| 隨著網絡技術的發展,分布式控制系統中對時間同步的要求越來越高。例如在機電控制、通信等領域中已經對時間同步提出了微秒級的要求。在分布式數據采集系統中,考慮到實時性的調度和控制,對時間統一的要求就更為嚴格。所以建立一個時間統一的分布式系統是分布式網絡的基本要求。IEEE1588(簡稱PTP,PrecisionTimeProtocol)定義了一個在測量和控制系統中,與網絡通信,本地計算和分配對象有關的時鐘同步協議,該協議適用于任何滿足多點通信的分布式控制系統,對于采用多播技術終端的時鐘可實現亞微秒級同步。其協議的核心是在一個網絡內如何選擇佳的主時鐘以及網內的從時鐘如何與主時鐘保持同步。 PTP的網絡結構 PTP網絡由若干節點組成。節點可以是PTP時鐘,也可以是管理節點。包含時鐘的節點典型時鐘同步網絡。在PTP協議中有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使節點13,14能相互通信,通過路徑D使節點13,15能相互通信。從通信關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主時鐘和從時鐘的功能,但一個PTP通信子網內只能有一個主時鐘。 PTP通信通道拓撲形成的是一個非循環的結構,即在任何一對PTP時鐘之間都不存在交替的PTP通信通道。PTP域中各節點根據佳時鐘算法被為九種狀態之一,各從時鐘通過同步機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、延遲應答報文和管理報文。 PTP協議原理 佳主時鐘算法 佳主時鐘算法是在一個網絡出現多個主時鐘情況下,比較多個主時鐘的關鍵屬性值,為本地時鐘提供一個優時鐘系統源。在當前主時鐘故障或性能下降時,系統可選擇其他更合適的節點替代它作為主時鐘。該算法獨立運行于PTP系統中的每個時鐘上,即是說,時鐘并不診斷哪個是主哪個是從,而是根據BMC算法只計算出自己的狀態。 佳主時鐘算法由兩部分組成:一是數據集比較算法,比較兩組數據的優劣,例如一組是代表本地時鐘的缺省特性的數據,一組代表從某端口接收的同步報文所包含的信息。二是狀態決策算法,根據數據組比較結果計算每個端口的推薦狀態(主站、從站、待機、未校正、監聽、禁止、初始化、故障狀態)。 PTP的時鐘同步機制 PTP協議基于同步數據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,延遲測量是不規則進行的,其測量間隔時間比偏移值測量間隔時間要大。這樣使得網絡尤其是設備終端的負荷不會太大。 經過延時報文的請求和應答以及同步報文的時間標記,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根據同步要求和系統配置選擇。 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終端設備為計算其網絡延遲和時鐘偏移所進行的四次測量都是建立在一個假設的基礎上,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,在大網絡負載的情況下,這種假設幾乎是無法保證的。而且目前我們所使用的因特網電纜在設計時就采用了很小的不對稱設計,用以減小遠程末端的串擾。在這種情況下,隨著網絡負載的增加,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延長一段時間ΔTs后再發出延遲請求報文,在這段時間,相應的主時鐘也會產生一段計時ΔTm,在實際系統中,這是由于主從時鐘所采用的晶振源和計數器并不相同,這就導致時鐘的運行速度并不相同,因而也不可能等于,那就會對延遲的準確性產生影響。此外,由于主從時鐘之間的運行速度的差異,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行速度補償,盡量減小主從時鐘之間的速度差異。 |
