IEEE 1588協(xié)議分析及在網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

陳新華　支高飛　谷士鵬

（中國飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所，陜西西安 710089）

IEEE 1588協(xié)議分析及在網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

陳新華支高飛谷士鵬

（中國飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所，陜西西安 710089）

本文主要講述發(fā)展基于1588同步協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)需求原因，并重點(diǎn)針對(duì)1588同步協(xié)議進(jìn)行了分析，尤其是第2版本中新提出的透明時(shí)鐘模型以及透明時(shí)鐘的延時(shí)處理機(jī)制。在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)在機(jī)載測(cè)試中可能影響同步精度的因素進(jìn)行了逐一的分析，并提出了處理的方法。這些因素的考量以及處理的方案對(duì)于測(cè)試方案實(shí)施與設(shè)備的研制與定制具有一定的參考意義。

IEEE 1588 網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試 時(shí)鐘同步性

1　前言

目前全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）同步設(shè)備通過硬接線利用1PPS脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)，具有精度高，沒有累積時(shí)間誤差的特點(diǎn)，能夠達(dá)到IEC61850 T5的時(shí)間精度，而且其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但隨著數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展，站內(nèi)二次硬接線將逐漸被串行通信線所取代，為此IEC61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（simple network time protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對(duì)時(shí)精度在大多數(shù)情況下可達(dá)T1等級(jí)（1ms）且應(yīng)用較成熟，但是實(shí)現(xiàn)T3等級(jí)精度（25μs）很困難。

2002年，發(fā)布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞μs級(jí)。IEEE 1588協(xié)議引起了自動(dòng)化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE 1588協(xié)議的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)和IEEE1588工業(yè)應(yīng)用的研究。2008年，經(jīng)進(jìn)一步完善的IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)第2版發(fā)布。

2　1588協(xié)議的優(yōu)勢(shì)與網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的必要性

1588協(xié)議與傳統(tǒng)的GPS授時(shí)系統(tǒng)相比，以串行總線的方式代替了站內(nèi)二次硬線的聯(lián)結(jié)，減少了GPS分路器和接收設(shè)備的成本投資；而與SNTP協(xié)議相比，雖然同樣是采用串行總線來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，但是1588協(xié)議通過在MII層加入硬件時(shí)間戳的方式，使得網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)和延時(shí)得到了很大的改善，時(shí)間精度能夠達(dá)到T3的精度，遠(yuǎn)優(yōu)于SNTP協(xié)議ms級(jí)的同步時(shí)間精度。

而且，隨著機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的越來越復(fù)雜，采集的數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)的PCM架構(gòu)下的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足龐大的測(cè)試系統(tǒng)需求。因?yàn)楫?dāng)編輯的PCM幀格式大于8M傳輸速率，人為編輯的PCM幀格式，基本上很難通過軟件的編譯和硬件的燒錄。另外，傳統(tǒng)的PCM架構(gòu)下的KAM500采集系統(tǒng)，采用的是RS422/485電平特性，而RS422/485 電平在1Mbps 速率下最大傳輸距離100米，針對(duì)大飛機(jī)的測(cè)試也受到了一定的限制。因此，這些問題都提出了發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的需要。

3　1588版本協(xié)議分析

IEEE 1588協(xié)議的核心思想是通過BMC算法獲得最佳主時(shí)鐘后，通過在同步報(bào)文上標(biāo)記時(shí)間戳的方式，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)上的主從時(shí)鐘的同步。其工作原理如圖1所示:

圖中，T1為同步報(bào)文的時(shí)間，T2為從時(shí)鐘端接收同步報(bào)文的時(shí)間，T3為從時(shí)鐘端發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)間，T4為主時(shí)鐘端收到延時(shí)請(qǐng)求的時(shí)間。主從時(shí)鐘間的偏移量Toffset以及傳輸延時(shí)Tdelay計(jì)算公式為:

Toffset= ［（T2-T1）-（T4-T3）］/2

Tdelay=［（T2-T1）+（T4-T3）］/2

3.1BMC算法

BMC算法是在所有互聯(lián)設(shè)備中選擇一臺(tái)最適合的設(shè)備充當(dāng)主時(shí)鐘。當(dāng)某臺(tái)設(shè)備加入1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)廣播其時(shí)鐘數(shù)據(jù)并接收其他設(shè)備的時(shí)鐘數(shù)據(jù)集，從而使得IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都運(yùn)行同一BMC算法，以確定最佳主時(shí)鐘及自身未來的狀態(tài)（主時(shí)鐘或從時(shí)鐘）。

BMC算法由數(shù)據(jù)集比較算法和狀態(tài)決策算法組成。數(shù)據(jù)集比較算法依據(jù)系統(tǒng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘特性（時(shí)鐘特性包括時(shí)鐘屬性、時(shí)鐘等級(jí)、時(shí)鐘類型、時(shí)鐘方差），將所有互聯(lián)設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果返回，為狀態(tài)決策算法設(shè)置本地時(shí)鐘的狀態(tài)提供依據(jù)。狀態(tài)決策算法負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)集比較算法的基礎(chǔ)上決定本地時(shí)鐘端口的狀態(tài)，并對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)集、父數(shù)據(jù)集和全球時(shí)間數(shù)據(jù)集進(jìn)行修正。即用數(shù)據(jù)集比較算法比較受到的同步報(bào)文是否優(yōu)于本地時(shí)鐘的默認(rèn)數(shù)據(jù)集，如果比本地時(shí)鐘數(shù)據(jù)集優(yōu)，則將本地設(shè)為從時(shí)鐘，否則則為主時(shí)鐘，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)集修正的結(jié)果，決定程序的流向，進(jìn)而產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

因此由于網(wǎng)絡(luò)中的所有時(shí)鐘端口均按相同的BMC算法進(jìn)行本地時(shí)鐘狀態(tài)的設(shè)置，所以設(shè)備之間不需要進(jìn)行任何的協(xié)商，便可選出網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)時(shí)鐘。IEEE 1588協(xié)議會(huì)依據(jù)BMC算法將一些競(jìng)爭(zhēng)失敗的節(jié)點(diǎn)端口定義為禁用狀態(tài)、被動(dòng)狀態(tài)等，避免生成回路。

3.2IEEE 1588協(xié)議下標(biāo)記時(shí)間戳的方式

IEEE 1588的同步原理決定了時(shí)鐘同步的精度主要取決于時(shí)間戳的精度。時(shí)間戳的加蓋有3種方法:

（1）硬件標(biāo)記方式:時(shí)間戳主要加蓋在MAC層和PHY層之間的MII（media independent interface）層，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)，抖動(dòng)最小，同步最精準(zhǔn)。（2）軟件標(biāo)記方式:時(shí)間戳加蓋在網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)層，在網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)，精度略低。（3）應(yīng)用層標(biāo)記方式:應(yīng)用層標(biāo)記無需修改其他系統(tǒng)軟件，但是協(xié)議棧的操作延遲和負(fù)載情況都會(huì)對(duì)同步精度造成影響，同步精度最差。

無論在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層還是在MII產(chǎn)生的時(shí)間戳，都必須返回到PTP應(yīng)用層并經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)核處理，然后才發(fā)送到PTP終端。只有獲得精確的時(shí)間戳，才能發(fā)揮IEEE 1588所能達(dá)到的時(shí)鐘同步精度。

4　透明時(shí)鐘與時(shí)延機(jī)制

4.1透明時(shí)鐘與邊界時(shí)鐘的同步機(jī)制比較

IEEE 1588版本2在版本1的基礎(chǔ)上，增加了透明時(shí)鐘的模型。透明時(shí)鐘計(jì)算PTP同步報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中的延時(shí)時(shí)間，并且把此延時(shí)時(shí)間累加在 PTP 同步報(bào)文的校正域中。當(dāng)同步報(bào)文到達(dá)從時(shí)鐘，從時(shí)鐘將校正域加入到時(shí)間的偏差計(jì)算中，有效的補(bǔ)償?shù)敉綀?bào)文在透明時(shí)鐘上的延時(shí)，從而使得充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的透明時(shí)鐘看起來和導(dǎo)線一樣，避免了設(shè)備的內(nèi)部延時(shí)與抖動(dòng)， 提高了網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備級(jí)聯(lián)時(shí)的同步精度。

透明時(shí)鐘計(jì)算PTP同步，但不運(yùn)行PTP同步協(xié)議，只是轉(zhuǎn)發(fā)PTP報(bào)文，并對(duì)報(bào)文中的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)進(jìn)行修正。根據(jù)時(shí)延機(jī)制的不同，透明時(shí)鐘（TC）又分為E2E TC和P2P TC兩種（圖2）。

4.2E2E和 P2P 延時(shí)測(cè)量機(jī)制

4.2.1Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容不同

E2E模式下，Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容是級(jí)聯(lián)關(guān)系下，同步報(bào)文從發(fā)出到目的地之間，在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中的駐留時(shí)間之和。P2P模式下，Sync校正域規(guī)定的內(nèi)容是級(jí)聯(lián)關(guān)系下，同步報(bào)文從發(fā)出到目的地之間，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的駐留時(shí)間和傳輸延時(shí)之和。例如在圖3中，E2E模式下的Sync校正域則為△S1；而P2P的Sync校正域則為△L1+△S1。

4.2.2延時(shí)測(cè)量機(jī)制的不同

首先，由于都是透明時(shí)鐘，因此主鐘發(fā)出的同步報(bào)文都是穿過數(shù)個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備到達(dá)從鐘，從時(shí)鐘接收到同步報(bào)文并計(jì)算偏差，調(diào)整自身時(shí)鐘，從而與主鐘保持同步。這個(gè)同步過程與采用哪種延時(shí)測(cè)量機(jī)制無關(guān)。

在E2E模式下，延時(shí)報(bào)文交互只發(fā)生在主時(shí)鐘與每個(gè)從時(shí)鐘之間，由主時(shí)鐘發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文（Delay_Req），從時(shí)鐘回答延時(shí)相應(yīng)報(bào)文（Delay_Resp）。由從時(shí)鐘計(jì)算路徑的總延時(shí)，而網(wǎng)絡(luò)上的其它端口均不計(jì)算延時(shí)。

在P2P模式下，延時(shí)報(bào)文發(fā)生在每一個(gè)端口之間，每條鏈路上的兩個(gè)端口都計(jì)算本鏈路的延時(shí)，如下圖4所示。

4.2.3網(wǎng)絡(luò)的局限性與重構(gòu)能力的不同

由于E2E的延時(shí)報(bào)文發(fā)生在主時(shí)鐘與每一個(gè)從時(shí)鐘之間的，而在實(shí)際工程中主時(shí)鐘的資源是有限的，因此E2E的網(wǎng)絡(luò)子時(shí)鐘數(shù)目具有一定的限制；而E2E的延時(shí)報(bào)文，由于發(fā)生在每條鏈路上得兩個(gè)端口之間，主時(shí)鐘只與直接鏈接的網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備發(fā)生延時(shí)報(bào)文的交互，因此可擴(kuò)展性更好。

在重構(gòu)適應(yīng)能力上，由于E2E的延時(shí)報(bào)文發(fā)生在主時(shí)鐘與每一個(gè)從時(shí)鐘之間，因此當(dāng)圖4中TC1到TC3與TC1到S鏈路斷路時(shí)，需要啟用之前的阻塞鏈路。而這一改變，會(huì)給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來一個(gè)較大的時(shí)鐘抖動(dòng)。而在P2P延時(shí)測(cè)量機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路的兩個(gè)端口都計(jì)算并保存本鏈路延時(shí)。因此當(dāng)延時(shí)路徑變化時(shí)，每個(gè)鏈路并不需要重新計(jì)算鏈路延時(shí)，這樣用于計(jì)算的路徑延時(shí)不會(huì)突變，不會(huì)對(duì)從時(shí)鐘的控制環(huán)造成擾動(dòng)，因此從鐘偏差計(jì)算是穩(wěn)定的。［3］

因此，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)無縫計(jì)算路徑延時(shí)和偏差是 P2P 延時(shí)測(cè)量機(jī)制的重要優(yōu)點(diǎn)。

5　網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)

由于機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)日趨龐大，因此網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)是未來龐大數(shù)據(jù)量的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)包含有時(shí)鐘源、網(wǎng)絡(luò)主控交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元（DAU）、專用測(cè)試子系統(tǒng)、ENC/106模塊、EBM/103網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽模塊、遙測(cè)子系統(tǒng)組成。其中，主控交換機(jī)接受時(shí)鐘源發(fā)生或者解析的時(shí)間信息；DAU與專用測(cè)試子系統(tǒng)負(fù)責(zé)通用數(shù)據(jù)采集和特殊的信號(hào)采集，并打包成網(wǎng)絡(luò)包的形式發(fā)給主控交換機(jī)；EBM模塊負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)獲取上獲取所需要的網(wǎng)絡(luò)包，并將需要遙測(cè)的信息發(fā)送給ENC/106模塊。ENC/106模塊將從EBM/103模塊接收到的網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)編輯成PCM數(shù)據(jù)流，發(fā)送給遙測(cè)子系統(tǒng)并由它進(jìn)行遙測(cè)下傳（圖5）。

在機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，測(cè)試設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)同步性是一切數(shù)據(jù)有效可靠的前提。而IEEE 1588的同步原理決定了時(shí)鐘同步的精度主要取決于時(shí)間戳的精度，而以下的幾點(diǎn)因素都將影響機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘的同步性。

5.1時(shí)間戳（TSU）的時(shí)鐘頻率

由于IEEE 1588協(xié)議是通過周期標(biāo)記時(shí)間戳并交換同步報(bào)文來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，因此主時(shí)鐘標(biāo)記時(shí)間戳的頻率必須穩(wěn)定，且滿足機(jī)載測(cè)試同步的需要。例如TSU所用的時(shí)鐘頻率為80M時(shí)，時(shí)間戳只能12.5ns步進(jìn)一次，精度也只能到達(dá)12.5ns，TSU記錄時(shí)間戳?xí)嬖凇?2.5ns的理論誤差。主時(shí)鐘晶振的漂移問題，則可選用溫漂小的晶振，并通過環(huán)路控制從時(shí)鐘的運(yùn)行速度，以使得主時(shí)鐘與從時(shí)鐘采用相同的時(shí)間尺度。

5.2時(shí)間戳（TSU）的標(biāo)記方法

目前，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的TSU標(biāo)記方法大多通過硬件電路在MII層標(biāo)記。但是，第三方的產(chǎn)品多種多樣，如果第三方產(chǎn)品的TSU標(biāo)記方法在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層或應(yīng)用層標(biāo)記，那么必然會(huì)帶來時(shí)鐘的誤差與時(shí)延。因此，在設(shè)備研制與采購時(shí)需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，方便后期的測(cè)試方案的實(shí)施。

5.3網(wǎng)絡(luò)包的平衡性

不均勻的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會(huì)造成不容忽視的同步誤差。在飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中這種現(xiàn)象非常普遍。數(shù)據(jù)總是從一個(gè)節(jié)點(diǎn)固定流向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這造成PTP消息傳輸中形成不對(duì)稱的時(shí)延，從而導(dǎo)致一個(gè)固定的時(shí)間偏差［5］。在機(jī)載測(cè)試中，為了減少這種不平衡性，可以通過事先測(cè)試出DAU與主交換機(jī)之間的1PPS脈沖之間的偏差，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

5.4網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘紊亂的處理機(jī)制

由于各個(gè)設(shè)備采用的處理機(jī)制不同，會(huì)使得在時(shí)鐘紊亂的時(shí)刻，各自計(jì)算路徑延時(shí)和偏差的不同。例如有的是邊界時(shí)鐘，有的是透明時(shí)鐘，有的是采用E2E延時(shí)機(jī)制，有的則采用P2P延時(shí)機(jī)制。這些采用不同的時(shí)鐘紊亂處理機(jī)制的設(shè)備間的對(duì)接將帶來一定的誤差值。

5.5時(shí)間戳（TSU）的標(biāo)記時(shí)刻

IEEE1588v2建議以PTP報(bào)文幀頭到達(dá)TSU的時(shí)刻為時(shí)間戳的觸發(fā)時(shí)刻。在實(shí)際的工程方案中，由于各個(gè)TSU硬件結(jié)構(gòu)不同，時(shí)間戳的觸發(fā)時(shí)刻也不盡相同。有的在PTP報(bào)文幀頭處打戳，有的在PTP報(bào)文幀尾處打戳。相同的實(shí)現(xiàn)方案的PTP端口對(duì)接不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間同步精度的問題，但是不同實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)接將帶來固定誤差值。這個(gè)誤差值的大小由包長，打戳位置，接口速率等因素決定。

6 結(jié)語

IEEE1588是目前被重點(diǎn)考察的，以解決飛機(jī)大數(shù)據(jù)流測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間同步問題的方法之一。深入研究與分析1588協(xié)議是理解網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)鐘同步和方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時(shí)，大量關(guān)于飛行試驗(yàn)所使用的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)間不確定性、性能、組網(wǎng)等課題也都在繼續(xù)研究之中。相信1588時(shí)間同步技術(shù)將會(huì)在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化機(jī)載測(cè)試中發(fā)揮重要作用。

［1］黃云水，馮玉光.《IEEE 1588精密時(shí)鐘同步分析》.國外電子測(cè)量技術(shù)，2005，24（9）.

［2］IEC 61588，precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］. 2004.

［3］崔全勝，魏勇，何永吉，史宏光.《PTP1588 協(xié)議的分析》.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011年第39卷第10期.

［4］魏豐，孫文杰.IEEE-1588協(xié)議時(shí)鐘同步報(bào)文的精確時(shí)間標(biāo)記方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009.30.

［5］Hans Weibel and Dominic Bechaz.“IEEE 1588-Implementation and Performance of Time Stamping Techniques”，Processding of NIST Conference on IEEE 1588， 27-29 Sept，2004.

［6］劉巍，熊浩清，石光，趙勇.《IEEE 1588 時(shí)鐘同步系統(tǒng)應(yīng)用分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試》.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012年第32卷第2期.

［7］陳朝輝.《1588時(shí)間同步技術(shù)在現(xiàn)代通訊網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用》.信息通訊，2010年008卷第5期.

［8］魏豐，孫文杰.《IEEE-1588協(xié)議同步報(bào)文的精確時(shí)間標(biāo)記方法研究》.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009年1月第30卷第1期.

［9］陳姝，胡冰新，劉景夏，王娜.《IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議淺析》.微計(jì)算機(jī)信息，2012年第28卷第2期.

This paper is mainly about the demandof thedevelopment ofairborne networktesting systembased on1588 synchronization protocol，and focus on analyzing of the 1588synchronizationprotocol，especiallythe transparent clock model mentioned in version 2andtransparent clockdelayprocessing mechanism. On this basis， according to thefactors that may affectsynchronization accuracyin airbornetestone by oneanalysis，and puts forward the treatmentmethod.Consider these factors as well as treatment programs for research and program implementation and custom test equipment has a certain reference value.

non fixed length data packet； RS422；KAM500