精確時鐘同步協議分析及實現

曾慶華

0 引言

測量和控制工程正在越來越多地使用網絡通訊、本地化計算、分布式設備等分布式系統技術。在這個分布式系統中，分布式設備來自多個不同的廠商，如果沒有一個標準的協議用來同步那些分布式設備中的時鐘，整個系統將不可能很好地工作。在兼顧精度和低成本方面，現存的時鐘同步協議，如NTP/SNTP，GPS并不能很好地滿足這些系統的要求。在此背景下，IEEE Std 1588TM —2002《網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議》(簡稱IEEE 1588 協議) 已于2002以標準形式年發布[1]。2004年，IEC也發布了相應的IEC 61588 標準。IEEE Std 1588TM —2008作為IEEE Std 1588TM —2002的修訂版于2008年發布。IEEE 1588以其低成本高精度的特點，使其在短短的幾年內，獲得了廣泛的應用和推廣。 IEEE 1588 協議又稱精確時間協議(PTP)，IEEE Std 1588TM —2008也叫做PTPv2，它最初是由Agilent Laboratories（安捷倫實驗室）開發用于測量和控制系統的。它利用以太網或其他支持多播技術的網絡使終端設備同步，最高精度可以達到亞微秒級。同時, IEEE 1588 協議對資源要求非常低,易于高中低端設備之間的兼容。但是, IEEE 1588協議為了保證高精度,需要硬件支持,這對于兼容性很高的以太網來說,制約了IEEE 1588 協議的應用與發展。

本文首先針對IEEE 1588協議的以太網應用，對協議進行了分析，介紹了IEEE 1588協議的優點和核心算法，然后介紹了支持IEEE 1588的網絡設備，在不同時鐘模式下應該如何工作。

1 IEEE 1588的介紹

IEEE 1588PTP協議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網絡帶寬和資源消耗少等特點。IEEE1588標準的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理，是通過一個同步信號周期性的對網絡中所有節點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網的分布式系統達到精確同步，IEEE 1588PTP時鐘同步技術也可以應用于任何組播網絡中。

IEEE 1588將整個網絡內的時鐘分為兩種，即普通時鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時鐘（Boundary Clock，BC），只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網絡設備（如交換機和路由器）上。從通信關系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，在理論上，任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個 PTP通信子網內只能有一個主時鐘。整個系統中，最優時鐘為最高級時鐘GMC（Grandmaster Clock），有著最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上時鐘的精度和級別以及 UTC（通用協調時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘算法（Best Master Clock）來自動選擇各子網內的主時鐘；在只有一個子網的系統中，主時鐘就是最高級時鐘GMC。每個系統只有一個GMC，且每個子網內只有一個主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。是一個簡單的主時鐘、從時鐘關系示意，如圖1所示：

圖1 簡單主時鐘，從時鐘關系示意

同步的基本原理，包括時間發出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息增加一個“時間戳”。有了時間記錄，接收端就可以計算出信息在網絡中的時鐘誤差和延時。為了管理這些信息，PTP協議定義了4種多點傳送的報文類型和管理報文，包括同步報文（Sync）、跟隨報文（Follow_up）、延遲請求報文（Delay_Req）、延遲應答報文（Delay_Resp）。同步報文是由主時鐘周期性發出的(一般為每兩秒一次)，它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說，同步報文包含了一個時間戳，精確地描述了數據包發出的預計時間。

由于同步報文包含的是預計的發出時間，而不是真實的發出時間，所以Sync報文的真實發出時間被測量后在隨后的Follow_Up報文中發出。Sync報文的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up報文中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從時鐘與主時鐘之間的時差，并據此更正從時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網絡傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req報文來測量網絡的傳輸延時。

Delay_Req報文在Sync報文收到后由從時鐘發出。與Sync報文一樣，發送方從時鐘記錄準確的發送時間，接收方主時鐘記錄準確的接收時間。主時鐘在接收到Delay_Req報文后生成Delay_Resp報文，并將Delay_Req報文的準確的接收時間包含在Delay_Resp報文中，然后將Delay_Resp報文發往從時鐘。從時鐘在收到Delay_Resp報文后就可以計算出網絡延時和時鐘誤差。

精確時鐘同步過程，分為漂移測量階段與延遲測量階段。

第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為漂移測量，如圖2所示：

圖2 漂移測量

在修正漂移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間（缺省是 2s）周期性地向從時鐘發出同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量發送的準確時間t10，從時鐘測量接收的準確時間t20。之后主時鐘發出第二條報文——跟隨報文（Follow_up Message），此報文與同步報文相關聯，且包含同步報文被發送到到 PTP通信路徑上的更為精確的時間值。從時鐘根據同步報文和跟隨報文中的時間信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么主從時鐘就可以達到同步。

為了提高修正精度，必須把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段——延遲測量，如圖3所示：

圖3 延遲測量

從時鐘向主時鐘發出一個“延遲請求”數據報文，并記錄下該報文傳遞準確時間t3。主時鐘對接收數據包打上一個接收時間戳t4，然后在“延遲響應”數據包中，把接收時間戳t4送回到從時鐘。根據傳遞時間戳t3和主時鐘提供的接收時間戳t4，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。

IEEE 1588定義了兩種工作模式，一步模式和兩步模式。上述用跟隨報文傳送同步報文的發送時間戳的方式即為兩步模式。如果作為 Master時鐘的設備有能力把同步報文的發送時間戳精確的打在同步報文中，那么就可以省去跟隨報文的發送了。這就是一步模式。

IEEE 1588目前的版本是 v2.2，主要應用于相對本地化、網絡化的系統，內部組件相對穩定，其優點是標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，特別適合于以太網的網絡環境。與其他常用于Ethernet TCP/IP網絡的同步協議如SNTP或NTP相比，主要區別是PTP是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少。PTP定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時間戳更容易在硬件上實現，并且不局限于應用層，這使得 PTP可以達到微秒以內的精度。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。

IEEE1588標準所定義的精確網絡同步協議，實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時，無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。

2 IEEE 1588定義的其它時鐘類型

在現實的網絡環境中，主時鐘設備和從時鐘設備之間往往會存在許多的各種路由器，交換機。在這些設備中，會因為網絡流量的變化或是設備自身的性能，而使得 IEEE 1588報文在網絡上的傳播時延產生抖動。這就會造成時鐘同步的精確度下降。為了能夠更好的測量報文在網絡上的時延，IEEE 1588定義了另外一種類型的時鐘：透傳時鐘。透傳時鐘在網絡中的位置，就在主時鐘設備和從時鐘設備之間，如圖4所示：

圖4 透傳時鐘工作示意圖

透傳時鐘的工作，就是把1588報文在該透傳時鐘設備上的停留時間，精確的記錄下來，然后把這個停留時間加到報文中去。這樣從時鐘在計算網路延遲時就可以得到更精確的值了。

3 IEEE 1588的實現

IEEE 1588的實現有3種方式：純軟件的實現、軟件與硬件相結合的實現、純硬件實現。

純軟件實現的IEEE 1588，是指時鐘同步過程中的頻率差的計算，線路延遲的計算以及時間同步報文的接收和發送時間戳的產生，都由軟件來負責完成。這樣的實現，性能難于達到設計的性能目標。主要原因，是IEEE 1588報文，在協議棧和存儲轉發過程中，受到不確定因素的影響太多，從而使得同步的結果產生較大的抖動。不確定因素包括：軟件系統的繁忙程度、網絡的擁塞狀況等等。

純硬件實現的IEEE 1588，是指時鐘同步過程中的頻率差的計算、線路延遲的計算以及時間同步報文的接收和發送時間戳的產生，都由硬件來負責完成。純硬件實現，雖然可以提高精確度，使得得到的同步結果，更接近于理想的結果，但純硬件實現，會帶來成本大幅提高的問題，這不利于IEEE 1588的推廣使用。同時，硬件實現，還存在缺乏靈活性的問題，不利于IEEE 1588設備的升級和換代。

為了實現IEEE 1588的高精確性，同時也為了控制成本，理想的實現方式就是軟硬件結合。即由硬件來負責打時間戳和獲取時間戳的工作，然后由軟件來負責進行必要的計算。最后軟件將計算的結果設置到相應的時鐘上去。其實現結構，如圖5所示：

圖5 軟件加硬件結合實現結構圖

在報文中打時間戳的時間點相當重要，因為這關系到精確性。一般的實現方法，是在各種物理端口的PHY層，這個最靠近物理線路的模塊來實現打時間戳的功能。

3.1 IEEE 1588各種時鐘類型的實現

3.1.1 請求響應機制普通時鐘的實現

請求響應機制普通時鐘分兩種角色：master時鐘和slave時鐘。兩種時鐘的硬件在收到IEEE1588消息后記錄下消息到達時間，然后將消息送往CPU交由軟件做處理。硬件在發送 IEEE1588消息前，會修改消息的內容、填寫IEEE1588消息的發送時間和校正域。軟件在收到IEEE1588消息后，先對收到的消息的正確性做出判斷。對于不正確的消息，直接丟棄。對于正確的消息，軟件會讀取硬件為該消息保存的接收時間信息。對于slave時鐘，軟件會計算出本地時鐘頻率和 master時鐘的時鐘頻率的差值，然后調整本地時鐘以達到和master時鐘頻率的同步。如果slave時鐘的本地時間和master時鐘的時間相差大于1S的情況下，slave時鐘還應該更改本地時鐘的時間，以達到和 master時鐘的時間一致。

請求響應機制，普通時鐘在計算線路延遲時，把從master到slave的線路延遲和從slave到master的延遲視為同等的。通過取兩個不同方向延遲的平均值作為線路延遲。

3.1.2 請求響應機制邊界時鐘的實現

請求響應機制邊界時鐘，是請求響應機制普通時鐘的聚合體。請求響應機制邊界時鐘上，必須且只能有一個slave角色的請求響應機制普通時鐘和若干個 master角色的請求響應機制普通時鐘。Slave時鐘和這些master時鐘共用相同的時鐘源。請求響應機制邊界時鐘，通過slave普通時鐘和外部的時鐘源完成時鐘同步。

請求響應機制邊界時鐘上的 slave普通時鐘和 master普通時鐘的實現，和4.1.1節中介紹的請求響應機制普通時鐘的實現是一樣的。

3.1.3 對等機制普通時鐘的實現

對等機制普通時鐘在進行時鐘頻率同步的時候，也是有master時鐘和slave時鐘之分的，但在進行線路延遲的測量時，卻沒有master和slave之分，這個時候體現出了對等的關系。兩個對等機制普通時鐘之間是直接互聯的，中間沒有連接任何設備。

對等機制普通時鐘頻率同步的實現和請求響應機制普通時鐘的頻率同步的實現是一樣的。對等機制普通時鐘的特殊之處，在于它把兩個時鐘之間的兩個方向上的線路延遲看做是不對等的，因此相連的兩個時鐘，要分別計算從對方到己方的線路延遲。

3.1.4 對等機制邊界時鐘的實現

對等機制邊界時鐘，是對等機制普通時鐘的聚合體。對等機制邊界時鐘上，必須且只能有一個slave角色的對等機制普通時鐘和若干個 master角色的對等機制普通時鐘。Slave時鐘和這些master時鐘共用相同的時鐘源。對等機制邊界時鐘，通過slave普通時鐘和外部的時鐘源完成時鐘同步。

對等機制邊界時鐘上的slave普通時鐘和master普通時鐘的實現，和4.1.3節中介紹的對等機制普通時鐘的實現是一樣的。

3.1.5 對等機制透傳時鐘的實現

透傳時鐘的作用，是將IEEE1588消息在該透傳時鐘設備上的逗留時間添加到消息報文中去。為了保證所加的逗留時間的準確性，這就要求透傳時鐘也要和時鐘源進行時鐘同步。

對等機制透傳時鐘的消息入口，是一個slave角色的對等機制普通時鐘。當來自主時鐘的IEEE1588消息從該入口進入到透傳時鐘時，硬件所做的工作，是將消息報文拷貝一份送往CPU供軟件進行頻率同步，同時將原消息報文遞送往出口，以使其到達從時鐘。而在反方向，來自從時鐘的回應消息，將會被硬件在消息報文中，添加逗留時間后直接轉發往主時鐘。

3.1.6 端到端機制透傳時鐘的實現

作為透傳時鐘，端到端機制透傳時鐘也要和時鐘源進行時鐘同步。

端到端機制透傳時鐘的消息入口是一個 slave角色的請求響應機制的普通時鐘。當來自主時鐘的IEEE1588消息從該入口進入到透傳時鐘時，硬件所做的工作是將消息報文拷貝一份，送往CPU供軟件進行頻率同步，同時將原消息報文遞送往出口，以使其到達從時鐘。而在反方向，來自從時鐘的回應消息，將會被硬件在消息報文中，添加逗留時間后直接轉發往主時鐘。

4 結語

目前支持IEEE 1588功能的設備大多為主干網上的設備。雖然支持IEEE 1588功能的局域網設備也已經開發出來了，但是因為成本的原因，先期布設局域網設備不可能在短期內得到更換。已有的實驗顯示，在兩個支持IEEE 1588功能的設備中間，加上10級不支持IEEE 1588的交換機后，同步的時間精度在300微妙左右。這樣IEEE 1588在局域網中，還是不能夠很好的發揮其精確時間同步的作用。

IEEE 1588PTP協議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網絡帶寬和資源消耗少等特點。同時還能夠提供亞微秒級的精確度。是適合以太網的理想時鐘同步協議。但是在實際的應用中，也還存在著問題。比如如何很好的克服在協議棧處理是產生的延遲；如何提高主時鐘的容錯性能。這些問題，都還需要更進一步的研究。

[1]IEEE Std 1588 TM —2002 Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S]. 2002.

[2]IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System ,[C]IEEE Instrumentation and Measurement Society , 2008.

[3]于鵬飛，喻強，鄧輝， IEEE 1588精確時間同步協議的應用方案，[J]電力系統自動化，33(3)2009.7.3.

[4]張妍，孫鶴旭，林濤等，IEEE 1588在實時工業以太網中的應用，[J]微計算機技術，2005（25）。

[5]袁振華，董秀軍，劉朝英，基于IEEE 1588的時鐘同步技術及應用，[J]計算機與控制，2006（12）。