IEEE1588和高精度時(shí)間同步的方法

2，第二步主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“跟隨”（Follow_up）報(bào)文，這個(gè)報(bào)文包含先前的同步報(bào)文準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間的標(biāo)記。從節(jié)點(diǎn)利用這兩個(gè)時(shí)間標(biāo)記可以得到它與主節(jié)點(diǎn)的延遲，據(jù)此可調(diào)整它的時(shí)鐘的頻率。

3，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送“延時(shí)請(qǐng)求”（Delay_Request報(bào)文（延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文的間隔是獨(dú)立設(shè)置的，一般應(yīng)較同步報(bào)文間隔長(zhǎng)），這個(gè)報(bào)文是由從節(jié)點(diǎn)記錄它的準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間，由主節(jié)點(diǎn)打上準(zhǔn)確的接收時(shí)間標(biāo)記。

4，主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)“延時(shí)響應(yīng)”（Delay_ Response）報(bào)文，這個(gè)報(bào)文帶著先前的“延時(shí)請(qǐng)求”報(bào)文的準(zhǔn)確的接收時(shí)間標(biāo)記，從節(jié)點(diǎn)利用這個(gè)時(shí)間和由它所記錄的準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間，可計(jì)算出主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的傳輸延遲并調(diào)整它的時(shí)鐘漂移誤差。

圖2 偏移的校正

圖3 傳輸延時(shí)的測(cè)量

圖2，圖3例示主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間報(bào)文的交換，圖中的時(shí)間也僅是為了理解假設(shè)的，不代表實(shí)際情況（IEEE1588中表示時(shí)間使用64位數(shù)，可以精確地表示絕對(duì)時(shí)間）。圖2表示經(jīng)過(guò)兩次同步可以校正主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的偏差。但無(wú)法計(jì)算傳輸延時(shí)。

經(jīng)過(guò)延時(shí)報(bào)文的請(qǐng)求和應(yīng)答以及同步報(bào)文的時(shí)間標(biāo)記，可以計(jì)算出兩個(gè)方向的平均傳輸延時(shí)，在以后的計(jì)算中就可使用。實(shí)際上偏移與延時(shí)值的測(cè)量是互相影響的，要經(jīng)過(guò)多次測(cè)量和計(jì)算，才會(huì)逐步收斂到接近實(shí)際值。測(cè)量時(shí)間間隔的選取很重要，選擇間隔短時(shí)通信負(fù)荷較重，間隔過(guò)長(zhǎng)則不能保證同步的精度，所以同步和延時(shí)的測(cè)量間隔應(yīng)根據(jù)同步要求和系統(tǒng)配置選擇。

IEEE1588并沒(méi)有規(guī)定使用的網(wǎng)絡(luò)，但從通信的負(fù)荷和時(shí)間要求來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)是比較適合的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前實(shí)際的實(shí)現(xiàn)也差不多都是基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。以上四種PTP報(bào)文都是基于IP多點(diǎn)通信（Multicast），它不限于Ethernet，并且可用于任何支持多點(diǎn)通信的總線系統(tǒng)。多點(diǎn)通信提供簡(jiǎn)單化的優(yōu)點(diǎn)，IP地址管理不需要在PTP節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)，這樣可以進(jìn)一步擴(kuò)展到很大數(shù)目的PTP節(jié)點(diǎn)。

4 本地時(shí)鐘的考慮

PTP協(xié)議可能達(dá)到很高的同步精度，組成龐大的同步系統(tǒng)，但實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)需要達(dá)到的精度和功能組建?？梢赃x用1級(jí)或2級(jí)時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，也可選用3級(jí)，4級(jí)時(shí)鐘，可按價(jià)格和性能需要綜合考慮。但作為普通節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘的振蕩器，出于成本考慮基本上只能選擇石英晶體振蕩器。但石英晶振的頻率會(huì)隨溫度，機(jī)械因素和老化漂移，其中最主要的影響是溫度，典型的不補(bǔ)償?shù)氖⒕д竦臏囟蕊h移是1PPM/C0,如果同步間隔是2秒，則溫度上升1度在每個(gè)同步間隔會(huì)產(chǎn)生2微秒的誤差。但通過(guò)對(duì)晶振的熱環(huán)境的控制，可以明顯降低漂移。

從上面論述也可知道如果本地時(shí)鐘的振蕩頻率稍有偏離，就會(huì)造成時(shí)間的偏離，而且時(shí)間的偏離是累計(jì)的會(huì)越來(lái)越大，雖然通過(guò)同步報(bào)文的計(jì)算可以校正時(shí)間，但本地時(shí)間的頻繁校正會(huì)打亂本地時(shí)鐘的連續(xù)性，使需要定時(shí)處理的任務(wù)像PID調(diào)節(jié)，通過(guò)時(shí)間段計(jì)量脈沖的速度測(cè)量等應(yīng)用陷入混亂。所以在PTP系統(tǒng)內(nèi)使用頻率可調(diào)的晶振，通過(guò)頻率的校正使本地時(shí)鐘的頻率與主時(shí)鐘同步。對(duì)這種晶振的要求是0.01%精度和0.02%的頻率可調(diào)范圍。同時(shí)PTP并不在接收同步報(bào)文后立即校正本地時(shí)鐘的時(shí)間，而是將這個(gè)偏移作為一個(gè)數(shù)據(jù)保存在端口中，通過(guò)本地時(shí)間加偏移值得到正確時(shí)間。

同時(shí)PTP定義的外部定時(shí)信號(hào)是可選特性，支持這個(gè)特性的主時(shí)鐘另外提供10MHZ頻率的曼徹斯特編碼的時(shí)鐘信號(hào)，在每秒的邊界信號(hào)跳變給出秒信號(hào)。這個(gè)定時(shí)信號(hào)可用于校正時(shí)鐘頻率。

5 關(guān)于邊界時(shí)鐘

從上面的同步原理很容易看到，在計(jì)算偏移時(shí)需要用到傳輸延時(shí)，這個(gè)延時(shí)是以前得到的測(cè)量值計(jì)算的結(jié)果，如果延時(shí)是穩(wěn)定的，就能代表當(dāng)次測(cè)量的延時(shí)，偏移的測(cè)量就準(zhǔn)確。反之延時(shí)的起伏將直接影響同步的精度。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接可提供最高的精度，帶路由器會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，在PTP系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)交換機(jī)連接時(shí)，由于交換機(jī)在傳送報(bào)文時(shí)需要存儲(chǔ)和排隊(duì)，不可避免出現(xiàn)傳遞的延遲，而且這個(gè)延遲隨排隊(duì)報(bào)文的多少，報(bào)文的大小而變。為了解決這個(gè)問(wèn)題通常使用支持IEEE1588的交換機(jī)作為邊界時(shí)鐘，支持IEEE的交換機(jī)內(nèi)部包含了一個(gè)PTP時(shí)鐘，由于它是直接接收主時(shí)鐘報(bào)文的，它與主時(shí)鐘的傳輸延時(shí)不存在排隊(duì)與存儲(chǔ)的問(wèn)題，所以在需要分支時(shí)通常使用帶邊界時(shí)鐘的交換機(jī)。

6 時(shí)鐘的評(píng)價(jià)和最佳時(shí)鐘算法概要

最佳時(shí)鐘算法是1588協(xié)議的很重要的部分，1588雖然是適用于局域網(wǎng)的協(xié)議，但它沒(méi)有限制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，范圍，設(shè)備數(shù)目和選用。對(duì)于任意結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)怎樣確定祖母時(shí)鐘，主時(shí)鐘，時(shí)間基準(zhǔn)怎樣逐級(jí)傳遞到各節(jié)點(diǎn)，以取得盡可能好的時(shí)鐘精度，就是最佳時(shí)鐘算法要達(dá)到的目標(biāo)。1588的算法是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，即在時(shí)鐘同步系統(tǒng)運(yùn)行中根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷計(jì)算，動(dòng)態(tài)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)和端口的狀態(tài)，也就會(huì)調(diào)整時(shí)間的傳遞路線。所以在當(dāng)前主時(shí)鐘故障或性能下降時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)選擇其它更合適的節(jié)點(diǎn)替代它作為主時(shí)鐘。由于這部分內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜，這里只介紹相關(guān)的基礎(chǔ)概念。