PTP技術(shù)及其應(yīng)用分析

【摘要】本文對PTP協(xié)議的系統(tǒng)模型、同步原理以及同步實現(xiàn)流程進(jìn)行了分析，然后對影響PTP同步精度的因素進(jìn)行了介紹，最后就PTP技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)和歸納。

【關(guān)鍵詞】PTP協(xié)議同步精度應(yīng)用領(lǐng)域

PTP技術(shù)，即IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，是一種高精度時鐘同步技術(shù)，能夠與分組網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)不同精度的時鐘信號同步到統(tǒng)一的、具有最高性能的主時鐘，其時鐘精度可達(dá)亞微秒級別。

一、PTP同步原理分析

1.1PTP系統(tǒng)模型

由PTP協(xié)議構(gòu)成的系統(tǒng)通常具有分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中不同設(shè)備均采用主從時間同步結(jié)構(gòu)，其中主時鐘由協(xié)議邏輯域內(nèi)的所有時鐘組成。此時，PTP系統(tǒng)中的每個設(shè)備都可以存在多個時鐘同步端口，對于下層設(shè)備而言，其時鐘端口為主端口，對于下層設(shè)備而言，其時鐘端口為從端口，在系統(tǒng)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(tǒng)的時鐘頻率。

1.2同步原理

在進(jìn)行通信或數(shù)據(jù)交換時，每個主從時鐘按照一定的時間間隔進(jìn)行同步信息交換，同時對同步信息信息的收發(fā)時間進(jìn)行記錄和標(biāo)記，當(dāng)數(shù)據(jù)交換的另一方接收到具有標(biāo)記的信息時便可以對時戳信息和本地時鐘信息進(jìn)行對比分析，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果實現(xiàn)時鐘校準(zhǔn)與同步。

1.3PTP時鐘同步實現(xiàn)

PTP時鐘同步實現(xiàn)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(yīng)報文。

主時鐘周期性的發(fā)送包含時鐘質(zhì)量的同步報文，之后會繼續(xù)發(fā)送跟隨報文，該報文記錄了同步報文的發(fā)送時間t1；從設(shè)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(fù)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(fā)送到從設(shè)備中供從設(shè)備進(jìn)行偏差計算和傳輸延遲計算，根據(jù)計算結(jié)果實現(xiàn)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(yīng)用中可以利用軟件、硬件以及軟硬件結(jié)合等三種方式實現(xiàn)PTP時鐘同步。三種同步方式中硬件同步主要是將整個PTP協(xié)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(jié)合則是利用可支持時間標(biāo)記的硬件對同步時間進(jìn)行實時標(biāo)記，然后通過軟件進(jìn)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(dá)到微秒數(shù)量級；軟件同步可以不依賴硬件設(shè)備的支持而實現(xiàn)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(dá)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(yīng)、硬件老化以及機(jī)械作用等原因發(fā)生時鐘漂移，進(jìn)而影響本地時鐘的穩(wěn)定性，降低時鐘同步精度。

2.2網(wǎng)絡(luò)器件的影響

同步報文和數(shù)據(jù)信息在分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時需要經(jīng)由多種網(wǎng)絡(luò)器件，這些網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致同步精度降低。主要的延時波動產(chǎn)生于路由器或交換機(jī)的輸出緩沖區(qū)，若緩沖區(qū)空閑時，延時波動可維持在較小范圍內(nèi)，若網(wǎng)絡(luò)中存在大量密集數(shù)據(jù)通信時，緩沖區(qū)會承載大量的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而使得延遲波動大幅度提升。

2.3負(fù)載的影響

在PTP協(xié)議中，數(shù)據(jù)通信具有仲裁特性，也就是數(shù)據(jù)的發(fā)送時間是不確定的，一旦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的負(fù)載增多，數(shù)據(jù)信息量增大，則網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的可能性就會隨之變大，這就要求必須在網(wǎng)絡(luò)中采取載波偵聽、沖突檢測等技術(shù)避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，這些技術(shù)的應(yīng)用必然會降低網(wǎng)絡(luò)通信的同步精度。

三、PTP技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)得到了大規(guī)模應(yīng)用。特別是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備的復(fù)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(xiàn)故障，很有可能為企業(yè)帶來非常大的經(jīng)濟(jì)損失。

具體應(yīng)用時，可以在監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分如CPU中可以按照IEEE1588協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程的MAC處理前對同步報文進(jìn)行檢標(biāo)記、檢測以及處理。

四、總結(jié)

將通信網(wǎng)絡(luò)IP化是現(xiàn)代電力系統(tǒng)數(shù)字通信的必然發(fā)展趨勢，而通信網(wǎng)絡(luò)IP化的核心在于提升時鐘同步的精度。PTP技術(shù)可以有效提升通信系統(tǒng)的同步精度、減少或降低網(wǎng)絡(luò)中存在的延遲抖動，滿足通信網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量同步需求，具有廣闊的發(fā)展前景。