基于PTP授时的同步精度测试方法研究

王峥浩（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京，100041）



基于PTP授时的同步精度测试方法研究

王峥浩
（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京，100041）

随着现代武器打击精度的提高，指控系统对时间同步的要求也随之提高，这就对系统授时方案中的网络架构、主时钟以及授时板卡的时间同步精度提出了新的要求。本文主要针对PTP授时方案中的对时精度给出测试方案。测试结果表明，PTP授时模式可满足系统对时间同步精度的需求。

北斗对时；守时精度；同步精度；授时板卡

0　前言

时间同步精度关系到一个国家地区经济的稳定运行和国防安全，因此探索研究高精度的时间同步手段得到了世界各国的重视。随着现代武器打击精度的提高，军方的指挥系统对时间同步的精度要求也越来越高。PTP时钟同步方案能为整个系统提供亚微秒级的同步精度，从而保证命令下达的实时性，保证各级指挥控制网络系统在统一的时间尺度下工作。因此，对时精度对于指挥控制系统的运行至关重要。

IEEE1588v2（简称PTP），即精确时钟同步协议，是一个允许通信网络中的多个节点通过时钟报文的传播，从而达到与连在同一个网络中的主时钟同步的协议。它通过提升网络系统的定时同步能力，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步。其基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟和主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的应用，使整个网络的定时同步指标得到显著的改善。

PTP作为新一代的精确时钟同步协议，相比于NTP，具有高精度，支持多种时钟同步网络拓扑，自持对网络变动的自适应等优势，目前已成为主流授时方案。

1　测试系统搭建

以往的研究更多的是关注卫星的授时精度，本文主要研究从北斗天线到服务器系统的时间精度。本文按照某指控系统的需求，搭建了简易的系统对时模型，并设计了相关测试方案，对主时钟的守时精度、板卡的同步性能以及对服务器的授时精度进行了测试，测试结果表明基于PTP的授时模式可满足指控系统对时精度的要求。

系统对时方案主要由蘑菇头卫星天线、KW-2200主时钟、网络交换机、KW-800授时板卡以及若干服务器组成，授时卡安装于服务器或计算机的PCI插槽中。

天线接收北斗卫星信号后，发送到时间服务器，时间服务器解算出时间信息，通过交换机将IEEE1588协议时统信号再发送到授时卡给相关设备授时，从而实现系统各用时设备与外部时间的统一。按照图1所示搭建主从同步环境，使用测试PC机分别登陆KW-2200与KW-800的web管理界面，进行各项功能配置，验证各基本功能。

图1　基本功能验收环境

2　测试方案

2.1主时钟守时性能验收

根据指控系统需求，主时钟的守时性能应优于1ms/d。

将两台主时钟与卫星同步锁定8h以上后，然后断开其中一台的卫星连接（拔除卫星天线或收回外置蘑菇头，通过指示灯及web界面确定主时钟与卫星失锁）。断开24h后，通过示波器对失锁主时钟的秒脉冲信号以及另外一台正被卫星驯服的主时钟的秒脉冲信号进行比较，测试值小于1ms即认为合格。

通过实际运行测试，24h后2台主时钟的脉冲间隔相差320ns，满足守时精度需求。

图2　守时精度测试拓扑图

2.2板卡同步性能验收

主时钟使用北斗时间源，主从均使用UDP模式，主从发包频率均设为每秒8次，在配置完成情况下，使用示波器观测主从之间秒脉冲偏差。

测试项目分同步精度和收敛时间两项。同步精度合格判据为主从之间秒脉冲偏差稳定后，在一小时内，主从秒脉冲偏差不超过1μs；收敛时间合格判据为主从时钟自开始同步至同步精度达到1μs内的收敛时间应在10分钟以内。

图3　板卡同步性能测试拓扑图

实测值显示，主从秒脉冲偏差不超过200ns，且达到该对时精度用时约2min，满足上述指标要求。

2.3服务器同步性能验收

2.3.1测试步骤

系统指标要求整个系统对时精度要求不大于10μs。

根据上述测试可知：时间服务器（主时钟）与卫星信号UTC时间偏差约为50-100ns，主时钟经过多级交换机到时间同步板卡的精度约为200ns，因此要测试北斗天线到服务器系统时间的差值，只需要测试时间同步板卡到系统时间的对时精度即可，测试流如下图所示。

图4　 各阶段延时示意图

依据上述测试思路，在服务器的PCI-E插槽安装高精度时间同步板卡，主机的操作系统运行驱动程序及授时板卡系统软件，实现操作系统时间与板卡时间的同步稳定（约需要1min左右）。待同步稳定后，驱动程序操作系统函数分别抓取系统时间与板卡时间，计算时间偏差范围，完成测试。本次测试选用的服务器为联想Thinkstation D30以及曙光天阔服务器 I840r-GP。

具体测试步骤：

Step1：驱动程序通过Getnstimeofday函数取得系统时间，时间值精确至ns，得到系统时间值T1_a；

Step2：驱动程序直接读取板卡寄存器，获得板卡当前时间，时间值精确至ns，得到板卡时间值T1_b；

Step3：驱动程序通过将T1_a与T1_b相减，得到当前操作系统时间与板卡时间的偏差OFFSET_t1，即OFFSET_t1=T1_a -T1_b，通过IOCTL函数返回给用户层；

Step4：用户层接收OFFSET_t1，进行打印显示并存储。

说明：由于计算机自身运行机理，运行Getnstimeofday函数与读取板卡寄存器时间两条计算机指令是按顺序执行，导致Step1与Step2间存在约50ns的固有时延而无法排除，因此在测试结果上需考虑50ns的固有测量误差。

2.3.2数据分析

服务器在对时频率为1Hz、20Hz、100Hz同步周期下的对时精度数据见表1所示，选取稳定后的20组数，为使数据更加直观显示，绘制了相关曲线，数据曲线如图5-图7所示。

表1　不同对时频率下的offset_time统计

图5　1Hz对时频率下的数据曲线

图6　20Hz 对时频率下的数据曲线

图7　100Hz对时频率下的数据曲线

通过以上数据及曲线可直观地看到：同步频率设定为1Hz，即1s同步一次，同步精度保持在4μs以内；同步频率设定到100Hz，同步精度在200ns以内，可以满足系统指标要求。

同步频率越高，同步精度就越小，这是因为算法通过计算当前的同步精度偏差，进一步调整操作系统时间，实现操作系统时间与板卡时间的同步。在高频率下，反复监测系统时间与板卡时间之间的偏差，执行同步算法，可以更快更细致的获取时间偏差情况，并以此为依据来调整操作系统时间。

不同服务器的同步精度有一定差异。一般情况下，当计算机本身时间频率稳定性较好时，采用较低的同步频率，即可得到期望的同步精度，提高同步频率对精度影响效果并不十分显著。而当服务器本身时间频率性不佳情况下，就会出现当同步频率较低时同步精度很差，无法达到预期要求的情况。此时，提高同步频率，会对同步精度有较明显的提高。试验中选取了两台不同型号的服务器平台，对联想D30和曙光天阔I840进行对比测试，测试数据如下：

表2　不同对时频率下的同步精度对比

因此为避免不同服务器的差异性，建议设置同步频率为100Hz，即每10ms进行一次时间同步运算，以保证同步精度，同时，服务器高强度的运算对CPU占用率影响应小于万分之五（0.05%）

3　授时精度的分析

通过搭建以上模型，测试了从卫星到服务器系统时间之间的授时精度。对各阶段的系统时延分析总结如下：

a） 从北斗天线到主时钟的时间精度很高，在100ns以内；

b） 主时钟到服务器授时板卡之间的时延除了与网络架构（以多级交换机）有关外，还与主时钟及授时板卡的性能有一定关系，同时网线的传输性能也是需要考虑的因素，但此部分的试验约在500ns以内，对整个系统精度影响较小；

c） 授时板卡到服务器系统时间是整个对时网络中时延较大的部分，此部分的对时精度不仅受主从时钟对时频率的影响，与服务器的性能也有很大的关系，试验中选取了联想和曙光两种不同型号的服务器，发现两者的试验差异较大，初步分析是由于授时板卡与服务器自身的独立磁盘冗余阵列均安装在服务器的PCI-E插槽中，其工作机制所造成的差异。

4　结论

本文的测试方案证明基于PTP授时的时间同步精度可以满足当前高时间精度的需求，但在具体实践中发现，由于受到诸多因素的影响，时间同步精度在不同的服务器平台上有一定的差异，这就需要根据系统的具体需求采取诸如提高对时频率，选用更合适的网络架构等多种措施解决同步精度问题。

时间是基本物理量，影响着国家高精尖领域的向前推进，以及国防建设的各个方面，因此值得我们继续深入研究。

［1］ 马煦，瞿稳科，韩玉宏，王贤良.卫星导航系统授时精度分析及评估［J］.电视技术，2007，47（2）：112-115.

［2］ 谭述森.卫星导航定位工程［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［3］ 韩琳，范旭娟，潘登.几种IEEE1588对时方法的分析与比较［J］.测控技术，2013，32（2）：74-76.

［4］ 孙中尉，华宇，黄长江等.基于IEEE1588的高精度时钟同步技术研究［C］.第十九届测控、计量、仪器仪表学术年会论文集.2009.

Research on synchronization precision test method based on PTP timing

Wang Zhenghao
（Electronic Science Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation，Beijing，100041）

With the improvement of the accuracy of modern weapons to attack，command and control system of the time synchronization requirements are also increased，which timing system scheme of network architecture，the master clock and timing board time synchronization accuracy of proposed new requirements. In this paper， PTP time synchronization in the time synchronization accuracy test scheme is given.The test results show that the PTP timing mode can meet the system requirements for time synchronization accuracy.

Beidou System；Punctuality accuracy；synchronization precision；timing board

王峥浩（1987-），男，硕士研究生，2013年毕业于北京航空航天大学，现主要从事系统集成工作。