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基于IEEE 1588的時(shí)鐘同步技術(shù)在分布式系統中的應用
作者：
時(shí)間：2010-08-11
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 引言
以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為分布式系統在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用創(chuàng )造了條件。以太網(wǎng)具有成本低、可靠性高、傳輸速度快、通用性強、開(kāi)放性好、發(fā)展潛力大等優(yōu)點(diǎn)。但以太網(wǎng)也存在網(wǎng)絡(luò )的確定性、實(shí)時(shí)性不強等缺陷。隨著(zhù)系統日益龐大復雜，分布化程度越來(lái)越高，對時(shí)鐘同步的要求也逐步提高，雖然隨著(zhù)帶寬的不斷提高以及采用星形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構等減少沖突可能的技術(shù)的應用，以太網(wǎng)的確定性、實(shí)時(shí)性有一定程度的提高，但由于以太網(wǎng)自身沖突檢測的載波幀聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA／CD)機制，設備層和I／O層的數據采集與傳輸問(wèn)題，以及TCP及UDP上的誤差檢測及翻譯障礙等，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題并未得到根本解決。仍不能滿(mǎn)足精確定時(shí)的要求。
網(wǎng)絡(luò )測量和控制系統的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標準IEEE1588適用于以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)和PROFIBUS等。IEEE 1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò )內所有從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步，該標準定義一種精確時(shí)間協(xié)議PTP(Precision rime Protocol)，用于對標準以太網(wǎng)或其他采用多播技術(shù)的分布式總線(xiàn)系統中的傳感器、執行器以及其他終端設備中的時(shí)鐘進(jìn)行微秒級同步。早期的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(NTP)只有軟件，而PTP協(xié)議同時(shí)使用硬件和軟件，從而獲得更精確的定時(shí)同步。PTP針對相對本地化、網(wǎng)絡(luò )化的系統，子網(wǎng)或內部組件相對穩定的環(huán)境，特別適合于分布式系統在工業(yè)自動(dòng)化方面的應用。
2 時(shí)鐘同步原理
理論上，為每個(gè)系統節點(diǎn)配備GPS模塊可得到精確的時(shí)間，這樣系統中所有節點(diǎn)的時(shí)鐘就和標準時(shí)間一致。從而達到同步；但分布式系統中節點(diǎn)數量大，GPS設備成本高、能耗大，且結構復雜，抗屏蔽性差，且出于安全性考慮排除大規模使用GPS的時(shí)鐘同步方式。而基于以太網(wǎng)的IEEE 1588是通過(guò)在分布式系統各節點(diǎn)間交換時(shí)間報文的方法達到整個(gè)系統的時(shí)間同步。IEEE 1588通過(guò)交換報文來(lái)確定主時(shí)鐘(Master)和從時(shí)鐘(Slave)之間的時(shí)間偏移及報文傳輸的網(wǎng)絡(luò )延遲。圖1為IEEE 1588原理圖。
由圖1可知，主時(shí)鐘的節點(diǎn)按照定義的間隔時(shí)間(缺省是2 s)周期性地向網(wǎng)絡(luò )上所有從時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送“同步報文”(Sync)，同時(shí)主時(shí)鐘節點(diǎn)記錄同步報文實(shí)際發(fā)送的時(shí)間戳，并在隨后的“跟進(jìn)報文”(Follow-up)中傳送該精確時(shí)間戳TM1。這樣，對傳遞和接收的測量與標準時(shí)間戳的傳播可以分開(kāi)。網(wǎng)絡(luò )上所有其他從時(shí)鐘節點(diǎn)收到上述報文后，記錄同步報文的接收時(shí)間戳TS1，TS1和TM1的偏差中不但包含主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差，還包含未知的報文傳輸延遲，分布式系統中每個(gè)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中所處位置、布線(xiàn)方式、布線(xiàn)長(cháng)度以及目前網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中的固有問(wèn)題，也將造成測控數據在傳輸過(guò)程中的不同延遲。因此需要進(jìn)一步測量并消除該傳輸延遲。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進(jìn)行的，從時(shí)鐘節點(diǎn)按照定義的間隔時(shí)間(缺省值是4～60 s之間的隨機值)向主時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“延遲請求”(Dclay Request)報文，同時(shí)記錄該報文的實(shí)際發(fā)送時(shí)間，作為精確的發(fā)送時(shí)間戳TS2，而主時(shí)鐘接收到該報文時(shí)也記下接收時(shí)刻的精確時(shí)間戳TM2，并將該時(shí)間戳在隨后的“延遲響應”(Delay Response)報文中發(fā)送給相應的從時(shí)鐘節點(diǎn)。假設網(wǎng)絡(luò )延遲是對稱(chēng)的，則有以下兩式：
式中，τ為報文的傳輸延遲，△為從時(shí)鐘相對主時(shí)鐘的偏差。
由式(1)和式(2)可求得：
根據偏差△，調整從時(shí)鐘，實(shí)現對時(shí)。
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