| 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,分布式控制系統(tǒng)中對時間同步的要求越來越高。例如在機(jī)電控制、通信等領(lǐng)域中已經(jīng)對時間同步提出了微秒級的要求。在分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,考慮到實時性的調(diào)度和控制,對時間統(tǒng)一的要求就更為嚴(yán)格。所以建立一個時間統(tǒng)一的分布式系統(tǒng)是分布式網(wǎng)絡(luò)的基本要求。IEEE1588(簡稱PTP,PrecisionTimeProtocol)定義了一個在測量和控制系統(tǒng)中,與網(wǎng)絡(luò)通信,本地計算和分配對象有關(guān)的時鐘同步協(xié)議,該協(xié)議適用于任何滿足多點通信的分布式控制系統(tǒng),對于采用多播技術(shù)終端的時鐘可實現(xiàn)亞微秒級同步。其協(xié)議的核心是在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)如何選擇佳的主時鐘以及網(wǎng)內(nèi)的從時鐘如何與主時鐘保持同步。 PTP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) PTP網(wǎng)絡(luò)由若干節(jié)點組成。節(jié)點可以是PTP時鐘,也可以是管理節(jié)點。包含時鐘的節(jié)點典型時鐘同步網(wǎng)絡(luò)。在PTP協(xié)議中有2種時鐘類型:普通時鐘OC和邊界時鐘BC。只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘,有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘,每個PTP端口提供獨立的PTP通信。邊界時鐘和邊界時鐘之間的通信，通過路徑B使節(jié)點13,14能相互通信,通過路徑D使節(jié)點13,15能相互通信。從通信關(guān)系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘,理論上任何時鐘都能實現(xiàn)主時鐘和從時鐘的功能,但一個PTP通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個主時鐘。 PTP通信通道拓?fù)湫纬傻氖且粋€非循環(huán)的結(jié)構(gòu),即在任何一對PTP時鐘之間都不存在交替的PTP通信通道。PTP域中各節(jié)點根據(jù)佳時鐘算法被為九種狀態(tài)之一,各從時鐘通過同步機(jī)制與主時鐘保持同步。PTP通信中的報文包括同步報文、跟隨報文、延遲請求報文、延遲應(yīng)答報文和管理報文。 PTP協(xié)議原理 佳主時鐘算法 佳主時鐘算法是在一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)多個主時鐘情況下,比較多個主時鐘的關(guān)鍵屬性值,為本地時鐘提供一個優(yōu)時鐘系統(tǒng)源。在當(dāng)前主時鐘故障或性能下降時,系統(tǒng)可選擇其他更合適的節(jié)點替代它作為主時鐘。該算法獨立運(yùn)行于PTP系統(tǒng)中的每個時鐘上,即是說,時鐘并不診斷哪個是主哪個是從,而是根據(jù)BMC算法只計算出自己的狀態(tài)。 佳主時鐘算法由兩部分組成:一是數(shù)據(jù)集比較算法,比較兩組數(shù)據(jù)的優(yōu)劣,例如一組是代表本地時鐘的缺省特性的數(shù)據(jù),一組代表從某端口接收的同步報文所包含的信息。二是狀態(tài)決策算法,根據(jù)數(shù)據(jù)組比較結(jié)果計算每個端口的推薦狀態(tài)(主站、從站、待機(jī)、未校正、監(jiān)聽、禁止、初始化、故障狀態(tài))。 PTP的時鐘同步機(jī)制 PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時的的匹配時間,每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達(dá)到同步。這個同步過程分為兩個階段:偏移測量階段和延遲測量階段。 階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差,稱為偏移測量。為了提高修正精度,考慮主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間的因素,即延遲測量,這是同步過程的第二個階段。與偏移測量不同,延遲測量是不規(guī)則進(jìn)行的,其測量間隔時間比偏移值測量間隔時間要大。這樣使得網(wǎng)絡(luò)尤其是設(shè)備終端的負(fù)荷不會太大。 經(jīng)過延時報文的請求和應(yīng)答以及同步報文的時間標(biāo)記,可以計算出兩個方向的平均傳輸延時,在以后的計算中就可以使用。實際上偏移與延時值的測量是互相影響的,要經(jīng)過多次測量和計算,才會逐步收斂到接近實際值。測量時間間隔的選取很重要,選擇間隔短時通信負(fù)荷較重,間隔過長則不能保證同步的精度,所以同步和延時的測量間隔應(yīng)根據(jù)同步要求和系統(tǒng)配置選擇。 影響同步的因素 通信通道的對稱性 從PTP的同步原理可以看出,PTP終端設(shè)備為計算其網(wǎng)絡(luò)延遲和時鐘偏移所進(jìn)行的四次測量都是建立在一個假設(shè)的基礎(chǔ)上,即報文的傳輸延遲Delay在傳輸方向上是相同的。但這只是一種理想情況,在大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下,這種假設(shè)幾乎是無法保證的。而且目前我們所使用的因特網(wǎng)電纜在設(shè)計時就采用了很小的不對稱設(shè)計,用以減小遠(yuǎn)程末端的串?dāng)_。在這種情況下,隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加,Delay在傳輸方向上的差異會越來越大,造成同步精度的下降。 線路延遲的偏差和時鐘的穩(wěn)定性 從PTP報文線路延時的計算過程看,由于從終端在接收到同步報文后要隨機(jī)延長一段時間ΔTs后再發(fā)出延遲請求報文,在這段時間,相應(yīng)的主時鐘也會產(chǎn)生一段計時ΔTm,在實際系統(tǒng)中,這是由于主從時鐘所采用的晶振源和計數(shù)器并不相同,這就導(dǎo)致時鐘的運(yùn)行速度并不相同,因而也不可能等于,那就會對延遲的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。此外,由于主從時鐘之間的運(yùn)行速度的差異,因而主從兩邊的時間戳的分辨率也將不同,從而導(dǎo)致主從時鐘同步時隙的差異,再加上晶振漂移的影響,因而Δ所引起的誤差將會更大。因此,只要主從時鐘采用相同的時間標(biāo)尺,就能減小甚至忽略Δ帶來的同步性能下降。但在實際系統(tǒng)中,由于主從時鐘不可能在速度上*匹配,這就必須通過多次的時間同步對從時鐘的晶振進(jìn)行速度補(bǔ)償,盡量減小主從時鐘之間的速度差異。 |
