IEEE 1588协议分析及在网络化机载测试系统的应用

陈新华　支高飞　谷士鹏

（中国飞行试验研究院测试所，陕西西安 710089）

IEEE 1588协议分析及在网络化机载测试系统的应用

陈新华支高飞谷士鹏

（中国飞行试验研究院测试所，陕西西安 710089）

本文主要讲述发展基于1588同步协议的网络化机载测试系统需求原因，并重点针对1588同步协议进行了分析，尤其是第2版本中新提出的透明时钟模型以及透明时钟的延时处理机制。在此基础之上，针对在机载测试中可能影响同步精度的因素进行了逐一的分析，并提出了处理的方法。这些因素的考量以及处理的方案对于测试方案实施与设备的研制与定制具有一定的参考意义。

IEEE 1588 网络化机载测试 时钟同步性

1　前言

目前全球定位系统（global positioning system，GPS）同步设备通过硬接线利用1PPS脉冲信号进行对时，具有精度高，没有累积时间误差的特点，能够达到IEC61850 T5的时间精度，而且其相关技术已很成熟。但随着数字化的进一步发展，站内二次硬接线将逐渐被串行通信线所取代，为此IEC61850标准引入了简单网络时间协议（simple network time protocol，SNTP）作为网络对时协议。在一定的网络结构下，NTP对时精度在大多数情况下可达T1等级（1ms）且应用较成熟，但是实现T3等级精度（25μs）很困难。

2002年，发布的IEEE 1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（precision time protocol，PTP），其网络对时精度可达亚μs级。IEEE 1588协议引起了自动化、通信等工业领域研究者的重视。国外一些公司（如Altera、Rockwell等）相继开始了支持IEEE 1588协议的相关产品开发和IEEE1588工业应用的研究。2008年，经进一步完善的IEEE 1588标准第2版发布。

2　1588协议的优势与网络化机载测试系统的必要性

1588协议与传统的GPS授时系统相比，以串行总线的方式代替了站内二次硬线的联结，减少了GPS分路器和接收设备的成本投资；而与SNTP协议相比，虽然同样是采用串行总线来实现时钟同步，但是1588协议通过在MII层加入硬件时间戳的方式，使得网络的抖动和延时得到了很大的改善，时间精度能够达到T3的精度，远优于SNTP协议ms级的同步时间精度。

而且，随着机载测试系统的越来越复杂，采集的数据量越来越大，传统的PCM架构下的机载网络测试系统，已经无法满足庞大的测试系统需求。因为当编辑的PCM帧格式大于8M传输速率，人为编辑的PCM帧格式，基本上很难通过软件的编译和硬件的烧录。另外，传统的PCM架构下的KAM500采集系统，采用的是RS422/485电平特性，而RS422/485 电平在1Mbps 速率下最大传输距离100米，针对大飞机的测试也受到了一定的限制。因此，这些问题都提出了发展网络化机载测试系统的需要。

3　1588版本协议分析

IEEE 1588协议的核心思想是通过BMC算法获得最佳主时钟后，通过在同步报文上标记时间戳的方式，来实现整个系统上的主从时钟的同步。其工作原理如图1所示:

图中，T1为同步报文的时间，T2为从时钟端接收同步报文的时间，T3为从时钟端发送延迟请求报文的时间，T4为主时钟端收到延时请求的时间。主从时钟间的偏移量Toffset以及传输延时Tdelay计算公式为:

Toffset= ［（T2-T1）-（T4-T3）］/2

Tdelay=［（T2-T1）+（T4-T3）］/2

3.1BMC算法

BMC算法是在所有互联设备中选择一台最适合的设备充当主时钟。当某台设备加入1588网络时，它会广播其时钟数据并接收其他设备的时钟数据集，从而使得IEEE 1588网络上的所有设备都运行同一BMC算法，以确定最佳主时钟及自身未来的状态（主时钟或从时钟）。

BMC算法由数据集比较算法和状态决策算法组成。数据集比较算法依据系统上各个节点的时钟特性（时钟特性包括时钟属性、时钟等级、时钟类型、时钟方差），将所有互联设备的时钟进行比较，并将比较结果返回，为状态决策算法设置本地时钟的状态提供依据。状态决策算法负责在数据集比较算法的基础上决定本地时钟端口的状态，并对当前数据集、父数据集和全球时间数据集进行修正。即用数据集比较算法比较受到的同步报文是否优于本地时钟的默认数据集，如果比本地时钟数据集优，则将本地设为从时钟，否则则为主时钟，然后再根据数据集修正的结果，决定程序的流向，进而产生拓扑结构。

因此由于网络中的所有时钟端口均按相同的BMC算法进行本地时钟状态的设置，所以设备之间不需要进行任何的协商，便可选出网络中的最优时钟。IEEE 1588协议会依据BMC算法将一些竞争失败的节点端口定义为禁用状态、被动状态等，避免生成回路。

3.2IEEE 1588协议下标记时间戳的方式

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）硬件标记方式:时间戳主要加盖在MAC层和PHY层之间的MII（media independent interface）层，通过硬件电路实现，抖动最小，同步最精准。（2）软件标记方式: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）应用层标记方式:应用层标记无需修改其他系统软件，但是协议栈的操作延迟和负载情况都会对同步精度造成影响，同步精度最差。

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。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。

4　透明时钟与时延机制

4.1透明时钟与边界时钟的同步机制比较

IEEE 1588版本2在版本1的基础上，增加了透明时钟的模型。透明时钟计算PTP同步报文在网络交换设备中的延时时间，并且把此延时时间累加在 PTP 同步报文的校正域中。当同步报文到达从时钟，从时钟将校正域加入到时间的偏差计算中，有效的补偿掉同步报文在透明时钟上的延时，从而使得充当网络交换设备的透明时钟看起来和导线一样，避免了设备的内部延时与抖动， 提高了网络交换设备级联时的同步精度。

透明时钟计算PTP同步，但不运行PTP同步协议，只是转发PTP报文，并对报文中的转发延时进行修正。根据时延机制的不同，透明时钟（TC）又分为E2E TC和P2P TC两种（图2）。

4.2E2E和 P2P 延时测量机制

4.2.1Sync校正域规定的内容不同

E2E模式下，Sync校正域规定的内容是级联关系下，同步报文从发出到目的地之间，在各个网络交换设备中的驻留时间之和。P2P模式下，Sync校正域规定的内容是级联关系下，同步报文从发出到目的地之间，各个网络交换设备的驻留时间和传输延时之和。例如在图3中，E2E模式下的Sync校正域则为△S1；而P2P的Sync校正域则为△L1+△S1。

4.2.2延时测量机制的不同

首先，由于都是透明时钟，因此主钟发出的同步报文都是穿过数个网络交换设备到达从钟，从时钟接收到同步报文并计算偏差，调整自身时钟，从而与主钟保持同步。这个同步过程与采用哪种延时测量机制无关。

在E2E模式下，延时报文交互只发生在主时钟与每个从时钟之间，由主时钟发送延时请求报文（Delay_Req），从时钟回答延时相应报文（Delay_Resp）。由从时钟计算路径的总延时，而网络上的其它端口均不计算延时。

在P2P模式下，延时报文发生在每一个端口之间，每条链路上的两个端口都计算本链路的延时，如下图4所示。

4.2.3网络的局限性与重构能力的不同

由于E2E的延时报文发生在主时钟与每一个从时钟之间的，而在实际工程中主时钟的资源是有限的，因此E2E的网络子时钟数目具有一定的限制；而E2E的延时报文，由于发生在每条链路上得两个端口之间，主时钟只与直接链接的网络交互设备发生延时报文的交互，因此可扩展性更好。

在重构适应能力上，由于E2E的延时报文发生在主时钟与每一个从时钟之间，因此当图4中TC1到TC3与TC1到S链路断路时，需要启用之前的阻塞链路。而这一改变，会给整个网络带来一个较大的时钟抖动。而在P2P延时测量机制下，网络中每条链路的两个端口都计算并保存本链路延时。因此当延时路径变化时，每个链路并不需要重新计算链路延时，这样用于计算的路径延时不会突变，不会对从时钟的控制环造成扰动，因此从钟偏差计算是稳定的。［3］

因此，在网络重构时无缝计算路径延时和偏差是 P2P 延时测量机制的重要优点。

5　网络化测试系统的架构

由于机载测试系统日趋庞大，因此网络化机载测试系统是未来庞大数据量的机载测试系统的发展方向。网络化机载测试系统包含有时钟源、网络主控交换机、数据采集单元（DAU）、专用测试子系统、ENC/106模块、EBM/103网络监听模块、遥测子系统组成。其中，主控交换机接受时钟源发生或者解析的时间信息；DAU与专用测试子系统负责通用数据采集和特殊的信号采集，并打包成网络包的形式发给主控交换机；EBM模块负责从网络交换机获取上获取所需要的网络包，并将需要遥测的信息发送给ENC/106模块。ENC/106模块将从EBM/103模块接收到的网络包数据编辑成PCM数据流，发送给遥测子系统并由它进行遥测下传（图5）。

在机载测试网络系统中，测试设备之间的网络同步性是一切数据有效可靠的前提。而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，而以下的几点因素都将影响机载测试网络的时钟的同步性。

5.1时间戳（TSU）的时钟频率

由于IEEE 1588协议是通过周期标记时间戳并交换同步报文来实现时钟同步，因此主时钟标记时间戳的频率必须稳定，且满足机载测试同步的需要。例如TSU所用的时钟频率为80M时，时间戳只能12.5ns步进一次，精度也只能到达12.5ns，TSU记录时间戳会存在±12.5ns的理论误差。主时钟晶振的漂移问题，则可选用温漂小的晶振，并通过环路控制从时钟的运行速度，以使得主时钟与从时钟采用相同的时间尺度。

5.2时间戳（TSU）的标记方法

目前，机载网络测试系统的TSU标记方法大多通过硬件电路在MII层标记。但是，第三方的产品多种多样，如果第三方产品的TSU标记方法在网络驱动层或应用层标记，那么必然会带来时钟的误差与时延。因此，在设备研制与采购时需要制定统一的标准，方便后期的测试方案的实施。

5.3网络包的平衡性

不均匀的网络负载会造成不容忽视的同步误差。在飞行试验机载测试网络中这种现象非常普遍。数据总是从一个节点固定流向另一个节点，这造成PTP消息传输中形成不对称的时延，从而导致一个固定的时间偏差［5］。在机载测试中，为了减少这种不平衡性，可以通过事先测试出DAU与主交换机之间的1PPS脉冲之间的偏差，并进行相应的调整。

5.4网络时钟紊乱的处理机制

由于各个设备采用的处理机制不同，会使得在时钟紊乱的时刻，各自计算路径延时和偏差的不同。例如有的是边界时钟，有的是透明时钟，有的是采用E2E延时机制，有的则采用P2P延时机制。这些采用不同的时钟紊乱处理机制的设备间的对接将带来一定的误差值。

5.5时间戳（TSU）的标记时刻

IEEE1588v2建议以PTP报文帧头到达TSU的时刻为时间戳的触发时刻。在实际的工程方案中，由于各个TSU硬件结构不同，时间戳的触发时刻也不尽相同。有的在PTP报文帧头处打戳，有的在PTP报文帧尾处打戳。相同的实现方案的PTP端口对接不会出现时间同步精度的问题，但是不同实现方案的对接将带来固定误差值。这个误差值的大小由包长，打戳位置，接口速率等因素决定。

6 结语

IEEE1588是目前被重点考察的，以解决飞机大数据流测试系统时间同步问题的方法之一。深入研究与分析1588协议是理解网络化测试系统时钟同步和方案设计的基础。同时，大量关于飞行试验所使用的测试网络系统的时间不确定性、性能、组网等课题也都在继续研究之中。相信1588时间同步技术将会在现代网络化机载测试中发挥重要作用。

［1］黄云水，冯玉光.《IEEE 1588精密时钟同步分析》.国外电子测量技术，2005，24（9）.

［2］IEC 61588，precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］. 2004.

［3］崔全胜，魏勇，何永吉，史宏光.《PTP1588 协议的分析》.电力系统保护与控制，2011年第39卷第10期.

［4］魏丰，孙文杰.IEEE-1588协议时钟同步报文的精确时间标记方法研究.仪器仪表学报，2009.30.

［5］Hans Weibel and Dominic Bechaz.“IEEE 1588-Implementation and Performance of Time Stamping Techniques”，Processding of NIST Conference on IEEE 1588， 27-29 Sept，2004.

［6］刘巍，熊浩清，石光，赵勇.《IEEE 1588 时钟同步系统应用分析与现场测试》.电力自动化设备，2012年第32卷第2期.

［7］陈朝辉.《1588时间同步技术在现代通讯网中的实现与应用》.信息通讯，2010年008卷第5期.

［8］魏丰，孙文杰.《IEEE-1588协议同步报文的精确时间标记方法研究》.仪器仪表学报，2009年1月第30卷第1期.

［9］陈姝，胡冰新，刘景夏，王娜.《IEEE 1588精确时间同步协议浅析》.微计算机信息，2012年第28卷第2期.

This paper is mainly about the demandof thedevelopment ofairborne networktesting systembased on1588 synchronization protocol，and focus on analyzing of the 1588synchronizationprotocol，especiallythe transparent clock model mentioned in version 2andtransparent clockdelayprocessing mechanism. On this basis， according to thefactors that may affectsynchronization accuracyin airbornetestone by oneanalysis，and puts forward the treatmentmethod.Consider these factors as well as treatment programs for research and program implementation and custom test equipment has a certain reference value.

non fixed length data packet； RS422；KAM500