京準(zhǔn)科技：PTP網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器過5跳交換數(shù)據(jù)測試

京準(zhǔn)科技：PTP網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器過5跳交換數(shù)據(jù)測試

京準(zhǔn)科技：PTP網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器過5跳交換數(shù)據(jù)測試

京準(zhǔn)電子官微——ahjzsz

一、IEEE1588PTPv2授時技術(shù)簡介

IEEE1588協(xié)議的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時同步能力的規(guī)范，是一個允許通信網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點通過時鐘報文的傳播，從而達到與連在同一個網(wǎng)絡(luò)中的主時鐘參考達到精確同步的協(xié)議， 其特點為 ：一個與介質(zhì)無關(guān) 的協(xié)議，可實現(xiàn)有 線，無線，以太網(wǎng)， IP網(wǎng)，光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點時鐘同步。

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）的內(nèi)時鐘與一個主時鐘實 現(xiàn)精確時間同 步，目標(biāo) 同步誤差為微妙（μs） 級別的運用 ，與 NTP協(xié)議的 1000μs精度相比，整個網(wǎng)絡(luò)的定時同步指標(biāo)有顯著的改善。

IEEE1588協(xié)議目前已發(fā)展到 v2版本。1588v2對 v1進行了完善，進一步提高了同步的精度；引入透明時鐘 TC模式，包括 E2E透明時鐘和 P2P透明時鐘，計算中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的駐留時間，從而實現(xiàn)主從間精確時間同步，并新增端口間延時測量機制等，通過非對稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓撲中的積聚錯誤。

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

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

相對于現(xiàn)有的授時技術(shù)（如原子鐘， GPS, 北斗或 IRIG）,IEEE1588v2授時系統(tǒng)的優(yōu)點是：

o 不受地形限制：

1588v2時鐘同步網(wǎng)絡(luò)中只要保障時間源 (主時鐘) 的設(shè)置不受地形影響，各從時鐘 通過網(wǎng)絡(luò)鎖定主時鐘，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：

只需要一個高精度的主時鐘，以及連接在各個設(shè)備/終端的低成本從時鐘，即可實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的精確時鐘同步。

o 覆蓋面廣：

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

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)實施周期。

二、IEEE1588PTPv2的工作原理

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

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

了這個消息的發(fā)送時刻 t1。

2) 從時鐘收到Sync消息之后紀(jì)錄下接收時間戳 t2.

3) 主時鐘接著將時間戳 t1放在一個Follow_Up消息中并傳給從時鐘。

4) 從時鐘接受Follow_Up 消息

5) 從時鐘發(fā)送一個 Delay_Req 消息到主時鐘，并利用一個高精度時間戳記錄

下發(fā)送時間 t3

6) 主時鐘接收 Delay_Req 消息 并記下接收時間 t4.

7) 主時鐘將時間戳t4 放在一個 Delay_Resp 消息中傳給從時鐘。

主時鐘為每一個從時鐘的消息交互分別一個會話。以上消息交互過程在主從時鐘

之間進行周期性的重復(fù)，幫助從時鐘維護對主時鐘的時間同步并不斷的嘗試提高精度。

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

t2-t1= Clock_Offset+ T_MS (1)

t4-t3= - Clock_Offset+ T_SM (2)

其中:

Clock_Offset 代表從時鐘相對于主時鐘的時間誤差

T_MS 代表主時鐘往從時鐘的傳輸路徑時延

T_SM 代表從時鐘往主時鐘的傳輸路徑時延

如果主從時鐘間上下行傳輸路徑時延對稱，即 T_MS = T_SM , 主從時間誤差可估算為：

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

上行或下行傳輸路徑時延按下式估算：

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

如果主從時鐘間上下行傳輸路徑時延是非對稱的，按上述方法估算的主從時間漂移以及傳輸路徑時延將會存在誤差. 假設(shè)原本對稱的上下行傳 輸時延現(xiàn)分別存在記為 e_ms, e_sm的時延修正變量 （通常為正數(shù)）。表達式(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時鐘同步方法的精度的主要因素并不是上行或下行傳輸時延的誤差（或修正變量）的絕對值，而是上下行傳輸時延誤差間的相對值?；蛘哒f在一個傳輸時延誤差很大的環(huán)境里，只要保證上下行傳輸時延誤差對稱，IEEE1588v2時鐘同步仍然可以達到一個很高的精度。

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

測試設(shè)備

我們搭建了一個千兆（普通交換機）以太網(wǎng)以進行我司 PTP時鐘產(chǎn)品的功能，同步精度的測試。該網(wǎng)絡(luò)的的基本拓撲框圖如下圖所示 （以五跳局域網(wǎng)為例 ）。

測試方案實施

具體測試方案實施包括以下要點：

§ 測試網(wǎng)絡(luò)拓撲：

場景：千兆以太網(wǎng)絡(luò)，鏈?zhǔn)酵負洌?5跳。

§ 測量設(shè)備： 高分辨率的示波器。

§ 測試設(shè)備： HR-PTP2200設(shè)備（0722 版本）做主時鐘，HR-PTP100設(shè)備作為從時鐘，5個千兆思科交換機，示波器。

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

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

§ 測試結(jié)果統(tǒng)計方法:系統(tǒng)穩(wěn)定后觀察 1個小時。

測試結(jié)果

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

測試結(jié)果：測試時間 1小時，主從對時偏差為（-240,50）ns；

審核編輯 黃宇