基于PTP协议的分布式数据采集系统可行性分析*

顾小萍　谭跃刚　吴浩然

(1.湖北轻工职业技术学院机电工程系　武汉　430070)(2.武汉理工大学　武汉　430070)(3.海军工程大学　武汉　430033)

基于PTP协议的分布式数据采集系统可行性分析*

顾小萍1谭跃刚2吴浩然3

(1.湖北轻工职业技术学院机电工程系武汉430070)(2.武汉理工大学武汉430070)(3.海军工程大学武汉430033)

摘要论文首先介绍了PTP协议的开发背景，接着对协议中涉及的时间同步原理、同步时钟和最佳主时钟算法进行了详述。然后就其它传统同步技术，分析了PTP协议的优势，指出PTP协议综合了软硬件同步方法的优点，可以在不需要太多资源的前提下，就能够获得量级在亚微秒级的时钟同步精度。最后，得出研究基于PTP协议的分布式数据采集系统是可行的结论。

关键词PTP协议; 分布式数据采集; 时钟同步

Class NumberTP274

1引言

时钟同步是分布式数据采集系统正常工作的核心技术之一目前，针对分布式系统的实现以及所要求的时钟精度，存在着不同的协议标准如：NTP、SNTP、IEEE1588 标准的 PTP 协议[1～3](除特别说明外，本文中IEEE1588 协议等价于PTP 协议)。传统的时间同步协议(这里特指软件同步方法NTP、SNTP)由于受其实现机理的限制，同步精度一般较低(NTP在广域网中的精度一般为几十毫秒，局域网中一般为亚毫秒，而SNTP为NTP的简化版本，只能达到毫秒级的同步精度)。另一方面，利用硬件时钟同步的方法，虽然可以获得很高的精确度(一般为 10-9s～10-6s)，但需引入专用的硬件时钟同步设备，这使得时钟同步的代价较高，应用范围小且操作不便。IEEE 1588协议综合了软硬件同步方法的优点，在不需要太多的资源的前提下，就可以获得适用于高端设备以及低端廉价设备都能够访问的，量级在亚微秒的时钟同步精度。

2IEEE1588协议概述

IEEE1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议[4～6]——精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)。PTP集成了网络通讯、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分布式系统，特别适合于以太网，但不局限于以太网。PTP协议能够使异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，占用最少的网络和局部计算资源，在最好情况下能达到系统级的亚微秒级的同步精度。

2.1同步原理

在通讯过程中，PTP通过主从设备间传递消息，计算时间偏差来达到主从同步。主时钟周期性地组播包含时间戳的消息，需要同步的从时钟向主时钟发送消息，从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的时间，计算出与主时钟的偏差和线路延迟。这种同步消息传递的机制被称为延时请求响应机制。

2.2PTP时钟状态机

PTP时钟状态转换如图1所示。

图1　状态机

当一个时钟上线，它在系统指定的时间内监听来自主时钟的Sync消息；

1)如果收到Sync消息，则根据最佳主时钟算法，确定状态；

2)如果这段时间内没有收到Sync消息，该时钟则假定自己为主时钟，此时的状态为Pre_ Master，时钟的端口表现为主时钟的状态，但是不发送Sync消息；(1)这个Pre_ Master状态会保持一定的时间；(2)如果在指定的时间内仍没有收到其它时钟的Sync消息，则该时钟状态为主状态Master，并且发送Sync消息。

2.3PTP时钟类型

PTP时钟[7～8]主要包括：普通时钟、边界时钟、透传时钟和混合类型时钟。

2.4最佳主时钟算法

在IEEEl588协议中，最佳主时钟算法[9]BMC(Best Master Clock algorithm)是最核心也是最关键的技术之一，它直接关系到系统时钟源的选择。BMC由数据集比较算法和状态决策算法两个部分组成。其中，数据集比较算法比较两组数据的优劣，可能一组是代表本地时钟的缺省特性的数据，一组代表从某端口接收的同步报文所包含的信息。这个比较算法一方面要对各种数据组进行比较，另一方面还要根据数据组比较结果计算每个端口的推荐状态(主站、从站、待机、未校正、只听、禁止、初始化、故障状态)。

状态决策算法是在数据集比较算法的基础上来决定本地时钟端口的状态．因此状态决策算法实际上是通过多次运行数据集比较算法，算法的流程如图2所示。

图2　状态决策算法流程

在算法的开始。首先判断本地时钟的默认数据集D0的超主时钟级别，如果D0的超主时钟是1级或2级时钟。则用数据集比较算法比较D0和时钟端口接收到的同步报文中的最好值Erbest，如果Erbest性能优于D0，则本地时钟为被动状态，并将更新状态码设为P1，若D0优于Erbest，则本地时钟为主时钟。同时将更新状态码设为M1。如果D0的超主时钟不是1级、2级时钟，则用数据集比较算法比较数据集D0和时钟的所有端口收到的同步报文中的最佳者Ebest，若D0优于Ebest，则设本地时钟为主时钟，同时将更新状态码设为M2。若同步报文Ebest性能优于D0，则再用数据集比较算法比较Erbest与Ebest，若两者相同，则设本地时钟为从时钟。并将更新状态码设为S1。

时钟端口在通过运行状态决策算法后，会得出本地时钟端口的状态，同时也会得到一个更新状态码。根据更新状态码，时钟的数据集管理系统会对时钟的当前数据集、父数据集和全球时间数据集进行修正。修正的信息来源会根据不同的更新状态码而有所不同。更新状态码为M1、M2，系统将根据本地时钟默认数据集的相关参数对当前数据集、父数据集和端口数据集进行更新，如果更新状态码是P1、P2，则更新数据源是时钟端口接收到的同步报文中的最好值Erbest，若更新状态码是M3，则更新数据源是时钟的所有端口收到的同步报文中的最佳者Ebest。

3相对于传统时间同步算法的优势

3.1时间戳获取位置优势

在一个完整的信息封装、发送、接收、解析过程中，报文从发送端协议栈中的发送时间戳[10]获取点到接收端协议栈中的接收时间戳获取点所经过的网络传输延迟的不确定性，主要来自于发送端和接收端的本地协议栈以及交换设备中的协议栈。这是由于协议栈的大部分都由软件实现，这些运算处理的实际过程会受到CPU中断和操作系统调度的影响，所以这些运算处理从开始到完成所经过时间是不确定的，几乎每次都不同。

如图3所示，传统的时间同步协议如NTP协议的时间戳处理在C点，A-C的不确定性延时会导致NTP的误差达到几十毫秒，严重影响时间同步的精度；若要降低网络传输延迟的不确定性，需要尽可能地将时间戳获取点向协议栈的底层移动，时间戳的获取点越靠近传输介质，获取的发送和接收时间戳的精度越高，而IEEE1588的时间处理在A点，这极大地提高了系统时间同步精度。

图3　硬件打时间戳

3.2中间网络设备延时获取优势

当系统中存在路由器或交换机这样的中间转换设备时，由于需要进行路由选择，将会带来时间延迟问题。针对此种情况，传统时间同步协议基本上是没有考虑这些设备带来的时延问题。与传统时间同步协议不同，IEEE1588V2新增的透传时钟模式，可以计算出中间网络设备引入的驻留时间，从而实现主从时钟间精确的时钟同步。

3.3时间同步精度优势

网络时间协议(NTP)已是以太网时间同步的传统方式，它允许时间同步达到100ms。从图4可以看出，采用PTP可以实现更严格的控制。其中单纯采用软件PTP(典型特征为软件时间戳)精度为微秒级，而采用硬件辅助的PTP 方案(典型特征为硬件时间戳)可以实现纳秒级的时间同步性能。采用NTP、软件IEEE1588以及硬件辅助方式的IEEE1588所能够获得的时间同步精度如图4所示。

3.4其他性能对比情况

表1列出了TOP、以太网物理层同步、NTP以及IEEE1588四种同步技术关于各自技术特点、优势以及局限性方面的对比情况。

由表1可见，只有IEEE1588协议能够获得低于亚微秒级的时间同步精度。

图4　时钟同步实现方案的选择

同步技术技术特点优势局限TOP 将本地时钟信息根据一定的封装放入数据包中发送,在接收端从包中恢复时钟,通过算法和封装格式尽量规避PSN传递过程中的损伤1.支持PSN网络透传,不要求中间设备支持TOP,运用灵活;2.厂商芯片支持较好,实现技术比较成熟。1.恢复时间质量依赖于承载的PSN网络,受网络延迟抖动、丢包、错序的影响非常大,需要保证业务高QoS;2.没有标准化协议,不同设备间兼容性差;3.不支持时间同步。以太网物理层同步 利用以太网物理层同步技术,最后达到包网络的全面同步1.时钟同步质量SDH;2.不受PSN网络影响。1.需要全网部署;2.不是所有的以太接口都可以恢复时钟;3.不支持时间同步。NTP NTP(网络时间协议),时间定时方式类似于1588,广泛用于Internet网络定时1.可以同时实现频率与时间同步。1.同步精度为毫秒级,不能满足测控网络的要求。IEEE1588v2 PTP(精确时钟同步协议),利用协议报文传递同步信息,可应用于电信.测量和工业控制领域的同步1.可以实现时间同步;2.时钟精度为亚微秒级,用于范围广;3.协议自动协商,无需配置。1.要求全网设备支持,必须全网部署;2.新技术,要求硬件支持,协议较复杂,部署成本较高。

4结论

在当今经济技术高度发展，系统规模空前巨大，分散控制和网络化的时代，分散时钟的同步越加重要。IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议。1588协议是建立在网络基础上的，但它并不需要为时钟传递建立特别的网络，实现1588协议只需在原有网络上添加时间同步报文，这些报文只占用少量网络资源，它们只是和控制数据包或其他信息包共享网络。从目前的原型实验和应用来看，IEEE1588精确时间协议可以达到亚微秒级的同步精度，并且有可能达到更高的精度。目前许多芯片制造商已开发出PTP 协议栈软件开发包，这减少了技术人员在理解PTP 协议深层次内容的投入精力，缩短了开发时间，提高了研发效率。因此，基于PTP协议的分布式数据采集系统是可行的。

参 考 文 献

[1] ieee1588[EB/OL].http://www.ieee1588.com.

[2] IEEE Std 1588-2002.IEEE Standard for a precision ClockSynchronization Protocol for Networked Measurement andControl Systems[S].

[3] IEEE Std 1588-2008.IEEE Standard for a precision ClockSynchronization Protocol for Networked Measurement andControl Systems[S].

[4] IEEE Instrumentation and Measurement Society.IEEE Standard for a Precison Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.NewYork,USA.IEEE,2002.

[5] 陈姝,胡冰新,刘景夏,等.IEEE 1588精确时间同步协议浅析[J].微计算机信息,2012,28(2):126-128.

[6] 黄云水, 冯玉光.IEEE1588精密时钟同步分析[J].国外电子测量技术,2005,24(9)：9-12.

[7] 舒邦久,姚沛,刘兴文.IEEE 1588的时钟设备模型研究[J].电子技术,2009,12:42-44.

[8] 陈金凤,华宇,孙中尉.IEEE1588v2透明时钟研究与实现[J].宇航计测技术,2013,33(3)11-16.

[9] 戴宝峰,崔少辉,常健.IEEE1588最佳主时钟算法的分析与实现[J].仪表技术,2008(2):29-34.

[10] Hans Weibel.IEEE1588 Implement ation and Performance of Time Stamping Techniques[C]//Gaithersbarg: Procedings of NIST Conference on IEEE 1588，2004.

Feasibility Analysis of Distributed Acquisition System Based on PTP

GU Xiaoping1TAN Yuegang2WU Haoran3

((1.Department of Electro-machinery Engineering, Hubei Light Industry Technology Institute,Wuhan430070)(2.Wuhan University of Technology, Wuhan430070)(3.Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

AbstractThe paper firstly introduces the background of the precision time protocol (PTP). Then, it specifies the principles of time synchronization, clock types and best master clock algorithm (BMC) associated with the PTP. Compared with the conventional time synchronization methods based on the software and hardware, this report analyzes the advantages of the PTP. By using the PTP, it can easily obtain the time synchronization accuracy order of sub-microsecond without too much resource.Finally, a conclusion can be drawn that the study on the distributed acquisition system based on the PTP is feasible.

Key Wordsprecision time protocol, distributed acquisition system, time synchronization

*收稿日期：2015年12月13日,修回日期：2016年1月27日

作者简介：顾小萍,女,硕士研究生,研究方向：传感器。谭跃刚,男,教授,研究方向：机械自动化。吴浩然,男,博士研究生,研究方向：水声信号处理。

中图分类号TP274

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.024