京準(zhǔn)科技：PTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器過5跳交換數(shù)據(jù)測(cè)試

京準(zhǔn)科技：PTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器過5跳交換數(shù)據(jù)測(cè)試

京準(zhǔn)電子官微——ahjzsz

一、IEEE1588PTPv2授時(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

IEEE1588協(xié)議的全稱是“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)”，是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，是一個(gè)允許通信網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過時(shí)鐘報(bào)文的傳播，從而達(dá)到與連在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)鐘參考達(dá)到精確同步的協(xié)議， 其特點(diǎn)為 ：一個(gè)與介質(zhì)無關(guān) 的協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)有 線，無線，以太網(wǎng)， IP網(wǎng)，光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步。

IEEE1588的基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時(shí)鐘與一個(gè)主時(shí)鐘實(shí) 現(xiàn)精確時(shí)間同 步，目標(biāo) 同步誤差為微妙（μs） 級(jí)別的運(yùn)用 ，與 NTP協(xié)議的 1000μs精度相比，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)同步指標(biāo)有顯著的改善。

IEEE1588協(xié)議目前已發(fā)展到 v2版本。1588v2對(duì) v1進(jìn)行了完善，進(jìn)一步提高了同步的精度；引入透明時(shí)鐘 TC模式，包括 E2E透明時(shí)鐘和 P2P透明時(shí)鐘，計(jì)算中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的駐留時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)主從間精確時(shí)間同步，并新增端口間延時(shí)測(cè)量機(jī)制等，通過非對(duì)稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械姆e聚錯(cuò)誤。

在良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，IEEE1588v2能達(dá)到 100納秒(ns)的時(shí)鐘同步精度。

IEEE1588v2的高精 度使得它被越來 越多地用作 普通時(shí)鐘通過 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn) 對(duì)高精度時(shí)鐘的頻率和相位鎖定的協(xié)議。

相對(duì)于現(xiàn)有的授時(shí)技術(shù)（如原子鐘， GPS, 北斗或 IRIG）,IEEE1588v2授時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：

o 不受地形限制：

1588v2時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)中只要保障時(shí)間源 (主時(shí)鐘) 的設(shè)置不受地形影響，各從時(shí)鐘 通過網(wǎng)絡(luò)鎖定主時(shí)鐘，不受其所處的地形/位置或者衛(wèi)星可見度的影響。

o 成本低：

只需要一個(gè)高精度的主時(shí)鐘，以及連接在各個(gè)設(shè)備/終端的低成本從時(shí)鐘，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的精確時(shí)鐘同步。

o 覆蓋面廣：

整個(gè)IEEE1588v2精確時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面可以隨著其承載網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展而擴(kuò)展。通過一個(gè) 2層或 3層網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)主時(shí)鐘理論上可以同步上千個(gè)從時(shí)鐘。

o 綜合成本低：

可重用現(xiàn)有的廣域（IP）或局域網(wǎng)絡(luò) (Ethernet)作為承載, 大大降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，并縮短了系統(tǒng)實(shí)施周期。

二、IEEE1588PTPv2的工作原理

圖一中展示了一個(gè)從時(shí)鐘基于 IEEE1588v2通過網(wǎng)絡(luò)鎖定高精度主時(shí)鐘的原理:這個(gè)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)支持 IEEE1588v2協(xié)議的高精度主時(shí)鐘，一個(gè)或多個(gè)精度較低的從時(shí)鐘，以及連接這兩個(gè)時(shí)鐘以太網(wǎng)或 IP網(wǎng)絡(luò)。 主時(shí)鐘與從時(shí)鐘按1588v2 規(guī)定的流程進(jìn)行頻繁的消息交換.為了讓從時(shí)鐘測(cè)量出相對(duì) 主時(shí)鐘的時(shí)間漂移，主從時(shí)間之間信息交互的流程如下：

1) 主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè) Sync 消息到從時(shí)鐘并通過一個(gè)高精度的時(shí)間戳記錄下

了這個(gè)消息的發(fā)送時(shí)刻 t1。

2) 從時(shí)鐘收到Sync消息之后紀(jì)錄下接收時(shí)間戳 t2.

3) 主時(shí)鐘接著將時(shí)間戳 t1放在一個(gè)Follow_Up消息中并傳給從時(shí)鐘。

4) 從時(shí)鐘接受Follow_Up 消息

5) 從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè) Delay_Req 消息到主時(shí)鐘，并利用一個(gè)高精度時(shí)間戳記錄

下發(fā)送時(shí)間 t3

6) 主時(shí)鐘接收 Delay_Req 消息 并記下接收時(shí)間 t4.

7) 主時(shí)鐘將時(shí)間戳t4 放在一個(gè) Delay_Resp 消息中傳給從時(shí)鐘。

主時(shí)鐘為每一個(gè)從時(shí)鐘的消息交互分別一個(gè)會(huì)話。以上消息交互過程在主從時(shí)鐘

之間進(jìn)行周期性的重復(fù)，幫助從時(shí)鐘維護(hù)對(duì)主時(shí)鐘的時(shí)間同步并不斷的嘗試提高精度。

在上述消息交互之后,從時(shí)鐘將 得到t1 – t4四個(gè)相關(guān)的時(shí)間 戳.這些時(shí)間戳將被用來 計(jì)算從主 從時(shí)鐘間 的平均消息 傳輸時(shí)間 以及從時(shí) 鐘相對(duì)于主 時(shí)鐘的時(shí)間漂移。從時(shí)間戳 t1– t4計(jì)算出主從時(shí)鐘間的平均消息傳輸時(shí)間以及時(shí)間漂移過程如下：

t2-t1= Clock_Offset+ T_MS (1)

t4-t3= - Clock_Offset+ T_SM (2)

其中:

Clock_Offset 代表從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)間誤差

T_MS 代表主時(shí)鐘往從時(shí)鐘的傳輸路徑時(shí)延

T_SM 代表從時(shí)鐘往主時(shí)鐘的傳輸路徑時(shí)延

如果主從時(shí)鐘間上下行傳輸路徑時(shí)延對(duì)稱，即 T_MS = T_SM , 主從時(shí)間誤差可估算為：

Clock_Offset = [(t2-t1)-(t4-t3)]/2 (3)

上行或下行傳輸路徑時(shí)延按下式估算：

T_MS = T_SM = [(t2-t1)+(t4-t3)]/2 (4)

如果主從時(shí)鐘間上下行傳輸路徑時(shí)延是非對(duì)稱的，按上述方法估算的主從時(shí)間漂移以及傳輸路徑時(shí)延將會(huì)存在誤差. 假設(shè)原本對(duì)稱的上下行傳 輸時(shí)延現(xiàn)分別存在記為 e_ms, e_sm的時(shí)延修正變量 （通常為正數(shù)）。表達(dá)式(1)和 (2)可改寫為：

t2-t1= Clock_Offset + T_MS + e_ms (5)

t4-t3= - Clock_Offset + T_SM + e_sm (6)

主從時(shí)間漂移可估算成：

Clock_Offset = [(t2-t1)-(t4-t3)]/2– (e_ms-e_sm)/2 (7)

上或下行傳輸路徑時(shí)延按下式估算：

T_MS = T_SM = [(t2-t1)+(t4-t3)]/2 + (e_ms+e_sm)/2 (8)

由(7)式可以看出，影響 IEEE1588v2時(shí)鐘同步方法的精度的主要因素并不是上行或下行傳輸時(shí)延的誤差（或修正變量）的絕對(duì)值，而是上下行傳輸時(shí)延誤差間的相對(duì)值?；蛘哒f在一個(gè)傳輸時(shí)延誤差很大的環(huán)境里，只要保證上下行傳輸時(shí)延誤差對(duì)稱，IEEE1588v2時(shí)鐘同步仍然可以達(dá)到一個(gè)很高的精度。

從時(shí)鐘可以根據(jù)估算得到的本地時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)間漂移對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校正，從而達(dá)到主從時(shí)鐘同步.為了使從時(shí)鐘的時(shí)間同步達(dá)到很 高的精度，從時(shí)鐘的 IEEE1588v2同步算法必須對(duì)上下行的傳輸時(shí)延差別，抖動(dòng)以及其它可能引入誤差的因素進(jìn)行補(bǔ)償。

測(cè)試設(shè)備

我們搭建了一個(gè)千兆（普通交換機(jī)）以太網(wǎng)以進(jìn)行我司 PTP時(shí)鐘產(chǎn)品的功能，同步精度的測(cè)試。該網(wǎng)絡(luò)的的基本拓?fù)淇驁D如下圖所示 （以五跳局域網(wǎng)為例 ）。

測(cè)試方案實(shí)施

具體測(cè)試方案實(shí)施包括以下要點(diǎn)：

§ 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

場(chǎng)景：千兆以太網(wǎng)絡(luò)，鏈?zhǔn)酵負(fù)洌?5跳。

§ 測(cè)量設(shè)備： 高分辨率的示波器。

§ 測(cè)試設(shè)備： HR-PTP2200設(shè)備（0722 版本）做主時(shí)鐘，HR-PTP100設(shè)備作為從時(shí)鐘，5個(gè)千兆思科交換機(jī)，示波器。

§ 配置參數(shù)：組播，E2E，一步，UDP，sync為-3，announce為 0，delay_req為-3。

§ 測(cè)試內(nèi)容：HR-PTP2200做主（接 GPS 天線一段時(shí)間后拔掉），HR-PTP100做從，過 5跳交換機(jī)，不加流量，使用示波器查看主從 PPS偏差。

§ 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)方法:系統(tǒng)穩(wěn)定后觀察 1個(gè)小時(shí)。

測(cè)試結(jié)果

五跳，鏈?zhǔn)酵負(fù)?，以太網(wǎng)絡(luò)中主從時(shí)鐘同步精度測(cè)試示意圖:

測(cè)試結(jié)果：測(cè)試時(shí)間 1小時(shí)，主從對(duì)時(shí)偏差為（-240,50）ns；

審核編輯 黃宇