PTP精密授时装置的同步协议

PTP精密授时装置的同步协议

以太网技术的高速发展为分布式系统在工业领域的广泛应用创造了条件。以太网具有成本低、可靠性高、传输速度快、通用性强、开放性好、发展潜力大等优点。但以太网也存在网络的确定性、实时性不强等缺陷。随着系统日益庞大复杂，分布化程度越来越高，对时钟同步的要求也逐步提高，虽然随着带宽的不断提高以及采用星形网络拓扑结构等减少冲突可能的技术的应用，以太网的确定性、实时性有一定程度的提高，但由于以太网自身冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA／CD）机制，设备层和I／O层的数据采集与传输问题，以及TCP及UDP上的误差检测及翻译障碍等，以太网的实时性问题并未得到根本解决。仍不能满足精确定时的要求。

精确时钟同步协议PTP（Precision Time Protocol）是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议，也称为IEEE 1588，简称为1588。1588分为1588v1和1588v2两个版本，1588v1只能达到亚毫秒级的时间同步精度，而1588v2可以达到亚微秒级同步精度。1588v2被定义为时间同步的协议，本来只是用于设备之间的高精度时间同步，随着技术的发展，1588v2也具备频率同步的功能。现在 1588v1基本已被1588v2取代，以下非特殊说明，PTP即表示1588v2。采用IEEE 1588精确时钟同步协议的以太网时钟同步技术，解决了通用以太网实时性和同步性差的问题。为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效的解决方案。IEEE 1588精确时钟同步协议的制定满足网络化分布式系统的需求，利用IEEE1588时钟同步技术可以在不增加网络负荷的情况下，实现整个分布式系统的高精度时钟同步，从而可以有效解决分布式系统的实时性问题，进而改善和提高系统的同步精度。

网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准IEEE1588适用于以太网、CAN总线和PROFIBUS等。IEEE 1588的基本功能是使分布式网络内所有从时钟与主时钟保持同步，该标准定义一种精确时间协议PTP（PrecisiON rime Protocol），用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行微秒级同步。早期的网络时间协议（NTP）只有软件，而PTP协议同时使用硬件和软件，从而获得更精确的定时同步。PTP针对相对本地化、网络化的系统，子网或内部组件相对稳定的环境，特别适合于分布式系统在工业自动化方面的应用。

同步的概念

在现代通信网络中，大多数电信业务的正常运行要求全网设备之间的频率或时间差异保持在合理的误差水平内，即网络时钟同步。网络时钟同步包括相位同步和频率同步两个概念。

相位同步

相位同步（Phase synchronization），也称为时间同步，是指信号之间的频率和相位都保持一致，即信号之间相位差恒定为零。

频率同步

频率同步（Frequency synchronization），是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系，信号在其相对应的有效瞬间以同一速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同的速率运行，即信号之间保持恒定相位差。

影响同步精度的因素

（1）网络对称性从图1看出，分布式系统为计算其网络延迟和时钟偏移所进行的4次测量都是建立在报文的传输延迟（Delay）在传输方向上是相同的基础上。但这只是理想的情况，在大网络负载的情况下，Delay在传输方向上的差异会越来越大。造成同步精度的下降。但由于工业上的分布式系统多为相对本地化、局域网的系统，子网或内部组件相对稳定的环境，因此可忽略Delay在传输方向上的差异。

（2）网络拓扑结构系统测量时，点对点的传输能提供**的精度，网络的拓扑结构也会对同步精度造成影响，当采用Hub连接时，网络延迟抖动为300～400ns，当采用交换机时，由于存储-转发机制的影响，网络延迟会随着网络负载的变化而变化，因此具有较大的抖动值，使得上述网络传输延迟测量方法精度大大降低。为此，PTP采用边界时钟（Bounday Clock）的方法解决这一问题，如图2所示。在交换机内部与主时钟连接的端口可以看成从时钟端口，在接收主时钟发送的同步报文后调整自己的本地时钟，然后用调整后的时钟去同步所有与交换机主时钟连接的从时钟设备，这样带有拓扑结构的连接就变成简单的点对点连接，从而有效去除交换机所造成的延迟抖动。

（3）晶振的频率由于产生时钟的不同晶体本身的速度是不同的，而且晶体容易受温度等影响，产生晶振漂移，引起误差增大，因此需时从时钟的晶振频率进行补偿。使从时钟的晶振频率与主时钟保持一致。

时间戳的生成

基于以上方法，可有效消除主、从时钟偏差和报文在网络中的传输延迟，从而实现分布式系统的时钟同步。同步信息检测和时间戳生成方法不同，时钟同步精度也不一样，IEEE802.3中规定以太网帧的基本结构：前导码、帧起始定界符、目的MAC、源MAC、长度、数据和帧校验序列。其中，前导码由7个‘1 0’交替的8位字节组成，用于信号同步；而帧起始定界符包含6位交替的‘1 0’及末位的2个1，末位的2个1通知接收端，跟在后面的是帧的实际字段，表示一帧开始。在以太网中，IEEE 1588所定义的各种时钟报文（Sync报文等）均以UDP／IP多播包形式发送的，报文的时标生成点位于帧起始定界符*后一位，如图3所示。

IEEE 1588的同步原理决定了时钟同步的精度主要取决于时间戳的精度。时间戳的加盖有3种方法：

（1）硬件加盖方式  时间戳主要加盖在MAC层和PHY层之间的MII（media independent interface）层，这也是*精确的加盖方式，需用硬件电路实现。

（2）软件加盖方式  时间戳加盖在网络的驱动层，在网络接口的驱动程序中实现，精度略低。

（3）加盖在应用层  因为这种方式无需修改其他系统软件，所以协议栈的操作延迟和负载都能对同步精度造成影响，因此同步精度*低。无论在网络驱动层还是在MII产生的时间戳都必须返回到PTP应用层并经由系统内核处理，然后才发送到PTP终端，由此可以看出时间戳的生成决定了PTP协议的运行。只有获得精确的时间戳才能发挥IEEE 1588所能达到的时钟同步精度。

在以太网中，也可以在物理层放置硬件电路加盖时间戳，这样可以避免协议栈上部较大的时间抖动，消除报文传输中的网络延迟。由于主从时钟不同步的原因除了网络延迟外还有时钟偏差，可以采用频率可调时钟来校正从时钟相对主时钟的时钟偏差，根据从时钟处得出的自身与主时钟的偏差计算出相应的频率补偿值，从而控制时钟计数器的数值达到与主时钟的同步。硬件电路从物理层获得每个发送和接收报文的比特流，并记录时间戳信息，判断其是否为IEEE 1588相关协议报文，如果是相关报文，则把时间戳信息传送给上层软件，否则丢弃该报文的时间戳信息。对于100 M以太网，由于采用4B／SB编码和Scrambler技术，只能在物理层与数据链路层之间的MII层加盖时间戳信息。IEEE 1588时钟同步实现过程如图4所示。

基于FPGA的硬件同步方案因为采用硬件电路获取时间戳，从而获得更高的同步精度，这里采用FPGA实现时间戳的获取和从时钟相对主时钟的频率纠偏。分布式系统中节点时钟同步模块的内部结构如图5所示。

图5 同步模块内部构造

每个节点包含CPU、以太网媒体访问控制器（MAC）、以太网物理层收发器（PHY）、FPGA等4种主要器件。物理层收发器和MAC控制器通过标准的MII接口相连，CPU通过总线与MAC控制器和FPGA相连。物理层收发器、MAC控制器和CPU构成通讯协议栈完成数据包的发送和接收。

以太网自身的CSMMCD机制、上一层通信（如TCP及UDP）上进行的误差检测及翻译障碍等，都占用以太网的时间。因此，用软件方式产生时间戳，必须优化加盖时间戳的驱动程序以提高系统内核处理带有时间戳报文的运算效率，同时优化报文发送前在网卡内部的排序，减小程序运行和网络负载对收发报文的影响，从而降低报文发送过程中的软件延迟和抖动。

为了使从时钟的晶振频率与主时钟保持一致，FPGA中需要有一个频率可调的时钟以实现晶振纠偏，如图6所示，由r位频率补偿值寄存器、g位分频累加器、p位系统时钟计数器组成，一个普通晶体振荡信号输入FPGA模块。在每个晶振周期，r位频率补偿值寄存器内保存的频率补偿值累加到q位分频累加器中，与累加器中的值相加。

如果发生溢出，则在下一个晶振周期，时钟计数器增加一个增量，这个增量就是整个频率补偿时钟的分辨率；如果没有溢出，则在下一个晶振周期，时钟计数器保持原值。计数器的当前值即为调整后的本地时钟。因此可以通过改变频率补偿值来改变时钟计数器数值增加的频率，实现对晶振频率的补偿。q和r越大，频率补偿值的改变对累加器发生溢出的频率的影响越小，对晶振频率的补偿越精细。本系统选择r=32，q=32，p=64。

使用FPGA不但能够获得*精确的时间戳，而且能够采用数字电路的方法精确补偿从时钟的晶振频率。FPGA的控制器实现时钟调节算法，并由得到的时间戳和本地时钟相比较，得到频率补偿值，从而控制时钟计数器数值，补偿晶振的频率。而CPU则主要负责驱动MAC控制器完成相关的通讯功能。

推荐公司

西安同步电子科技有限公司是由从事时频行业数十年的多位老师傅带队，几十名年轻优秀，锐意进取的工程师相辅助，组成了一支专业、优秀、锐意进取、高水平的设计开发团队。是一家集研发、生产、销售、服务为一体的综合性高科技公司。一直专注于时间频率产品的研发、生产和销售，为顾客提供端到端一站式专业化时频同步系统解决方案。

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PTP精密授时装置是一种主从同步系统，采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。

PTP精密主时钟

SYN2401型PTP精密主时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款支持IEEE1588-2008，PTP V2的主时钟（Grandmaster Clock），使用GPS作为时钟参考源，拥有纳秒级的时间传输精度，支持数千台PTP从时钟。同时自身也可以作为从时钟，输出IRIG-B，1PPS,10MHZ,串口等多种时间信号，为用户提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

产品特点：

l 以GPS定时信号建立时间参考；

l 支持标准的PTP V2,IEEE1588-2008等网络对时协议；

l 串口授时，秒发送一次时、分、秒、年、月、日北京时间信息；

l 提供1路PTP授时网口,支持1 step 或 2 steps ；

l 提供1路IRIG-B(DC)码；

l 输出定时同步信号（1PPS），TTL接口输出；

l LCD钟面（年月日、时分秒）显示；

l 性价比高，应用广泛；

l 授时精度高；

l 整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定；

l 可运行为主时钟源或从时钟源；

l 支持端到端(end to end)或点对点(peer to peer)模式；

l 支持Pre-Master模式，主时钟热备份，热切换功能。

技术参数：

PTP精密从时钟

SYN2403型PTP精密从时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款支持IEEE1588-2008，PTP V2的从时钟，通过主时钟获得标准时间，拥有纳秒级的时间传输精度。输出IRIG-B，1PPS,10MHZ,串口等多种时间信号，为用户提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

产品特点：

l  通过主时钟获得标准时间或者以GPS定时信号建立时间参考；

l  支持标准的PTPV2,IEEE1588-2008,NTP,SNTP,IP,TCP,UDP,Telent,DHCP,Syslog等网络对时协议；

l  串口授时，秒发送一次时、分、秒、年、月、日北京时间信息；

l  提供1路IRIG-B(DC)码和1路RS485时间信息；

l  输出定时同步信号（1PPS），TTL接口输出；

l  LCD钟面（年月日、时分秒）显示；

l  性价比高，应用广泛；

l  授时精度高；

l  整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定；

l  可运行为主时钟源或从时钟源；

l  支持端到端(end toend)或点对点(peer to peer)模式；

l  支持Pre-Master模式，主时钟热备份，热切换功能。

技术参数：

IEEE 1588精确时钟同步协议的制定满足网络化分布式系统的需求，利用IEEE1588时钟同步技术可以在不增加网络负荷的情况下，实现整个分布式系统的高精度时钟同步，从而可以有效解决分布式系统的实时性问题，进而改善和提高系统的同步精度。本公司生产的PTP精密授时装置可应用在工业自动化系统，航天航空系统；2.5G/3G/4G基站数字化变电站，CMMB基站； 数字电视数字广播，电信机房等。采用IEEE 1588精确时钟同步协议的以太网时钟同步技术，解决了通用以太网实时性和同步性差的问题。为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效的解决方案。