局域网高精确时间同步方法及其在实时测控系统中的应用

唐艺灵

摘要：PTP精确时间同步协议广泛应用于分布式网络系统中，本文针对实时测控网络系统中各种影响因素的特点，结合PTP协议时钟同步机制，提出了一种适用于网络环境下的高精准时钟同步方法，通过采用响应同步机制以及对测控数据进行处理，实现亚毫秒精度的时钟同步。

关键词：PTP协议；局域网；时钟同步；精确时间；测控系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0065-02

1 引言

PTP是IEEE-1588标准中定义的一种精密时钟同步协议，主要应用于基于局域网的处理控制系统，在分布式系统中得以广泛的应用。PTP协议通过硬件和软件的方法将网络客户机的内部时钟与主机的基准时钟实现同步[1]。应用硬件方法时，精度为ns级；软件方法的精度为ms级。在计算机网络中采用软件方法其精度要达到亚毫秒时，可能会受到诸多因素影响而导致系统时间无法可靠性同步[2]。就这些因素而言，主要包括交换机不平衡、接口卡缓冲时延数据包，同时还包括系统内部的相关影响因素；然而，这些因素即无法有效的控制，又难以准确预测，以致于时钟同步性较差。大型靶场的实时测控系统因内部设备终端数较多，很难用硬件方法实现PTP时钟同步，文章根据软硬件系统的特点以及PTP协议，利用纯软件方式对高精准时钟实现同步。为此，我们可以建立一个高精准时钟，按照同步机制同步处理测量结果，其时间同步精度到达了内亚毫秒，有效解决了各种不可预测因素对局域网时钟同步的影响。

2 PTP协议时钟同步原理分析

就PTP协议时钟同步而言，其中包含了基准时钟以及同步时钟；这里所讲的时间同步，实际上就是分别在发、接收双方对时间信息等进行打时戳，接收时根据戳对基准以及同步时钟偏差进而信息等进行计算，然后采取网络传输延时方式予以实现。PTP协议中定义了几种信息类型，其中包括同步、跟随以及延时校正申请和延时校正响应等类型。对于同步时钟与基准之间的差异而言，主要是由信息包以及时钟偏差的传输延迟形成的，时钟同步又包含了两个阶段，即偏移校正阶段、延时校正阶段。从流程上来看，如图1所示。

在A阶段（偏移校正），基准时钟于TM1处发出同步信息至同步时钟，而且同步信息中有时间戳，是关于数据预计时间的描述。由于同步信息中包含了预发时间，因此同步信息发出的真实时间被测量以后，随后通过跟随信息发出。同步时钟记录了同步信息的真实接收时间，记为TS1；通过TM1、TS1能够将同步时钟之于基准时钟的偏差（offset）计算出来，计算公式为：offset=TM1-TS1。实践中，可根据时间偏差对同步时钟进行校正，计算结果中因有传输延时而必须对其校正。在B阶段，同步时钟将延时校正申请信息发送至基准时钟，并且由同步时钟将准确时间（TS2）记录下来，同时基准时钟将接收到的准确时间（TM2）记录下来，经延时校正响应返回同步时钟。此时，同步时钟结合上述时间（两个）将网络延时计算出来，计算公式为delay=（TM2-TS2）/2，而且利用这一数值予以校正。

3 PTP协议下的高精准时钟同步策略

对于高精准数字时钟而言，其作为高精准时钟实现同步的前提和基础，实际应用之前需先建立高精准时钟。为了解决以上因素对时钟同步精度造成的影响，在PTP协议条件下将响应同步制度引入其中，采用直线拟合与过滤等方法，确保其精度达到亚毫秒级。

3.1 构造高精准数字时钟

对于计算机而言，中央处理器上配置了高精度时钟，以2GHz的中央处理器为例，其定时精度达到了0.5ns。同时，Windows系统还提供了可获得中央处理器震荡频率以及开机后定时器计数值的接口，并且在API接口基础上构造出精准度相对较高的逻辑时钟。以t0代表中央处理器中的定时器计算数值，用△t代表逻辑时间之于中央处理器的计数偏差；逻辑时间（t）利用公式t=t0+△t来计算，修改逻辑时间时可通过△t的修改来完成[3]。

3.2 響应同步机制

计算机关卡缓存效应下，如果增大两次传输时间间隔，则时钟同步必然会受网络影响，必然网络系统稳定性差、操作进程调度等因素的影响。响应同步机制的应用，能够解决上述问题，减小影响。具体而言，就是在接收信息以后，再返回确认信息；此时发送方仅在接收确认信息后方可在此发送信息。通过隔离前后信息的传输，可使接收方避免同时接受全部信息数据。

3.3 数据处理算法

实践中，为了能够从测量数据中及时准确的获取有价值的数据信息，需对上述采取拟合法进行处理。比如，Data[1：N]代表了N个测量所得的数据，而Data[1：M]代表过滤所得数据，其公式为Data[1：M]=fm，n（Data[1：N]），其中M=N-m-n；fm，n先排列数据，以此来确保差异相对较大的数值可排在数组两侧，并且将其中的小数值（m个）和其中的大数值（n个）去掉，即实现了过滤处理目的。其中，m、n均为可变参数，具体根据数据量规模、稳定性而定。对于Data[1：M]而言，可采用y=C直线公式对数据最小二乘直线拟合，具体拟合公式为C=1/MΣData[1：M]，以此从N数据中得到拟合值C（最佳值）。

4 精度要求

4.1 实时测控系统概述

某靶场实时测控系统由信息汇集分发、中心计算机、安控台、指挥显示、实时数据库和局域网等六个分系统组成。（1）信息汇集分发分系统负责对外信息的接收与发送。接收各种外部信息，转换为内部通信协议通过订阅/发布机制向内部各分系统转发，将内部各分系统产生的信息按照通信协议向外部发送，此外还负责通过系统配备的时统B码终端向全系统提供网络授时服务，保持系统时间同步。（2）中心计算机分系统负责对外部的各种测量数据进行实时处理。具备弹道处理、航迹融合处理及目标安全故障判断等实时数据处理功能，它有很高的时间同步要求。（3）安控台分系统负责目标飞行试验的安全决策与控制。具备安控指令收发、记录与显示功能，同样有很高的时间同步要求。（4）指挥显示分系统负责各种测控信息的显示。具备满足试验、训练及演练等多种任务的态势综合处理与展现能力。（5）数据库分系统负责各种实时测控信息的实时存贮。具备数据查询、检索、快速处理、分析与评估等功能。（6）局域网分系统负责系统内部信息的传输。采用双网结构保证信息传输可靠性。

4.2 实时测控系统同步精度要求

时测控系统系统时间采用北京标准时间（BST），其具有严格的同步精度要求。（1）中心计算机和安控台分系统服务器获得的时间与时统时间同步精度优于100μs；（2）其它分系统服务器通过网络校时的时间平均误差≤15ms；（3）中心计算机分系统服务器通过时码板产生的1Hz、20Hz中断信号延迟≤200μs；（4）内部局域网信息传输时延≤5ms。

5 基于PTP协议高精准时钟同步方法在实时测控系统的应用

根据基于PTP协议的高精准时钟同步法，按照PTP协议时钟同步机制以及实时测量数据，设计和运用性能比较可靠的时钟同步方案。比如，中心计算机实时处理软件，其流程如图2所示。

（1）信息汇集分发分系统时统B码终端产生的基准时钟在TM1[1]发送同步信息到接收端同步时钟，然后将准确时刻TM1记录下来[1]，在FollowUp信息中将同步信息发送的TM1[1]发送至同步时钟。对于同步时钟而言，其接收同步信息以后，将准确接收时刻TS1记录下来[1]，然后再将确认信息OK返回。（2）重复N次上述过程，同步时钟即可获得N个时钟的信息发送与接收时刻，即TM1[1：N]、TS1[1：N]，然后将二者做差，得到Offset[1：N]（即N个偏移值）。（3）对N个偏移值过滤与直线拟合，或者最佳拟合值（offset），并以该值为基础对同步时钟实现偏移校正之目的。（4）将DelayReq信息发送至基准时钟，然后将发送的准确时刻TS2[1]记录清楚，基准时钟在收到信息后记录准确的接收时刻TM2[1]，由DelayResp向同步时钟返回TS2[1]。（5）重复上一步骤M次以后，同步时钟即可获得2M个时钟信息，即TM2[1：N]与TS2[1：N]，通过对二者做差可得M个基准、Delay[1：M]（同步时钟延时信息）。（6）过滤出来Delay[1：M]并進行直线拟合，从而得到最佳拟合值，然后利用这一拟合值对延时校正同步时钟。

当网络平稳且计算机负载相对较小时，取M=N=10，m=n=2，精度就能达到亚毫秒级。上述步骤完成以后，即实现了一次基准、同步时钟同步。在此过程中，为了能够有效避免因时钟累积误差而造成的系统同步精度问题，周期性地重复以上过程，即保持了系统同步。

6 结语

总而言之，基于PTP时钟同步机制，设计适用于实时测控系统网络环境下的可以达到亚毫秒精度的时钟同步方法，该方法在实时测控软件中得到了有效应用。

参考文献

[1]桂本烜，刘锦华.IEEE1588高精度同步算法的研究和实现[J].电光与控制，2006（5）：90-94.

[2]袁振华，董秀军，刘朝英.基于IEEE1588的时钟同步技术及其应用[J].计算机测量与控制，2006（12）：1726-1728.

[3]汪文俊，龚育昌，朱建明.基于UDP的局域网内时钟同步协议[J].计算机应用与软件，2007（5）：133-135.