IEEE1588精密時鐘同步協議的實現探討

中國電子科技集團公司第五十四研究所 董廣玉

隨著網絡控制技術水平的不斷提升，分布式控制系統也提出對時鐘同步精度的更高標準，本文以IEEE1588精密時鐘同步協議為例，對該高精度時鐘的同步機制與校正原理闡述說明，并對IEEE1588協議的BMC（最佳主時鐘）、LCS（本地時鐘同步）兩大核心算法進行分析，并以技術開發角度提出了IEEE1588精密時鐘同步協議，應用于數字化通信機房的應用方案，通過系統測試發現了數字化通信機房內IEEE1588的高精度時間同步實現可行性。

IEEE1588作為一種精密時鐘同步協議標準，主要應用于網絡測量及控制系統中，作為新一代測控縱向LXI標準關鍵組成，為了可以更好的滿足工業控制、儀器測量相關領域中微秒級標準的時間同步需求，IEEE1588標準自提出得以廣泛應用。IEEE1588標準代稱網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準，該標準原理就是經同步信號周期性，能夠校正網絡內的全部節點時鐘達到同步，并基于以太網分布式系統，精準同步亞納秒時鐘。IEEE1588標準較現階段的GPS、NTP/SNTP達到配置簡單優化、高精度且快速收斂，以及較小資源消耗與網絡帶寬特點。對于時鐘同步精度方面也要求更加嚴格，譬如運用于電力自動化系統、工業以太網、移動通信網等領域，引發人們的廣泛關注。

1 IEEE1588時鐘同步協議機制

1.1 PTP時鐘狀態機

PTP時鐘同步系統作為包括主時鐘、從時鐘這樣兩部分之間構成主從關系的網絡層次結構，以單個或多個PTP子域共同組成，并且每一個子域內都含有按個或多個彼此通信時鐘。在網絡內每一個PTP時鐘，都極有可能存在兩種不同狀態，具體狀態主要取決于BMC算法，在主時鐘狀態下設備為精確時鐘，能夠與從時鐘的時間同步，但是一個主時鐘只能存在1個通信子域內。

對于PTP網絡內每一個時鐘設備，經周期性交換帶有時間信息同步報文，能夠計算主時鐘和從時鐘之間存在的偏差與網絡延時，對偏差進行糾正，對延時進行補償處理，能夠做到主時鐘和從時鐘之間同步亞納秒級。在其中一個時鐘上線，對于系統指定時間階段內，可以負責對主時鐘Sync信息的監聽。

一是假若收到同步報文信息源于主時鐘，這代表本地始終進入Slave狀態；二是假若在一段時間內都并未獲取同步報文信息，則假定這個時鐘就是主時鐘，處于Pre-Master狀態，端口為主時鐘表現狀態，但是無法負責同步報文信息發送。這種Pre-Master狀態會持續一定時間，假設在這段時間內仍然未能收到其他時鐘發送的同步報文信息，則表示這個時鐘處于Master主狀態，發送Sync信息。

在時鐘的各自端口都負責最佳主時鐘算法，對自己時鐘狀態以及網絡內的其他時鐘狀態加以確定，假若時鐘某Slave狀態下的端口，能夠確定質量高于當前網絡內的主時鐘，則主時鐘端口會接收更優質量的Sync狀態信息，這個端口會呈現主時鐘狀態發送同步報文信息，之后主時鐘會停止向網絡宣布自己是主時鐘同時停止發送同步報文。

1.2 PTP時鐘同步及LCS算法

針對時鐘網絡內已經確定主從關系的時鐘，運用LCS算法對本地時鐘校準同步主時鐘（見圖1）。根據下圖流程在始終Tc2時刻，能夠接收主時鐘發送同步報文，在Ts3時刻下，從時鐘能夠接收主時鐘的發送同步報文，根據時鐘主時鐘偏移Toffset公式如下：

在時鐘Tc4時刻發送Delay Req報文至主時鐘，在Rs5時刻時鐘可以接收Delay Req報文，對應主時鐘發送的Delay Req報文，二者延時公式如下：

圖1 PTP時序圖

1.3 BMC算法

BMC算法能夠在PTP系統每一個時鐘獨立運行，主要負責主時鐘與生成時鐘網絡拓撲結構，所受DSC（數據設置比較算法）與SD（狀態決定算法）完成。在DSC算法中能夠依照不同同步報文數據集，對比篩選最佳化報文，對最佳主時鐘確定形成拓撲結構。作用于動態化時鐘，達到同步時鐘系統運行中可以根據實時數據，對比時鐘選擇相應的數據集，并對不同端口節點狀態做出動態化調整。狀態決定算法對于時鐘所處PTP子域主時鐘確定后，與各數據集相應信息為依據，計算不同時鐘的PTP端口推薦狀態適當調整。為了避免網絡生成回路，狀態決定算法可以自動生成數形拓撲結構，定義競爭失敗節點端口為disabled禁用、Passive被動兩狀態。

2 IEEE1588時鐘應用數字化通信機房實現

2.1 通信機房應用方案

（1）同步精度要求

通信機房劃分了邏輯結構層、物理結構層，達到網絡化站控層、過程層、間隔層之間信息交互，IEC61850-5-13同步數字化通信機房的時間報文精度，以差異化需求劃分5個等級分別為T1～T5，對測量中的具體采樣值，以達到最高同步精度要求控制為±1μs，站控層同步精度要求較低±1ms。

（2）配置方案

在通信機房中有諸多不同類型，網絡拓撲結構、保護測控設備配置也并不代表全部相同，目前基于以太網結構基本包括了總線、星形、環形以上三種，在本文選用星型結構研究IEEE1588時鐘配置，考慮該通信機房的時鐘同步關鍵，均運用IEEE1588時鐘高精度同步報文。本次IEEE1588時鐘應用通信機房中，選用了北斗衛星同步時鐘，GPS同步時鐘作為方案一，北斗衛星同步原子時鐘作為方案二。因為衛星同步易受電磁、天氣等因素干擾，所以優先選擇了方案二，分別與2個邊界時鐘連接，之后又將邊界時鐘連接，確保避免丟失其中一個主時鐘情況下，仍然可以與另一個連接的邊界時鐘，精準同步時間。

在對同步報文和跟隨報文發送的同時，時鐘端口對網絡上的消息進行監聽，一旦有消息到來則進行接收，并記下接收時間，根據報文的識別符進行判斷，看接收到的報文是哪一類報文，如果接收到的報文是同步報文，則將報文進行解包并對接收到的報文進行接收處理，若接收到的同步報文為有效報文，則調用最佳主時鐘模塊來判斷本地時鐘的狀態，如果本地時鐘的狀態在運行最佳主時鐘算法后仍為主時鐘，則按照所設定的時間間隔繼續向網絡中周期性地發送同步報文和跟隨報文。若主時鐘收到從時鐘發來的延遲請求報文，則將延遲請求報文到達的時間記錄下來，構建延遲請求應答報文并將延遲請求報文到達主時鐘的時間放入報文中；在構建好延遲請求應答報文后，主時鐘將報文進行格式轉換后送入發送緩沖區發送給從時鐘。

3 測試驗證

3.1 測試原理

結合以上設計調試IEEE1588時鐘的各報文標準協議后，需要對應測試驗證系統各功能，驗證IEEE1588時鐘是否可以滿足系統高精度需求，根據網絡所發布的同步觸發時間情況，借助廣播方式發送，達到主時鐘、從時鐘二者同步接收以太網觸發時間，相較本地時間在達到要求時間時，主從量時鐘均由各自I/O輸出口，發送相應的變化脈沖信號，與同一示波器接收兩時鐘的信號，通過運用邏輯分析儀對不同信號波形進行分析，對比得出兩時鐘差值判斷是否滿足IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標準。

根據對比主從兩時鐘的信號波形，發現符合IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標準要求，可以達到百μ級別的時鐘同步精度，因為獲取時間方法及所在位置，會很大程度上硬性時鐘同步精度，所以可以通過改變硬件條件達到高精度時鐘同步要求的場所。

結語：總之，IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協議基于網絡，作為LXI儀器關鍵技術，在本研究通過基于IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協議的原理基礎上，在區域通信機房提出IEEE1588時鐘的應用方案，并展開驗證測試發現了通信機房內IEEE1588的高精度時間同步實現可行性。