IEEE1588精密時(shí)鐘同步分析

摘要： 數(shù)據(jù)傳輸及處理的綜合要求使局域網(wǎng)在測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域盡顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，新一代測(cè)試總線LXI應(yīng)運(yùn)而生。在現(xiàn)有以太網(wǎng)基礎(chǔ)上開展測(cè)試與測(cè)量，首先需要解決的是實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)備之間的精密時(shí)鐘同步，LXI采用IEEE1588。本文主要包含3個(gè)部分：IEEE1588同步元件的軟硬件組成、精密時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)及其精確度測(cè)試。

關(guān)鍵詞： LXIIEEE1588同步

 

Analysis of the Precise Time Synchronization of IEEE1588

Huang Yunshui  Feng Yuguang

Abstract： With the improving requirement of data transferring and complex processing in test and measurement, a novel LXI bus standard came into being accordingly. To realize networked test and measurement on current Ethernet network, precise time synchronization among different terminals should be achieved. This article mainly includes three parts: hardware and software formation of IEEE1588 synchronization devices, implementation of precise synchronization and accurate test.

Keywords： LXI，IEEE1588，synchronization.

 

0引言

測(cè)試與測(cè)量（Test and Measurement，T&M）的發(fā)展以測(cè)試總線的發(fā)展為標(biāo)志。測(cè)試總線從GPIB到VXI再到PXI，測(cè)試儀器也由機(jī)架式發(fā)展到了插卡式。但是T&M對(duì)數(shù)據(jù)傳輸與處理綜合要求的逐步提高使得這種發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，于是以太網(wǎng)以其優(yōu)秀的傳輸性能開始被廣泛采用。

人們開始在測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)中直接接入以太網(wǎng)，然后使用GPIB、VXI或者PXI總線連接儀器，達(dá)到向遠(yuǎn)程地點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)或者從遠(yuǎn)程地點(diǎn)接收命令的目的。去年9月，Agilent公司和VXI科技公司聯(lián)合推出了LXI（LANbased eXtensions for Instruments），這是一種適用于測(cè)試系統(tǒng)的新一代基于LAN的模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。LXI總線不受帶寬、軟件和計(jì)算機(jī)背板體系結(jié)構(gòu)的限制，而且能利用日益增長(zhǎng)的Ethernet吞吐能力。

LXI是一種基于網(wǎng)絡(luò)的儀器接口規(guī)范，為實(shí)現(xiàn)各種終端設(shè)備之間的同步控制，采用了以太網(wǎng)的精密時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP），即IEEE1588。IEEE1588定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確同步時(shí)鐘的協(xié)議（PTP）。下面介紹這種精密時(shí)鐘協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)、工作原理以及它的精度分析。

 

1IEEE1588體系結(jié)構(gòu)

1.1關(guān)于精密時(shí)鐘

一個(gè)1588精密時(shí)鐘（PTP）系統(tǒng)包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)都代表一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接。按工作原理，時(shí)鐘可以分為普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘兩種。二者的區(qū)別是普通時(shí)鐘只有一個(gè)PTP端口，而邊界時(shí)鐘包括多個(gè)PTP端口。在網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)時(shí)鐘都可能處于下面3種狀態(tài)：從屬時(shí)鐘（SLAVE）、主時(shí)鐘（MASTER）和原主時(shí)鐘（PASSIVE）。每個(gè)時(shí)鐘所處的狀態(tài)是根據(jù)最優(yōu)化的時(shí)鐘算法決定的，圖2IEEE1588的三層結(jié)構(gòu)這些狀態(tài)隨著網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的改變而改變。

1.2PTP參考體系結(jié)構(gòu)

PTP體系結(jié)構(gòu)的特別之處在于硬件部分與協(xié)議的分離，以及軟件部分與協(xié)議的分離，因此，運(yùn)行時(shí)對(duì)處理器的要求很低。事實(shí)上，下面可以看到，PTP的體系結(jié)構(gòu)是一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

PTP參考體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件單元由一個(gè)高度精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)用來產(chǎn)生時(shí)間印章的時(shí)間印章單元（TSU）組成。軟件部分通過與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和硬件時(shí)間印章單元的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。





圖1同步元件組成框圖

PTP這種體系結(jié)構(gòu)的目的是為了支持一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件組成模型，如圖2所示。根據(jù)抽象程度的不同，PTP可分為3層結(jié)構(gòu)： 協(xié)議層、OS抽象層和OS層。

協(xié)議層包含完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的精密時(shí)鐘協(xié)議，它能運(yùn)用在不同的通信元件中（如PC、集線器、路由器等）。協(xié)議層中使用的僅僅是ANSI/ISO C中的保角函數(shù)（Conformal Functions），因此無需對(duì)不同平臺(tái)的接口功能函數(shù)有很深的了解，就能很容易地移植該協(xié)議。協(xié)議層與OS抽象層之間的通信是通過一個(gè)序列和3個(gè)精確定義的接口實(shí)現(xiàn)的。

OS抽象層包含了基于操作系統(tǒng)的功能函數(shù)，




因此，這一層操作者必須掌握。這一層中包含PTP的3個(gè)通信接口：時(shí)間印章接口、時(shí)鐘接口、端口接口。時(shí)間印章接口通過對(duì)Sync和DelayReq信號(hào)加蓋時(shí)間印章來提供精密時(shí)鐘協(xié)議，同時(shí)根據(jù)精度需要決定到底是硬件還是軟件產(chǎn)生時(shí)間印章。產(chǎn)生“軟件時(shí)間印章”的最好方法是依賴操作系統(tǒng)的NIC網(wǎng)絡(luò)接口卡驅(qū)動(dòng)，并且要在傳輸媒介中取得越近越好。通過時(shí)鐘接口能夠?qū)Ρ镜貢r(shí)鐘進(jìn)行讀和更改的操作，當(dāng)然，這些操作是建立在熟知各類功能函數(shù)的基礎(chǔ)上。該接口包含了與時(shí)鐘同步質(zhì)量（如精確度、穩(wěn)定度等）密切相關(guān)的控制算法。端口接口用來分配/接收PTP信息。

這種模塊化的軟件平臺(tái)在Windows與Linux中的應(yīng)用是通過軟件中的時(shí)間印章實(shí)現(xiàn)的。純粹的軟件實(shí)現(xiàn)也能達(dá)到大約100μs 的精確度，而且精確度很有可能達(dá)到小于10μs的精確度。

1.3IEEE1588 與集線器

IEEE1588的精確度與所基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的偏移抖動(dòng)（latency jitter）密切相關(guān)。測(cè)量時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接能提供最高的精確度，而Hub的使用會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)（jitter）。當(dāng)負(fù)載很低或者根本沒有負(fù)載時(shí)第二層集線器（Layer 2 switches）的處理時(shí)間很短，一般是2μs~10μs外加信息包接收時(shí)間。但是，集線器是以序列的方式處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，采取“存儲(chǔ)－轉(zhuǎn)發(fā)”方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。因此僅僅一個(gè)序列的最大長(zhǎng)度信息包就會(huì)給下面的信息包造成大約122μs的延遲，而且在高負(fù)載條件下，往往不止存在一個(gè)序列。

該協(xié)議的精確度的第二個(gè)問題是，（在下面的分析中可以看出）當(dāng)考慮偏移（latency）的時(shí)候假設(shè)從主時(shí)鐘到從屬時(shí)鐘以及從從屬時(shí)鐘到主時(shí)鐘是完全對(duì)稱的，很顯然，在較高的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載中這一點(diǎn)幾乎是無法保證的。

IEEE802.2D/p信息包的優(yōu)先權(quán)（Prioritization）根本無法真正解決上述問題。因?yàn)樵谶@種協(xié)議中，至少在同步信息包的前面必須有一個(gè)長(zhǎng)信息包，因此，在傳輸?shù)倪^程中就會(huì)產(chǎn)生122μs的抖動(dòng)，而且一般在優(yōu)先程序（priority scheduler）后面會(huì)存在一個(gè)有2到8個(gè)信息包的序列，而且還可能不止一個(gè)序列，這就意味著在重負(fù)載的條件下，將會(huì)存在360μs到1ms的抖動(dòng)。 這個(gè)問題的解決方法是在集線器中使用IEEE1588邊界時(shí)鐘。這樣就只存在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，在主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘之間幾乎不存在抖動(dòng)，而且，集線器內(nèi)部序列的延遲（抖動(dòng)）（delay/jitter）也不會(huì)有任何關(guān)系了。在本文精度測(cè)試的試驗(yàn)中就是接入了邊界時(shí)鐘后進(jìn)行的測(cè)試，如圖3所示。





圖3邊界時(shí)鐘的使用2IEEE1588的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)

同步過程分為兩個(gè)階段：偏移測(cè)量階段和延遲測(cè)量階段。

2.1偏移測(cè)量

偏移測(cè)量階段用來修正主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘的時(shí)間差。在這個(gè)偏移修正過程中，主時(shí)鐘周期性發(fā)出一個(gè)確定的同步信息（簡(jiǎn)稱Sync信息）（一般為每?jī)擅胍淮危?，它包含了一個(gè)時(shí)間印章（time stamp），精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。如圖4所示，假設(shè)同步之前主時(shí)鐘的時(shí)間為Tm=1050s,而從屬時(shí)鐘的時(shí)間為Ts=1000s。主時(shí)鐘測(cè)量出發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間TM1，而從屬時(shí)鐘測(cè)量出接收的準(zhǔn)確時(shí)間TS1。由于信息包含的是預(yù)計(jì)的發(fā)出時(shí)間而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)間，所以主時(shí)鐘在Sync信息發(fā)出后發(fā)出一個(gè)Follow_Up信息，該信息加了一個(gè)時(shí)間印章，準(zhǔn)確地記載了Sync信息的真實(shí)發(fā)出時(shí)間TM1。這樣一來，從屬時(shí)鐘使用Follow_Up信息中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏移（offset）：





圖4偏移測(cè)量

Offset = TS1－TM1－Delay

這里要說明的是，上式中的Delay指的是主時(shí)鐘與從屬時(shí)鐘之間的傳輸延遲時(shí)間，它將在下面的測(cè)量階段測(cè)出，所以在這里是未知的，從偏移測(cè)量階段就提供了一個(gè)修正時(shí)間（Adjust Time），將從屬時(shí)鐘修正為：

Adjust Time＝Ts－Offset

2.2延遲測(cè)量

延遲測(cè)量（delay measurement）階段用來測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延遲時(shí)間。為了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)，IEEE1588定義了一個(gè)延遲請(qǐng)求信息包（Delay Request Packet）,簡(jiǎn)稱Delay_Req。





圖5延遲測(cè)量

如圖5所示，從屬時(shí)鐘在收到Sync信息后在TS3時(shí)刻發(fā)出延遲請(qǐng)求信息包Delay_Req，主時(shí)鐘收到Delay_Req后在延遲響應(yīng)信息包（Delay Request Packet，Delay_Resp）印章出準(zhǔn)確的接收時(shí)間TM3，并發(fā)送給從屬時(shí)鐘，因此從屬時(shí)鐘就可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)： 

TM2→TS2：Delay1= TS2－（TM2+Offset）

TS3→TM3：Delay2=（TM3+Offset）－TS3

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間是對(duì)稱相等的，所以：

Delay＝Delay1+Delay22

與偏移測(cè)量階段不同的是，延遲測(cè)量階段的延遲請(qǐng)求信息包是隨機(jī)發(fā)出的，并沒有時(shí)間限制。需要說明的是，在這個(gè)測(cè)量過程中，假設(shè)傳輸介質(zhì)是對(duì)稱均勻的。

2.3同步實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，經(jīng)過同步信息的交換，從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了精確同步。

3精確度測(cè)試 

為保證測(cè)試結(jié)果能夠最大限度地接近工程應(yīng)用的實(shí)際情況，使主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘之間的偏離數(shù)據(jù)具有說服力，在精確度測(cè)試中接入一個(gè)以太網(wǎng)信息包發(fā)生器加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，測(cè)試系統(tǒng)連接如圖6所示。主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘的PPS（Plus Per Second）輸出連接到示波器，通過示波器就能非常清楚地測(cè)量出兩個(gè)信號(hào)之間的偏離，而且還可以描繪出這種偏離的頻率分布情況。這次測(cè)量前后用時(shí)84個(gè)小時(shí)，圖7是示波器的顯示值。從圖7可以看出,最大抖動(dòng)條件下的同步精確度落在