基于IEEE1588協(xié)議的PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

賈杰峰，郝青茹，尹繼凱，劉連照

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

時(shí)間同步技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)控制、儀器測(cè)量以及通信領(lǐng)域[1]，其中的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)中起到了越來越重要的作用，其時(shí)間同步精度成為影響國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行和國防安全的重要因素。廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)主要有精確時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)授時(shí)等[1]。NTP是由美國Delaware大學(xué)的Mills教授設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的[2]，NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是一種基于軟件時(shí)戳的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)，其精度一般在毫秒級(jí)[3]。文獻(xiàn)[4-8]論述了PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是基于硬件時(shí)戳實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)，具備高精度特點(diǎn)，授時(shí)精度一般在納秒級(jí)，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

隨著PTP授時(shí)服務(wù)應(yīng)用的推廣，如何獲取PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度成為急需解決的問題。本文針對(duì)該問題提出一種基于IEEE1588協(xié)議的PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)方法，為授時(shí)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估、授時(shí)服務(wù)管理、授時(shí)性能監(jiān)測(cè)提供支撐。

1 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)原理

1.1 IEEE1588協(xié)議

IEEE1588協(xié)議的全稱是“IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol”，即網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱“PTP”[9]。IEEE在2002年發(fā)布的IEEE1588V1，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到亞微秒級(jí)的授時(shí)精度，滿足了各類工業(yè)控制和測(cè)量對(duì)時(shí)間精度要求[10]。2008年IEEE對(duì)1588V1版本進(jìn)行了修訂，發(fā)布了1588V2，協(xié)議中不僅增加了同步時(shí)鐘模型，而且定義了P2P和E2E兩種延時(shí)測(cè)量機(jī)制[11]。通過改進(jìn)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，提高了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈活性和擴(kuò)展性。

1.2 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)原理

PTP授時(shí)監(jiān)測(cè)的目的是獲取被監(jiān)測(cè)PTP主鐘與監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)間差。通過精確記錄報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間，并將所獲取的時(shí)間通過報(bào)文發(fā)送給監(jiān)測(cè)設(shè)備，由監(jiān)測(cè)設(shè)備計(jì)算出被測(cè)設(shè)備的授時(shí)誤差。PTP授時(shí)監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)原理Fig.1 Principle diagram of PTP network timing monitoring

圖1中，同步指令(Sync)，由主時(shí)鐘周期性向網(wǎng)內(nèi)廣播，傳遞主鐘時(shí)間；跟隨報(bào)文(Follow_Up)，主時(shí)鐘在發(fā)出同步指令后發(fā)出跟隨報(bào)文，將記錄下的同步指令(Sync)，時(shí)間戳T1由跟隨指令廣播發(fā)出；延遲申請(qǐng)指令(Delay_Req)，由從鐘設(shè)備發(fā)出用以測(cè)量路徑延遲；延遲回執(zhí)(Delay_Resp)，由主鐘發(fā)出，返回其接收到延遲申請(qǐng)指令(Delay_Req)的時(shí)間戳T4。

PTP信號(hào)監(jiān)測(cè)過程如下：

① 監(jiān)測(cè)設(shè)備接收外部參考時(shí)間信息，并同步本地時(shí)鐘至外部參考時(shí)間。

② 接收PTP主鐘的同步指令(Sync)，并記錄接收到該報(bào)文的本地時(shí)間戳T2。

③ 接收PTP主鐘發(fā)送的Follow_Up指令，從中解出主鐘發(fā)出同步指令(Sync)的時(shí)間戳T1。

④ 監(jiān)測(cè)設(shè)備向PTP主鐘發(fā)送延遲申請(qǐng)指令(Delay_Req)，并記錄下該報(bào)文發(fā)出時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間戳T3。

⑤ 隨后接收主鐘返回的延遲回執(zhí)(Delay_Resp)并從中解出主鐘接收到Delay_Req報(bào)文的主鐘時(shí)間戳T4。

⑥ 監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)獲取的4個(gè)時(shí)間戳T1，T2，T3，T4通過計(jì)算即可獲取網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主鐘與本地時(shí)鐘鐘差信息與路徑延遲，完成一次時(shí)差監(jiān)測(cè)。

一個(gè)對(duì)時(shí)循環(huán)結(jié)束后，從時(shí)鐘便獲取了T1，T2，T3，T4四個(gè)時(shí)戳信息。

主從鐘差：

offset=T2-T1-TMS，

(1)

offset=T4-T3+TSM，

(2)

式中，TMS為主端口到從端口信道時(shí)延；TSM為從端口到主端口信道延遲。假設(shè)通信信道為對(duì)等信道，即TMS與TSM相等[7]，即：

delay=-TMS=+TSM。

(3)

將式(1)與式(2)相加，并將式(3)帶入，可得主從鐘差offset：

(4)

將式(1)與式(2)相減，并將式(3)帶入，可得單向路徑延遲delay：

(5)

按指定頻度重復(fù)此過程，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的目的。

2 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括硬件和軟件。本文從PTP硬件實(shí)現(xiàn)方法和軟件實(shí)現(xiàn)方法分別進(jìn)行闡述。

2.1 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)

PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件主要包括SFP網(wǎng)絡(luò)變壓器、光收發(fā)模塊、物理層芯片、微處理器和電平轉(zhuǎn)換芯片。

SFP網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要作用是將物理層芯片的差分信號(hào)進(jìn)行耦合、放大，使芯片端與外部隔離，提高抗干擾能力。物理層芯片主要完成數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)及數(shù)據(jù)編碼等功能，為數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口，選用支持PTP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理層芯片，在物理層獲取高精度PTP時(shí)戳信息，避免了軟件處理過程對(duì)戳精度與穩(wěn)定度的影響[7]。微處理器是網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)的核心，為網(wǎng)絡(luò)通信提供介質(zhì)訪問控制 層硬件支持與TCP/IP協(xié)議棧及PTP協(xié)議棧的運(yùn)行，同步信息處理、鐘差計(jì)算及報(bào)文分析等功能。

PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口向被監(jiān)測(cè)時(shí)鐘申請(qǐng)時(shí)鐘同步，并依據(jù)本地授時(shí)時(shí)鐘記錄網(wǎng)絡(luò)信息包時(shí)間戳。通過協(xié)議分析與時(shí)戳比對(duì)[12]，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備可計(jì)算出主、從時(shí)鐘鐘差信息、路徑延遲，并進(jìn)行PTP協(xié)議相關(guān)協(xié)議分析，獲取鐘差信息。

PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備接收基準(zhǔn)的1 pps，10 MHz信號(hào)以及ToD信息，維持本地時(shí)鐘，并運(yùn)行PTP協(xié)議向PTP主鐘服務(wù)器申請(qǐng)時(shí)鐘同步，依據(jù)同步協(xié)議計(jì)算本地時(shí)鐘與PTP服務(wù)器時(shí)鐘鐘差，并完成鐘差數(shù)據(jù)上報(bào)。

PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件工作原理如圖2所示。

圖2 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)硬件工作原理Fig.2 Principle diagram of PTP network timing monitoring hardware operation

2.2 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)

由PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)原理可知，為達(dá)到監(jiān)測(cè)PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度的目的，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備必須工作在從鐘模式下，因此PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)鐘等級(jí)被永久設(shè)定為SLAVE ONLY，以保證在授時(shí)網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)時(shí)鐘的等級(jí)為最低。

測(cè)試開始后，首先進(jìn)行PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置內(nèi)容包括：本地IP、本地子網(wǎng)掩碼、本地網(wǎng)關(guān)、被監(jiān)測(cè)設(shè)備IP、報(bào)文封裝格式、一步兩步模式、組播域、時(shí)延測(cè)量機(jī)制、單播多播模式及以太網(wǎng)速率等。參數(shù)設(shè)置完成后由軟件下發(fā)給監(jiān)測(cè)設(shè)備，若監(jiān)測(cè)設(shè)備執(zhí)行參數(shù)后出現(xiàn)錯(cuò)誤，則給出提示信息，若參數(shù)設(shè)置執(zhí)行正常程序則進(jìn)入開始測(cè)試；開始測(cè)試后，先進(jìn)行IEEE1588協(xié)議分析，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等原始測(cè)量數(shù)據(jù)；獲取原始測(cè)量數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備軟件執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)軟件工作流程Fig.3 Work flow chart of PTP network timing monitoring software

3 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能，搭建的測(cè)試環(huán)境如圖4所示。

圖4 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試驗(yàn)證連接Fig.4 Connection diagram of PTP network timing monitoring test verification

使用PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和Sync-edge綜合時(shí)間分析儀分別對(duì)PTP授時(shí)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、Sync-edge綜合時(shí)間分析儀及PTP授時(shí)設(shè)備分別接收北斗系統(tǒng)信號(hào)，向北斗系統(tǒng)時(shí)間溯源。PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和Sync-edge綜合時(shí)間分析儀分別通過網(wǎng)線與被監(jiān)測(cè)PTP授時(shí)設(shè)備相連接。PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過串口將獲取的鐘差數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

測(cè)試過程如下：首先將PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、Sync-edge綜合時(shí)間分析儀和PTP授時(shí)設(shè)備加電預(yù)熱1 h，使各設(shè)備達(dá)到工作穩(wěn)定狀態(tài)；然后保持PTP授時(shí)設(shè)備狀態(tài)不變，同時(shí)開啟PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和Sync-edge綜合時(shí)間分析儀PTP監(jiān)測(cè)任務(wù)；持續(xù)測(cè)試一段時(shí)間后，斷開PTP授時(shí)設(shè)備的北斗天線，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到測(cè)試結(jié)束。

使用PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)IP地址為192.168.1.228的PTP授時(shí)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.5 Test data diagram of PTP network time service monitoring equipment

使用Sync-edge綜合時(shí)間分析儀對(duì)IP地址為192.168.1.228的PTP授時(shí)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 Sync-edge測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Sync-edge test data diagram

圖7 Sync-edge測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Sync-edge test data statistics

通過測(cè)試結(jié)果可以看出，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備與Sync-edge綜合時(shí)間分析儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致。2組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前偏差和平均偏差出現(xiàn)差異是由于2個(gè)設(shè)備的零值不同導(dǎo)致的。2組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在后半部分均出現(xiàn)了跳變，這是由于PTP授時(shí)設(shè)備斷開北斗天線后，授時(shí)精度出現(xiàn)惡化后的結(jié)果。可見，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備與Sync-edge綜合時(shí)間分析儀均實(shí)際反映了PTP授時(shí)設(shè)備的授時(shí)性能。

由此可知，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)PTP主鐘的實(shí)時(shí)連續(xù)性能監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)方差等統(tǒng)計(jì)分析，有利于用戶掌握PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度的相關(guān)情況。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于IEEE1588協(xié)議的PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并完成了工程實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)表明，PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以有效地對(duì)PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。提出的PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單節(jié)點(diǎn)PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的監(jiān)測(cè)，如果改變硬件平臺(tái)及相關(guān)軟件算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠進(jìn)一步提供PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)監(jiān)測(cè)能力。