,在PP系統般需要專(zhuān)用的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )為應用系統提供服務(wù),中,協(xié)議運行的邏輯范圍稱(chēng)為一個(gè)域( Domain),域中無(wú)法直接在應用網(wǎng)絡(luò )中(尤其是在分組網(wǎng)絡(luò )中)傳遞設備采用主、從方式實(shí)現時(shí)間精準同步,所有的實(shí)時(shí)時(shí)間同步信息,所以系統的成本比較高,NTP時(shí)鐘組成主從同步端口,一個(gè)設備可以有多個(gè)( Network Time protoco)雖然可以在應用網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現端口,對上它是從端口,對下它是主端口。系時(shí)間同步,但是精度不是很高,無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的統中有一個(gè)高級主時(shí)鐘( Grandmaster),它決定了對精確時(shí)間同步的需求,所以PTP技術(shù)應運而生。整個(gè)系統的時(shí)鐘IEEE1588標準(網(wǎng)絡(luò )測量和控制系統精確時(shí)鐘同步頻率。系統中主協(xié)議,簡(jiǎn)稱(chēng)PP)由安捷倫實(shí)驗室的成員開(kāi)發(fā),并于從設備通過(guò)交換2002年11月正式成為IEEE標準(版本1.0),最初PIP協(xié)議消息,來(lái)的標準主要用于工業(yè)自動(dòng)化、精密控制以及工業(yè)測調整本地時(shí)鐘,從量和測試方面,但是隨著(zhù)精確時(shí)間定時(shí)的廣泛應用,而達到時(shí)鐘的同IEEE在2008年4月推出了2.0版本,增加了PTP在步。一個(gè)簡(jiǎn)單的電信、網(wǎng)絡(luò )、航空以及電力系統中的應用。 IEEE PTP1588的出現解決了時(shí)間同步應用中對時(shí)間精度的圖1"中國煤化工系模要求,實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )中精確時(shí)鐘同步;采用了以太網(wǎng)絡(luò )CNMHG普通時(shí)鐘(OC)邊實(shí)現傳輸可以和采用分組網(wǎng)絡(luò )的應用結合降低了收稿日期:200182010旱無(wú)實(shí)電工翟第40癮第2期61專(zhuān)題技術(shù)與工程應用界時(shí)鐘(BC)、端到端透明時(shí)鐘、對等透明時(shí)鐘以及Delay_ Resp:對 Delay_meq的響應,可以帶發(fā)送管理設備等。PTP設備在物理上可能只是一個(gè)可以時(shí)間標簽,如果沒(méi)有帶由隨后的 Delay Resp實(shí)現PIP協(xié)議的硬件模塊或軟件模塊,它們一般集Folw_Up傳送;成在應用設備中。Pdelay_ Resp Follow Up:用于傳送De普通時(shí)鐘直接和應用相連,實(shí)現對應用所需時(shí)Resp的發(fā)送時(shí)間;鐘的精確定時(shí)。Management:傳輸用于管理時(shí)鐘設備的的信息邊界時(shí)鐘主要實(shí)現不同PTP網(wǎng)絡(luò )區域的橋接,以及命令;它有多個(gè)PTP端口,在每個(gè)端口都實(shí)現不同的同步ignaling:在不同時(shí)鐘之間傳送信息、請求以及機制,這些端口可以是主端口也可以是從端口,邊界命令。時(shí)鐘一般對上一級為從鐘,對下一級是主鐘。3同步機制透明時(shí)鐘(T℃C)類(lèi)似于普通網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)橋或路由器,一般不做本地時(shí)鐘同步,只是轉發(fā)PP協(xié)議的實(shí)現精確網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步需要解決2個(gè)問(wèn)題消息,同時(shí)為了防止級聯(lián)拓撲中的誤差累計,計算①晶振的漂移;②時(shí)間傳輸的延遲。對于一般的PTP協(xié)議包經(jīng)過(guò)中間設備引起的時(shí)延(駐留時(shí)間),晶振來(lái)說(shuō),當經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后就會(huì )和其他晶振失去并把這些時(shí)間加在消息中“時(shí)間更正字段”,用于計同步,產(chǎn)生漂移,而保持同步的方法就是周期性用算鏈路延遲,實(shí)現時(shí)間的精確同步,這時(shí)中間節點(diǎn)相個(gè)精確的時(shí)鐘源去調整晶振。當于“導線(xiàn)”,不會(huì )影響經(jīng)過(guò)它們的數據包的時(shí)間PTP協(xié)議通過(guò)主鐘和從鐘的頻繁交換信息,使計算得從鐘不斷計算出時(shí)間偏移以及鏈路延遲來(lái)調整自PTP系統具有自動(dòng)管理功能,PP設備可以自已的時(shí)鐘從而達到和主鐘時(shí)間的同步動(dòng)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中的其他PP設備,并且自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )PTP協(xié)議中定義了2種同步方法:①延遲請求定時(shí)結構,同時(shí)利用BMC算法( Best master Clock)評響應( Delay Request-response)方法;②對等延遲方法估網(wǎng)絡(luò )中的其他PTP設備,并選擇主鐘。( Peer-delay),前一種方法使用Syne, Delay_Req等消息進(jìn)行交互,后一種采用 Delay_Req, Delay Re2協(xié)議消息等消息實(shí)現。PTP協(xié)議消息包括事件消息和普通消息,事件3.1延遲請求響應方法消息屬于定時(shí)消息,在傳輸和接收時(shí)會(huì )打上消息發(fā)送時(shí)的精確時(shí)間標簽,而普通消息無(wú)需精確的時(shí)間延遲請求響應方法協(xié)議過(guò)程如圖2所示,該主主時(shí)鐘從時(shí)鐘標簽。事件消息包括:要用于測量主鐘和從鐘之SyncSyne:同步消息,由主設備發(fā)送給從設備,消息間的時(shí)間偏移以及鏈路延中可以包含Smc發(fā)送時(shí)間標簽,也可以在后續的遲。具體如下:Follow UP消息中包含;①主鐘給從鐘發(fā)送Deay-Bg:請求對端返回接收到 Delay Reg Sync消息并標注發(fā)送時(shí)間4;消息時(shí)的時(shí)間標簽,時(shí)間標簽嵌入在響應消息②從鐘收到Syne消Delay Resp;息后標注接收時(shí)間2。主Deiay RespDelay-mq:用于發(fā)起鏈路延時(shí)測量請求,帶發(fā)鐘通過(guò)下面2種方法把4送時(shí)間標簽。通知給從鐘:在Syn消息圖2延遲請求響應方普通消息沒(méi)有時(shí)間標簽,主要用于傳遞其他消中嵌入時(shí)間標簽;在yne法協(xié)議過(guò)程息的發(fā)送時(shí)間標簽、系統狀態(tài)以及管理信息,包括后發(fā)送一個(gè)Folw_U消息,在該消息中攜帶t1;Announce:廣播發(fā)送節點(diǎn)和高級主鐘的狀態(tài)和凵中國煤化工給主鐘并且標注特征信息;發(fā)送CNMHGFollow_ Up:用于傳送Syn消息的發(fā)送時(shí)間;④主鐘收到Dlay_Rq消思后標注接收時(shí)間4;62 2010 Radio Engineering Vol 40 No.2專(zhuān)題技術(shù)與工程應用⑤主鐘通過(guò) Delay Resp消息把t4告訴從鐘。加到相應的消息中,實(shí)現延遲的校正假設主鐘和從鐘之間2個(gè)方向的傳輸延遲相等,同時(shí)在一個(gè)很短的時(shí)間同步過(guò)程中,從鐘相對于4PTP實(shí)現時(shí)應注意的問(wèn)題主鐘新產(chǎn)生的時(shí)間偏移忽略不計。4.1協(xié)議棧設從鐘相對于主鐘的時(shí)間偏移為qsr,即主鐘在t1時(shí)刻時(shí),從鐘的時(shí)間應為t1+ offset,另設傳輸使用PTP實(shí)現時(shí)間同步時(shí),PTP可以承載在延時(shí)為 delayUDP上,也可以直接承載在MAC協(xié)議上。PTP承載從鐘根據t1、l2、l1、t4計算時(shí)間偏移(se)以在UDP上時(shí),軟件可以采用 SOCKET進(jìn)行收發(fā)UDP及傳輸延時(shí)( delay),即包,事件消息的UDP端口號319,普通消息的組播端口號為320。PP實(shí)現另一種方法是:直接在MAC層進(jìn)行PP協(xié)議包分析,這樣可以不經(jīng)過(guò)UDP協(xié)議棧,減少delay =(44-43+ t2-t1PTP在協(xié)議棧中駐留時(shí)間,提高同步的精確度qer=(h2-1-l4+l3)/2。IEEE1588支持基于MAC的PP協(xié)議,PTP協(xié)根據 offset從鐘可以調整自己的時(shí)鐘。議消息可以承載在MAC幀中,由于靠近物理層,所以有助于提高同步精度。3.2對等延遲方法4.2時(shí)間標簽對等延遲方法用于請求節點(diǎn)A應節點(diǎn)B測量相鄰2個(gè)PTP端口之在PTP的實(shí)現中,時(shí)間標簽的實(shí)現方式有2種:Pde l ay Req間的鏈路延時(shí),使用軟件實(shí)現的時(shí)間標簽和硬件實(shí)現的時(shí)間標簽。軟件時(shí)間標簽的實(shí)現無(wú)需硬件支持,簡(jiǎn)單易行,可以在應和 Pdelay Resp_ Follow用層實(shí)現,但是具有較高的時(shí)延和抖動(dòng),在精度上稍Pcly.R與ψp等消息實(shí)現,工作原差一些。硬件時(shí)間標簽可以減少抖動(dòng)( Stack Jitter理如圖3所示具有很好的性能,可以實(shí)現ns級的定時(shí)。硬件時(shí)間實(shí)現對等延遲方法Pdel ay_ Resp_ Follow_up標簽需要硬件支持,在實(shí)現上比較復雜,而且會(huì )增加的2個(gè)PTP端口沒(méi)有主成本。硬件時(shí)間標簽一般在MAC層實(shí)現,原因是靠從之分,任何一個(gè)端口圖3對等延遲方法近物理層。都可以發(fā)起請求,其中協(xié)議過(guò)程4.3更新間隔個(gè)端口為請求方,另一個(gè)端口為響應方,請求方根4個(gè)時(shí)間標簽計算出節點(diǎn)A到節點(diǎn)B之間的平均時(shí)間的同步精度和同步消息Sync的更新間隔鏈路延遲有著(zhù)密切的關(guān)系,顯然間隔越小就會(huì )得到更好的精協(xié)議過(guò)程如下:度。在IEE1588V1.0版本中Syme消息的時(shí)間間①節點(diǎn)A在t1時(shí)刻發(fā)送 Delay_ Req,且記下隔為s級,可以是1,2,5,16和64,但是在V2.0中Sye的發(fā)送間隔遠遠小于1s,最高可以達到時(shí)間標簽t1;1000次/s②節點(diǎn)B在收到 Pdelay_ Req后產(chǎn)生時(shí)間標簽同步消息更新太頻繁會(huì )消耗大量的帶寬資源并4,同時(shí)在與時(shí)刻發(fā)送Pday-Rep消息,在且影響其他業(yè)務(wù),所以更新間隔的選擇和設備要求Delay-Resp消息中,把a3-h2的值放在的精度、網(wǎng)絡(luò )的帶寬以及業(yè)務(wù)有關(guān)Correction Field字段中;為了實(shí)現PTP協(xié)議的快速傳遞,一般應給于③節點(diǎn)A收到 Delay Resp后記下t4;PTP消息最高的優(yōu)先級,這樣可以降低它在網(wǎng)絡(luò )中④節點(diǎn)A根據h1、4、3-2可以計算出節點(diǎn)A、的延面好岫宮福蠕確時(shí)回同步。B之間平均鏈路延時(shí),即[(4-t1)-(t3-t2)J/2。中國煤化工4.4對等延遲方法是為了精確測量鏈路延遲,便于CNMHG用延遲請求響應方法實(shí)現同步時(shí),把鏈路延遲信息構建PTP系統網(wǎng)絡(luò )時(shí),域的選擇不能太大,中間2010年死線(xiàn)電工翟第40裘第2期63專(zhuān)題技術(shù)與工程應用節點(diǎn)也不應太多,主從級聯(lián)層次不要過(guò)多,否則會(huì )影①次ps級的同步精度;響同步效果,當網(wǎng)絡(luò )大的時(shí)候可以分成多個(gè)域,利用②數據、同步以及管理均通過(guò)以太網(wǎng);邊界時(shí)鐘(BC)實(shí)現互連③自動(dòng)糾正時(shí)延( Latency);④管理簡(jiǎn)單:PTP設備自動(dòng)發(fā)現并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )。5PTP和其他同步技術(shù)的比較PTP對本地時(shí)鐘的精度要求比較高,這主要和6結束語(yǔ)同步所要求的精度有關(guān)。PP和其他時(shí)間同步技術(shù)PTP技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單、比較容易實(shí)現,目前逐步在的比較如表1所示。需要高精度時(shí)鐘同步的領(lǐng)域得到應用,采用以太網(wǎng)表1PTP和其他同步技術(shù)比較絡(luò )傳輸的特點(diǎn)使它更適合于分組網(wǎng)絡(luò )應用,尤其是同步技術(shù)TEEE1588在移動(dòng)通信領(lǐng)域,隨著(zhù)通信的P化,PTP技術(shù)的采同步精度100m-100p81-10ps1-100ms用可以減少基站對GPS的依賴(lài),大大降低網(wǎng)絡(luò )部署網(wǎng)絡(luò )類(lèi)以太網(wǎng)專(zhuān)用網(wǎng)服務(wù)方式主/從主/從成本,同時(shí)滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )對時(shí)間同步精度的需求。中協(xié)議UDP或MACUDP參考文獻傳播方式組播或單播播時(shí)延校正自動(dòng)沒(méi)有自動(dòng)[1] IEEE 1588-2008. IEEE Standard for a Precision Clock網(wǎng)絡(luò )管理配置Synchronization Protocol for Networked Measurement and本地時(shí)鐘要求精度要求較高沒(méi)有要求Control Systems[S],2008更新間隔1-1000次/s1次/幾作者簡(jiǎn)介PTP協(xié)議和其他時(shí)間同步技術(shù)相比有以下的方強男,(1%67-),中國電子科技集團公司第五十四研究所優(yōu)點(diǎn):高級工程師。主要研究方向:通信交換技術(shù)、信令和協(xié)議(上接第52頁(yè))較好,測試數據準確可靠,可投入實(shí)驗室使用3實(shí)驗4結束語(yǔ)針對自動(dòng)校準系統選擇一臺性能穩定的信號發(fā)利用圖形化編程語(yǔ)言Ⅴ EE Pro6.0與GPIB通用生器(F8251A)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗,對同一頻率(1cH)接口總線(xiàn)及LAN口組建的信號發(fā)生器自動(dòng)校準系的調諧射頻電平由高到低進(jìn)行單次測量,并對關(guān)心統結構簡(jiǎn)單控制軟件簡(jiǎn)單明了,擴展性及可操作性的0dBm電平進(jìn)行重復性測試測試數據如表1表2強,系統運行穩定,維護方便,數據存儲和打印功能所示。均能較好的實(shí)現,提高了測試覆蓋性,減小了人為誤表1自動(dòng)測試的測量結果差,適應了檢定校準測試技術(shù)的發(fā)展。但需要指出標稱(chēng)值/dBm實(shí)測值/dBm標稱(chēng)值/dBm實(shí)測值/dBm的是,由于信號發(fā)生器的型號眾多,各個(gè)信號發(fā)生器0,0l60.10的測量的參數、指標以及程控指令等都有所不同,所10.以該系統的數據庫需逐步完善,實(shí)現對各種信號發(fā)80.12生器的自動(dòng)校準測試。30.02參考文獻40.05100.24[1]聽(tīng)雨軒工作室. Agilent VEE虛擬儀器工程設計與開(kāi)110.18發(fā)[M].北京國防工業(yè)出版社,2003.表2手動(dòng)測試的測量結果[2]涂海艷胡修林.HPⅤEE與自動(dòng)測試技術(shù)[刀]工業(yè)控制標稱(chēng)值/dBm實(shí)測值/dBm標稱(chēng)值/dm實(shí)測值Am計第機201(1)4-47[3]JG173-2003,信號發(fā)生器檢定規程[S],200310.0370.12[4]國防科工委科技與質(zhì)量司.無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)計量[M]北80.14京:原子能出版社,2090.13[5]王曉遠,李建郭輝頻譜分析儀自動(dòng)測試系統研制40,03100100.26中國煤化工此外,對相同的參數進(jìn)行了手動(dòng)測試,通過(guò)比較YHCNMHGE公司第五十四研究所實(shí)驗結果,表明新建自動(dòng)校準系統運行穩定,重復性工程師碩土。主要研究方向:無(wú)線(xiàn)電計量技術(shù)。64 2010 Radio Engineering Vol40 No. 2