IEEE1588和高精度時間同步的方法

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

3，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送“延時請求”（Delay_Request報文（延時請求報文的間隔是獨(dú)立設(shè)置的，一般應(yīng)較同步報文間隔長），這個報文是由從節(jié)點(diǎn)記錄它的準(zhǔn)確發(fā)送時間，由主節(jié)點(diǎn)打上準(zhǔn)確的接收時間標(biāo)記。

4，主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)返回一個“延時響應(yīng)”（Delay_ Response）報文，這個報文帶著先前的“延時請求”報文的準(zhǔn)確的接收時間標(biāo)記，從節(jié)點(diǎn)利用這個時間和由它所記錄的準(zhǔn)確的發(fā)送時間，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)整它的時鐘漂移誤差。

圖2 偏移的校正

圖3 傳輸延時的測量

圖2，圖3例示主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間報文的交換，圖中的時間也僅是為了理解假設(shè)的，不代表實(shí)際情況（IEEE1588中表示時間使用64位數(shù)，可以精確地表示絕對時間）。圖2表示經(jīng)過兩次同步可以校正主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的偏差。但無法計(jì)算傳輸延時。

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(jì)算出兩個方向的平均傳輸延時，在以后的計(jì)算中就可使用。實(shí)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(jì)算，才會逐步收斂到接近實(shí)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。

IEEE1588并沒有規(guī)定使用的網(wǎng)絡(luò)，但從通信的負(fù)荷和時間要求來說，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級或2級時鐘作為主時鐘，也可選用3級，4級時鐘，可按價格和性能需要綜合考慮。但作為普通節(jié)點(diǎn)本地時鐘的振蕩器，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度在每個同步間隔會產(chǎn)生2微秒的誤差。但通過對晶振的熱環(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鐘的振蕩頻率稍有偏離，就會造成時間的偏離，而且時間的偏離是累計(jì)的會越來越大，雖然通過同步報文的計(jì)算可以校正時間，但本地時間的頻繁校正會打亂本地時鐘的連續(xù)性，使需要定時處理的任務(wù)像PID調(diào)節(jié)，通過時間段計(jì)量脈沖的速度測量等應(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，通過頻率的校正使本地時鐘的頻率與主時鐘同步。對這種晶振的要求是0.01%精度和0.02%的頻率可調(diào)范圍。同時PTP并不在接收同步報文后立即校正本地時鐘的時間，而是將這個偏移作為一個數(shù)據(jù)保存在端口中，通過本地時間加偏移值得到正確時間。

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

5 關(guān)于邊界時鐘

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

6 時鐘的評價和最佳時鐘算法概要

最佳時鐘算法是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，但它沒有限制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，范圍，設(shè)備數(shù)目和選用。對于任意結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)怎樣確定祖母時鐘，主時鐘，時間基準(zhǔn)怎樣逐級傳遞到各節(jié)點(diǎn)，以取得盡可能好的時鐘精度，就是最佳時鐘算法要達(dá)到的目標(biāo)。1588的算法是動態(tài)運(yùn)行的，即在時鐘同步系統(tǒng)運(yùn)行中根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)不斷計(jì)算，動態(tài)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)和端口的狀態(tài)，也就會調(diào)整時間的傳遞路線。所以在當(dāng)前主時鐘故障或性能下降時，系統(tǒng)可能會選擇其它更合適的節(jié)點(diǎn)替代它作為主時鐘。由于這部分內(nèi)容相對復(fù)雜，這里只介紹相關(guān)的基礎(chǔ)概念。