PTP技術及其應用分析

【摘要】本文對PTP協議的系統模型、同步原理以及同步實現流程進行了分析，然后對影響PTP同步精度的因素進行了介紹，最后就PTP技術的應用領域和應用效果進行了總結和歸納。

【關鍵詞】PTP協議同步精度應用領域

PTP技術，即IEEE 1588標準，是一種高精度時鐘同步技術，能夠與分組網絡相結合，將異構系統內不同精度的時鐘信號同步到統一的、具有最高性能的主時鐘，其時鐘精度可達亞微秒級別。

一、PTP同步原理分析

1.1PTP系統模型

由PTP協議構成的系統通常具有分布式網絡結構，該結構中不同設備均采用主從時間同步結構，其中主時鐘由協議邏輯域內的所有時鐘組成。此時，PTP系統中的每個設備都可以存在多個時鐘同步端口，對于下層設備而言，其時鐘端口為主端口，對于下層設備而言，其時鐘端口為從端口，在系統的最高層存在一個高級主時鐘，該時鐘的頻率即為整個系統的時鐘頻率。

1.2同步原理

在進行通信或數據交換時，每個主從時鐘按照一定的時間間隔進行同步信息交換，同時對同步信息信息的收發時間進行記錄和標記，當數據交換的另一方接收到具有標記的信息時便可以對時戳信息和本地時鐘信息進行對比分析，根據校準結果實現時鐘校準與同步。

1.3PTP時鐘同步實現

PTP時鐘同步實現的主要流程中主要使用了四種時鐘報文：同步報文、跟隨報文、延時請求報文以及回應報文。

主時鐘周期性的發送包含時鐘質量的同步報文，之后會繼續發送跟隨報文，該報文記錄了同步報文的發送時間t1；從設備接收到同步報文后會將其所接收到的時間記錄為t2，延時一定時間后向主時鐘回復延時請求報文t3；主時鐘接收到延時請求報文后記錄該時間t4，并將其發送到從設備中供從設備進行偏差計算和傳輸延遲計算，根據計算結果實現PTP時鐘同步。

時間偏移計算公式為：Offset=[（t2-t1）+（t3-t4）]/2；

傳輸延遲計算公式為：Delay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2。

二、PTP時鐘同步中的影響因素

實際應用中可以利用軟件、硬件以及軟硬件結合等三種方式實現PTP時鐘同步。三種同步方式中硬件同步主要是將整個PTP協議通過硬件嵌入的方式燒入硬件芯片中，故其具有最高的同步精度；軟硬件結合則是利用可支持時間標記的硬件對同步時間進行實時標記，然后通過軟件進行處理，其同步精度不如純硬件同步方式，但是同步時間仍舊可以達到微秒數量級；軟件同步可以不依賴硬件設備的支持而實現時間同步，但是其在同步精度方面無法與上述兩種方式媲美，只能達到NTP同步精度級別。

2.1本地時鐘的影響

很顯然，同步報文的時間間隔越短，同步精度越高，而同步報文可用的最短時間間隔則是由本地時鐘決定的。常用的時鐘振蕩器為石英晶體，其在長時間使用后會因熱效應、硬件老化以及機械作用等原因發生時鐘漂移，進而影響本地時鐘的穩定性，降低時鐘同步精度。

2.2網絡器件的影響

同步報文和數據信息在分布式網絡中進行傳輸時需要經由多種網絡器件，這些網絡器件的性能各不相同，在輸入輸出過程中會引入延時波動，導致同步精度降低。主要的延時波動產生于路由器或交換機的輸出緩沖區，若緩沖區空閑時，延時波動可維持在較小范圍內，若網絡中存在大量密集數據通信時，緩沖區會承載大量的數據信息，進而使得延遲波動大幅度提升。

2.3負載的影響

在PTP協議中，數據通信具有仲裁特性，也就是數據的發送時間是不確定的，一旦網絡內的負載增多，數據信息量增大，則網絡中發生數據沖突的可能性就會隨之變大，這就要求必須在網絡中采取載波偵聽、沖突檢測等技術避免出現數據沖突，這些技術的應用必然會降低網絡通信的同步精度。

三、PTP技術在測控系統中的應用

網絡技術的發展使得基于工業以太網的分布式網絡得到了大規模應用。特別是現代工業生產中，機械設備的復雜度、自動化程度都得到了不同程度的提升，一旦在運行過程中出現故障，很有可能為企業帶來非常大的經濟損失。

具體應用時，可以在監測系統的硬件部分如CPU中可以按照IEEE1588協議標準嵌入一個高精度的實時時鐘和一個時間戳單元，這就可以在監測數據傳輸過程的MAC處理前對同步報文進行檢標記、檢測以及處理。

四、總結

將通信網絡IP化是現代電力系統數字通信的必然發展趨勢，而通信網絡IP化的核心在于提升時鐘同步的精度。PTP技術可以有效提升通信系統的同步精度、減少或降低網絡中存在的延遲抖動，滿足通信網絡的高質量同步需求，具有廣闊的發展前景。