PTP技术分析

专题技术与工程废用PTP技术分析方强(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)摘要时间同步技术广泛应用于工业自动化、仪表测量以及通信等领域,传统的同步技术的同步精度比较低,已经无法满足高精度同步的需求,IEEE1588标准精确时间同步协议(PTP)的提出,解决了应用领域中需要高精度时间同步的问题,它可以通过分组网络实现,大大降低系统成本。对PTP中的系统模型、同步机制进行了分析,给出了PTP实现时注意的问题。关键词PP;1588;NP中图分类号TP393文献标识码A文章编号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引言时间同步技术广泛应用于工业自动化、工业控1系统模型制、仪器测量以及通信领域,早期的时间同步技术一PTP系统是一个分布式网络结构,在PP系统般需要专用的时间同步网络为应用系统提供服务,中,协议运行的逻辑范围称为一个域( Domain),域中无法直接在应用网络中(尤其是在分组网络中)传递设备采用主、从方式实现时间精准同步,所有的实时时间同步信息,所以系统的成本比较高,NTP时钟组成主从同步端口,一个设备可以有多个( Network Time protoco)虽然可以在应用网络中实现端口,对上它是从端口,对下它是主端口。系时间同步,但是精度不是很高,无法满足日益增长的统中有一个高级主时钟( Grandmaster),它决定了对精确时间同步的需求,所以PTP技术应运而生。整个系统的时钟IEEE1588标准(网络测量和控制系统精确时钟同步频率。系统中主协议,简称PP)由安捷伦实验室的成员开发,并于从设备通过交换2002年11月正式成为IEEE标准(版本1.0),最初PIP协议消息,来的标准主要用于工业自动化、精密控制以及工业测调整本地时钟,从量和测试方面,但是随着精确时间定时的广泛应用,而达到时钟的同IEEE在2008年4月推出了2.0版本,增加了PTP在步。一个简单的电信、网络、航空以及电力系统中的应用。 IEEE PTP1588的出现解决了时间同步应用中对时间精度的图1"中国煤化工系模要求,实现了网络中精确时钟同步;采用了以太网络CNMHG普通时钟(OC)边实现传输可以和采用分组网络的应用结合降低了收稿日期:200182010旱无實电工翟第40癮第2期61专题技术与工程应用界时钟(BC)、端到端透明时钟、对等透明时钟以及Delay_ Resp:对 Delay_meq的响应,可以带发送管理设备等。PTP设备在物理上可能只是一个可以时间标签,如果没有带由随后的 Delay Resp实现PIP协议的硬件模块或软件模块,它们一般集Folw_Up传送;成在应用设备中。Pdelay_ Resp Follow Up:用于传送De普通时钟直接和应用相连,实现对应用所需时Resp的发送时间;钟的精确定时。Management:传输用于管理时钟设备的的信息边界时钟主要实现不同PTP网络区域的桥接,以及命令;它有多个PTP端口,在每个端口都实现不同的同步ignaling:在不同时钟之间传送信息、请求以及机制,这些端口可以是主端口也可以是从端口,边界命令。时钟一般对上一级为从钟,对下一级是主钟。3同步机制透明时钟(T℃C)类似于普通网络中的网桥或路由器,一般不做本地时钟同步,只是转发PP协议的实现精确网络时钟同步需要解决2个问题消息,同时为了防止级联拓扑中的误差累计,计算①晶振的漂移;②时间传输的延迟。对于一般的PTP协议包经过中间设备引起的时延(驻留时间),晶振来说,当经过一段时间后就会和其他晶振失去并把这些时间加在消息中“时间更正字段”,用于计同步,产生漂移,而保持同步的方法就是周期性用算链路延迟,实现时间的精确同步,这时中间节点相个精确的时钟源去调整晶振。当于“导线”,不会影响经过它们的数据包的时间PTP协议通过主钟和从钟的频繁交换信息,使计算得从钟不断计算出时间偏移以及链路延迟来调整自PTP系统具有自动管理功能,PP设备可以自已的时钟从而达到和主钟时间的同步动发现网络中的其他PP设备,并且自动优化网络PTP协议中定义了2种同步方法:①延迟请求定时结构,同时利用BMC算法( Best master Clock)评响应( Delay Request-response)方法;②对等延迟方法估网络中的其他PTP设备,并选择主钟。( Peer-delay),前一种方法使用Syne, Delay_Req等消息进行交互,后一种采用 Delay_Req, Delay Re2协议消息等消息实现。PTP协议消息包括事件消息和普通消息,事件3.1延迟请求响应方法消息属于定时消息,在传输和接收时会打上消息发送时的精确时间标签,而普通消息无需精确的时间延迟请求响应方法协议过程如图2所示,该主主时钟从时钟标签。事件消息包括:要用于测量主钟和从钟之SyncSyne:同步消息,由主设备发送给从设备,消息间的时间偏移以及链路延中可以包含Smc发送时间标签,也可以在后续的迟。具体如下:Follow UP消息中包含;①主钟给从钟发送Deay-Bg:请求对端返回接收到 Delay Reg Sync消息并标注发送时间4;消息时的时间标签,时间标签嵌入在响应消息②从钟收到Syne消Delay Resp;息后标注接收时间2。主Deiay RespDelay-mq:用于发起链路延时测量请求,带发钟通过下面2种方法把4送时间标签。通知给从钟:在Syn消息图2延迟请求响应方普通消息没有时间标签,主要用于传递其他消中嵌入时间标签;在yne法协议过程息的发送时间标签、系统状态以及管理信息,包括后发送一个Folw_U消息,在该消息中携带t1;Announce:广播发送节点和高级主钟的状态和凵中国煤化工给主钟并且标注特征信息;发送CNMHGFollow_ Up:用于传送Syn消息的发送时间;④主钟收到Dlay_Rq消思后标注接收时间4;62 2010 Radio Engineering Vol 40 No.2专题技术与工程应用⑤主钟通过 Delay Resp消息把t4告诉从钟。加到相应的消息中,实现延迟的校正假设主钟和从钟之间2个方向的传输延迟相等,同时在一个很短的时间同步过程中,从钟相对于4PTP实现时应注意的问题主钟新产生的时间偏移忽略不计。4.1协议栈设从钟相对于主钟的时间偏移为qsr,即主钟在t1时刻时,从钟的时间应为t1+ offset,另设传输使用PTP实现时间同步时,PTP可以承载在延时为 delayUDP上,也可以直接承载在MAC协议上。PTP承载从钟根据t1、l2、l1、t4计算时间偏移(se)以在UDP上时,软件可以采用 SOCKET进行收发UDP及传输延时( delay),即包,事件消息的UDP端口号319,普通消息的组播端口号为320。PP实现另一种方法是:直接在MAC层进行PP协议包分析,这样可以不经过UDP协议栈,减少delay =(44-43+ t2-t1PTP在协议栈中驻留时间,提高同步的精确度qer=(h2-1-l4+l3)/2。IEEE1588支持基于MAC的PP协议,PTP协根据 offset从钟可以调整自己的时钟。议消息可以承载在MAC帧中,由于靠近物理层,所以有助于提高同步精度。3.2对等延迟方法4.2时间标签对等延迟方法用于请求节点A应节点B测量相邻2个PTP端口之在PTP的实现中,时间标签的实现方式有2种:Pde l ay Req间的链路延时,使用软件实现的时间标签和硬件实现的时间标签。软件时间标签的实现无需硬件支持,简单易行,可以在应和 Pdelay Resp_ Follow用层实现,但是具有较高的时延和抖动,在精度上稍Pcly.R与ψp等消息实现,工作原差一些。硬件时间标签可以减少抖动( Stack Jitter理如图3所示具有很好的性能,可以实现ns级的定时。硬件时间实现对等延迟方法Pdel ay_ Resp_ Follow_up标签需要硬件支持,在实现上比较复杂,而且会增加的2个PTP端口没有主成本。硬件时间标签一般在MAC层实现,原因是靠从之分,任何一个端口图3对等延迟方法近物理层。都可以发起请求,其中协议过程4.3更新间隔个端口为请求方,另一个端口为响应方,请求方根4个时间标签计算出节点A到节点B之间的平均时间的同步精度和同步消息Sync的更新间隔链路延迟有着密切的关系,显然间隔越小就会得到更好的精协议过程如下:度。在IEE1588V1.0版本中Syme消息的时间间①节点A在t1时刻发送 Delay_ Req,且记下隔为s级,可以是1,2,5,16和64,但是在V2.0中Sye的发送间隔远远小于1s,最高可以达到时间标签t1;1000次/s②节点B在收到 Pdelay_ Req后产生时间标签同步消息更新太频繁会消耗大量的带宽资源并4,同时在与时刻发送Pday-Rep消息,在且影响其他业务,所以更新间隔的选择和设备要求Delay-Resp消息中,把a3-h2的值放在的精度、网络的带宽以及业务有关Correction Field字段中;为了实现PTP协议的快速传递,一般应给于③节点A收到 Delay Resp后记下t4;PTP消息最高的优先级,这样可以降低它在网络中④节点A根据h1、4、3-2可以计算出节点A、的延面好岫宫福蠕确时回同步。B之间平均链路延时,即[(4-t1)-(t3-t2)J/2。中国煤化工4.4对等延迟方法是为了精确测量链路延迟,便于CNMHG用延迟请求响应方法实现同步时,把链路延迟信息构建PTP系统网络时,域的选择不能太大,中间2010年死线电工翟第40裘第2期63专题技术与工程应用节点也不应太多,主从级联层次不要过多,否则会影①次ps级的同步精度;响同步效果,当网络大的时候可以分成多个域,利用②数据、同步以及管理均通过以太网;边界时钟(BC)实现互连③自动纠正时延( Latency);④管理简单:PTP设备自动发现并优化网络。5PTP和其他同步技术的比较PTP对本地时钟的精度要求比较高,这主要和6结束语同步所要求的精度有关。PP和其他时间同步技术PTP技术协议简单、比较容易实现,目前逐步在的比较如表1所示。需要高精度时钟同步的领域得到应用,采用以太网表1PTP和其他同步技术比较络传输的特点使它更适合于分组网络应用,尤其是同步技术TEEE1588在移动通信领域,随着通信的P化,PTP技术的采同步精度100m-100p81-10ps1-100ms用可以减少基站对GPS的依赖,大大降低网络部署网络类以太网专用网服务方式主/从主/从成本,同时满足网络对时间同步精度的需求。中协议UDP或MACUDP参考文献传播方式组播或单播播时延校正自动没有自动[1] IEEE 1588-2008. IEEE Standard for a Precision Clock网络管理配置Synchronization Protocol for Networked Measurement and本地时钟要求精度要求较高没有要求Control Systems[S],2008更新间隔1-1000次/s1次/几作者简介PTP协议和其他时间同步技术相比有以下的方强男,(1%67-),中国电子科技集团公司第五十四研究所优点:高级工程师。主要研究方向:通信交换技术、信令和协议(上接第52页)较好,测试数据准确可靠,可投入实验室使用3实验4结束语针对自动校准系统选择一台性能稳定的信号发利用图形化编程语言Ⅴ EE Pro6.0与GPIB通用生器(F8251A)进行了相关实验,对同一频率(1cH)接口总线及LAN口组建的信号发生器自动校准系的调谐射频电平由高到低进行单次测量,并对关心统结构简单控制软件简单明了,扩展性及可操作性的0dBm电平进行重复性测试测试数据如表1表2强,系统运行稳定,维护方便,数据存储和打印功能所示。均能较好的实现,提高了测试覆盖性,减小了人为误表1自动测试的测量结果差,适应了检定校准测试技术的发展。但需要指出标称值/dBm实测值/dBm标称值/dBm实测值/dBm的是,由于信号发生器的型号众多,各个信号发生器0,0l60.10的测量的参数、指标以及程控指令等都有所不同,所10.以该系统的数据库需逐步完善,实现对各种信号发80.12生器的自动校准测试。30.02参考文献40.05100.24[1]听雨轩工作室. Agilent VEE虚拟仪器工程设计与开110.18发[M].北京国防工业出版社,2003.表2手动测试的测量结果[2]涂海艳胡修林.HPⅤEE与自动测试技术[刀]工业控制标称值/dBm实测值/dBm标称值/dm实测值Am计第机201(1)4-47[3]JG173-2003,信号发生器检定规程[S],200310.0370.12[4]国防科工委科技与质量司.无线电电子学计量[M]北80.14京:原子能出版社,2090.13[5]王晓远,李建郭辉频谱分析仪自动测试系统研制40,03100100.26中国煤化工此外,对相同的参数进行了手动测试,通过比较YHCNMHGE公司第五十四研究所实验结果,表明新建自动校准系统运行稳定,重复性工程师硕土。主要研究方向:无线电计量技术。64 2010 Radio Engineering Vol40 No. 2