IEEE1588精密时钟同步协议的实现探讨

中国电子科技集团公司第五十四研究所 董广玉

随着网络控制技术水平的不断提升，分布式控制系统也提出对时钟同步精度的更高标准，本文以IEEE1588精密时钟同步协议为例，对该高精度时钟的同步机制与校正原理阐述说明，并对IEEE1588协议的BMC（最佳主时钟）、LCS（本地时钟同步）两大核心算法进行分析，并以技术开发角度提出了IEEE1588精密时钟同步协议，应用于数字化通信机房的应用方案，通过系统测试发现了数字化通信机房内IEEE1588的高精度时间同步实现可行性。

IEEE1588作为一种精密时钟同步协议标准，主要应用于网络测量及控制系统中，作为新一代测控纵向LXI标准关键组成，为了可以更好的满足工业控制、仪器测量相关领域中微秒级标准的时间同步需求，IEEE1588标准自提出得以广泛应用。IEEE1588标准代称网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，该标准原理就是经同步信号周期性，能够校正网络内的全部节点时钟达到同步，并基于以太网分布式系统，精准同步亚纳秒时钟。IEEE1588标准较现阶段的GPS、NTP/SNTP达到配置简单优化、高精度且快速收敛，以及较小资源消耗与网络带宽特点。对于时钟同步精度方面也要求更加严格，譬如运用于电力自动化系统、工业以太网、移动通信网等领域，引发人们的广泛关注。

1 IEEE1588时钟同步协议机制

1.1 PTP时钟状态机

PTP时钟同步系统作为包括主时钟、从时钟这样两部分之间构成主从关系的网络层次结构，以单个或多个PTP子域共同组成，并且每一个子域内都含有按个或多个彼此通信时钟。在网络内每一个PTP时钟，都极有可能存在两种不同状态，具体状态主要取决于BMC算法，在主时钟状态下设备为精确时钟，能够与从时钟的时间同步，但是一个主时钟只能存在1个通信子域内。

对于PTP网络内每一个时钟设备，经周期性交换带有时间信息同步报文，能够计算主时钟和从时钟之间存在的偏差与网络延时，对偏差进行纠正，对延时进行补偿处理，能够做到主时钟和从时钟之间同步亚纳秒级。在其中一个时钟上线，对于系统指定时间阶段内，可以负责对主时钟Sync信息的监听。

一是假若收到同步报文信息源于主时钟，这代表本地始终进入Slave状态；二是假若在一段时间内都并未获取同步报文信息，则假定这个时钟就是主时钟，处于Pre-Master状态，端口为主时钟表现状态，但是无法负责同步报文信息发送。这种Pre-Master状态会持续一定时间，假设在这段时间内仍然未能收到其他时钟发送的同步报文信息，则表示这个时钟处于Master主状态，发送Sync信息。

在时钟的各自端口都负责最佳主时钟算法，对自己时钟状态以及网络内的其他时钟状态加以确定，假若时钟某Slave状态下的端口，能够确定质量高于当前网络内的主时钟，则主时钟端口会接收更优质量的Sync状态信息，这个端口会呈现主时钟状态发送同步报文信息，之后主时钟会停止向网络宣布自己是主时钟同时停止发送同步报文。

1.2 PTP时钟同步及LCS算法

针对时钟网络内已经确定主从关系的时钟，运用LCS算法对本地时钟校准同步主时钟（见图1）。根据下图流程在始终Tc2时刻，能够接收主时钟发送同步报文，在Ts3时刻下，从时钟能够接收主时钟的发送同步报文，根据时钟主时钟偏移Toffset公式如下：

在时钟Tc4时刻发送Delay Req报文至主时钟，在Rs5时刻时钟可以接收Delay Req报文，对应主时钟发送的Delay Req报文，二者延时公式如下：

图1 PTP时序图

1.3 BMC算法

BMC算法能够在PTP系统每一个时钟独立运行，主要负责主时钟与生成时钟网络拓扑结构，所受DSC（数据设置比较算法）与SD（状态决定算法）完成。在DSC算法中能够依照不同同步报文数据集，对比筛选最佳化报文，对最佳主时钟确定形成拓扑结构。作用于动态化时钟，达到同步时钟系统运行中可以根据实时数据，对比时钟选择相应的数据集，并对不同端口节点状态做出动态化调整。状态决定算法对于时钟所处PTP子域主时钟确定后，与各数据集相应信息为依据，计算不同时钟的PTP端口推荐状态适当调整。为了避免网络生成回路，状态决定算法可以自动生成数形拓扑结构，定义竞争失败节点端口为disabled禁用、Passive被动两状态。

2 IEEE1588时钟应用数字化通信机房实现

2.1 通信机房应用方案

（1）同步精度要求

通信机房划分了逻辑结构层、物理结构层，达到网络化站控层、过程层、间隔层之间信息交互，IEC61850-5-13同步数字化通信机房的时间报文精度，以差异化需求划分5个等级分别为T1～T5，对测量中的具体采样值，以达到最高同步精度要求控制为±1μs，站控层同步精度要求较低±1ms。

（2）配置方案

在通信机房中有诸多不同类型，网络拓扑结构、保护测控设备配置也并不代表全部相同，目前基于以太网结构基本包括了总线、星形、环形以上三种，在本文选用星型结构研究IEEE1588时钟配置，考虑该通信机房的时钟同步关键，均运用IEEE1588时钟高精度同步报文。本次IEEE1588时钟应用通信机房中，选用了北斗卫星同步时钟，GPS同步时钟作为方案一，北斗卫星同步原子时钟作为方案二。因为卫星同步易受电磁、天气等因素干扰，所以优先选择了方案二，分别与2个边界时钟连接，之后又将边界时钟连接，确保避免丢失其中一个主时钟情况下，仍然可以与另一个连接的边界时钟，精准同步时间。

在对同步报文和跟随报文发送的同时，时钟端口对网络上的消息进行监听，一旦有消息到来则进行接收，并记下接收时间，根据报文的识别符进行判断，看接收到的报文是哪一类报文，如果接收到的报文是同步报文，则将报文进行解包并对接收到的报文进行接收处理，若接收到的同步报文为有效报文，则调用最佳主时钟模块来判断本地时钟的状态，如果本地时钟的状态在运行最佳主时钟算法后仍为主时钟，则按照所设定的时间间隔继续向网络中周期性地发送同步报文和跟随报文。若主时钟收到从时钟发来的延迟请求报文，则将延迟请求报文到达的时间记录下来，构建延迟请求应答报文并将延迟请求报文到达主时钟的时间放入报文中；在构建好延迟请求应答报文后，主时钟将报文进行格式转换后送入发送缓冲区发送给从时钟。

3 测试验证

3.1 测试原理

结合以上设计调试IEEE1588时钟的各报文标准协议后，需要对应测试验证系统各功能，验证IEEE1588时钟是否可以满足系统高精度需求，根据网络所发布的同步触发时间情况，借助广播方式发送，达到主时钟、从时钟二者同步接收以太网触发时间，相较本地时间在达到要求时间时，主从量时钟均由各自I/O输出口，发送相应的变化脉冲信号，与同一示波器接收两时钟的信号，通过运用逻辑分析仪对不同信号波形进行分析，对比得出两时钟差值判断是否满足IEEE1588时钟高精度时钟同步功能标准。

根据对比主从两时钟的信号波形，发现符合IEEE1588时钟高精度时钟同步功能标准要求，可以达到百μ级别的时钟同步精度，因为获取时间方法及所在位置，会很大程度上硬性时钟同步精度，所以可以通过改变硬件条件达到高精度时钟同步要求的场所。

结语：总之，IEEE1588时钟高精度时钟同步协议基于网络，作为LXI仪器关键技术，在本研究通过基于IEEE1588时钟高精度时钟同步协议的原理基础上，在区域通信机房提出IEEE1588时钟的应用方案，并展开验证测试发现了通信机房内IEEE1588的高精度时间同步实现可行性。