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技術(shù)文章
以太網(wǎng)的時鐘同步（1588時鐘）
點擊次數(shù)：6807 發(fā)布時間：2011-3-11
IEEE1588標準定義了一個在測量和自動化系統(tǒng)中的時鐘同步協(xié)議。該協(xié)議特別適合于以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)微秒級高精度的時鐘同步。
以太網(wǎng)的時鐘同步
IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計算和分配對象有關(guān)的同步時鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。由此，目前已經(jīng)開展的大量工作力將該協(xié)議整合到一些基于以太網(wǎng)的自動化協(xié)議中。甚至一些嚴格定義的協(xié)議，如Powerlink和EtherCat也將拓展到IEEE1588協(xié)議。
以太網(wǎng)的時鐘同步
IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計算和分配對象有關(guān)的同步時鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。由此，目前已經(jīng)開展的大量工作力將該協(xié)議整合到一些基于以太網(wǎng)的自動化協(xié)議中。甚至一些嚴格定義的協(xié)議，如Powerlink和EtherCat也將拓展到IEEE1588協(xié)議。
IEEE1588的歷史
在過去幾年中，一些研究機構(gòu)和商業(yè)組織一直在研究設(shè)備之間，尤其是測量和控制設(shè)備之間的時鐘同步的技術(shù)。將這種技術(shù)標準化的公開討論開始于一些研發(fā)人員在工業(yè)自動化方面將IEEE1451系列標準應(yīng)用于分布式系統(tǒng)的工作中。
在2000年的11月份，這種研究興趣發(fā)展成為一個委員會，并尋求了一些贊助，專門從事將時鐘同步問題標準化的工作。委員會的*次會議在2001年4月召開，會議決定向一些研究機構(gòu)尋求贊助和支持。這些機構(gòu)包括：電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE），儀器與測量技術(shù)協(xié)會的傳感器委員會，國家標準與技術(shù)協(xié)會（NIST），該協(xié)會也在從事IEEE1451標準的起草工作。
委員會的成員包括來自于自動化研究，機器人研究，檢測與測量研究和測時研究方面的工程師，以及NIST協(xié)會的代表和美國軍方的代表。委員會向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準。
按照IEEE的規(guī)定，委員會遞交的草案在2002年經(jīng)過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標準復(fù)查委員會，于2002年12月通過核準，并于三個月后出版了標準。從那以后IEEE1588標準的PDF文檔已經(jīng)開始在其主頁上公布（http://ieee1588.nist.gov/），印刷品也提供訂購。
該標準的技術(shù)基礎(chǔ)來源于一家1999年從HP脫離的名為Agilent的公司。許多參數(shù)的測試需要在大型的、空間分散的、分隔式的系統(tǒng)中進行，而無法采用傳統(tǒng)的集中式的方法得到。Agilent公司將這項技術(shù)整合于Vantera gauging 系統(tǒng)中。此系統(tǒng)的時間精度大約為200ns。
自動化系統(tǒng)的時間印章
使用時間印章來同步本地時間的原理也可以使用在生產(chǎn)過程的控制中。在網(wǎng)絡(luò)通信時同步控制信號可能會有一定的波動，但它所達到的精度使得這項技術(shù)尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過采用這種技術(shù)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。
在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。
在過去幾年中，一些研究機構(gòu)和商業(yè)組織一直在研究設(shè)備之間，尤其是測量和控制設(shè)備之間的時鐘同步的技術(shù)。將這種技術(shù)標準化的公開討論開始于一些研發(fā)人員在工業(yè)自動化方面將IEEE1451系列標準應(yīng)用于分布式系統(tǒng)的工作中。
在2000年的11月份，這種研究興趣發(fā)展成為一個委員會，并尋求了一些贊助，專門從事將時鐘同步問題標準化的工作。委員會的*次會議在2001年4月召開，會議決定向一些研究機構(gòu)尋求贊助和支持。這些機構(gòu)包括：電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE），儀器與測量技術(shù)協(xié)會的傳感器委員會，國家標準與技術(shù)協(xié)會（NIST），該協(xié)會也在從事IEEE1451標準的起草工作。
委員會的成員包括來自于自動化研究，機器人研究，檢測與測量研究和測時研究方面的工程師，以及NIST協(xié)會的代表和美國軍方的代表。委員會向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準。
按照IEEE的規(guī)定，委員會遞交的草案在2002年經(jīng)過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標準復(fù)查委員會，于2002年12月通過核準，并于三個月后出版了標準。從那以后IEEE1588標準的PDF文檔已經(jīng)開始在其主頁上公布（http://ieee1588.nist.gov/），印刷品也提供訂購。
該標準的技術(shù)基礎(chǔ)來源于一家1999年從HP脫離的名為Agilent的公司。許多參數(shù)的測試需要在大型的、空間分散的、分隔式的系統(tǒng)中進行，而無法采用傳統(tǒng)的集中式的方法得到。Agilent公司將這項技術(shù)整合于Vantera gauging 系統(tǒng)中。此系統(tǒng)的時間精度大約為200ns。
自動化系統(tǒng)的時間印章
使用時間印章來同步本地時間的原理也可以使用在生產(chǎn)過程的控制中。在網(wǎng)絡(luò)通信時同步控制信號可能會有一定的波動，但它所達到的精度使得這項技術(shù)尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過采用這種技術(shù)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。
在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。
系統(tǒng)組件
一個1588時鐘（PTP）系統(tǒng)包括多個節(jié)點，每一個都代表一個時鐘。每個時鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接。按工作原理可以分為兩種時鐘：普通時鐘和邊界時鐘。它們之間的區(qū)別是普通時鐘只有一個PTP端口，而邊界時鐘包括多個PTP端口。在網(wǎng)絡(luò)中，每一個時鐘都可能處于下面幾種狀態(tài)：從屬時鐘、主時鐘和原主時鐘。
一個簡單系統(tǒng)包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據(jù)*化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。
如果多個PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時鐘來實現(xiàn)。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個系統(tǒng)提供時鐘標準。
因此這個子系統(tǒng)的主時鐘是整個系統(tǒng)的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時鐘。
同步的基本原理包括時間發(fā)出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息“加蓋”時間印章。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時鐘誤差和延時。
一個1588時鐘（PTP）系統(tǒng)包括多個節(jié)點，每一個都代表一個時鐘。每個時鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接。按工作原理可以分為兩種時鐘：普通時鐘和邊界時鐘。它們之間的區(qū)別是普通時鐘只有一個PTP端口，而邊界時鐘包括多個PTP端口。在網(wǎng)絡(luò)中，每一個時鐘都可能處于下面幾種狀態(tài)：從屬時鐘、主時鐘和原主時鐘。
一個簡單系統(tǒng)包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據(jù)*化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。
如果多個PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時鐘來實現(xiàn)。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個系統(tǒng)提供時鐘標準。
因此這個子系統(tǒng)的主時鐘是整個系統(tǒng)的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時鐘。
同步的基本原理包括時間發(fā)出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息“加蓋”時間印章。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時鐘誤差和延時。
描述時間的信息
為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了四種多點傳送的信息類型：一種是同步信息，簡稱Sync；一種是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一種是延時要求信息，簡稱Delay_Req；還有一種是Delay_Req的回應(yīng)信息，簡稱Delay_Resp。收到的信息回應(yīng)是與時鐘當前的狀態(tài)有關(guān)的。
Sync信息是從主時鐘周期性發(fā)出的（一般為每兩秒一次），它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說Sync信息是包含了一個時間印章，地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計時間。
由于信息包含的是預(yù)計的發(fā)出時間而不是真實的發(fā)出時間，所以Sync信息的真實發(fā)出時間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發(fā)出。Synce信息的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up信息中的真實發(fā)出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據(jù)此更正從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req信息來定義網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。
Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時鐘發(fā)出。與Sync信息一樣，發(fā)送方記錄準確的發(fā)送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp信息中，從而計算出網(wǎng)絡(luò)延時和時鐘誤差。同步的度與時間印章和時間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結(jié)合的方案可以達到微秒的精度。
為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了四種多點傳送的信息類型：一種是同步信息，簡稱Sync；一種是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一種是延時要求信息，簡稱Delay_Req；還有一種是Delay_Req的回應(yīng)信息，簡稱Delay_Resp。收到的信息回應(yīng)是與時鐘當前的狀態(tài)有關(guān)的。
Sync信息是從主時鐘周期性發(fā)出的（一般為每兩秒一次），它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說Sync信息是包含了一個時間印章，地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計時間。
由于信息包含的是預(yù)計的發(fā)出時間而不是真實的發(fā)出時間，所以Sync信息的真實發(fā)出時間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發(fā)出。Synce信息的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up信息中的真實發(fā)出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據(jù)此更正從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req信息來定義網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。
Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時鐘發(fā)出。與Sync信息一樣，發(fā)送方記錄準確的發(fā)送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp信息中，從而計算出網(wǎng)絡(luò)延時和時鐘誤差。同步的度與時間印章和時間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結(jié)合的方案可以達到微秒的精度。
IEEE 1588工作組
為了推進和聯(lián)合進行標準的完善和發(fā)展，2003年9月在IEEE的辦公地成立了以下三個工作組。
（1）使用者需求工作組 主要負責使用者對于IEEE1588協(xié)議的需求，使用者的構(gòu)成，與其他標準的關(guān)系等。
（2）技術(shù)拓展工作組 主要負責IEEE1588的技術(shù)拓展和改進，如標記幀和ipv6的影響，非UDP應(yīng)用，冗余和錯誤容差，以及IEEE1588的簡化等。
（3）一致性與解釋工作組 主要負責IEEE1588標準的解釋，認證過程、測試裝置和范例實現(xiàn)等。
為了推進和聯(lián)合進行標準的完善和發(fā)展，2003年9月在IEEE的辦公地成立了以下三個工作組。
（1）使用者需求工作組 主要負責使用者對于IEEE1588協(xié)議的需求，使用者的構(gòu)成，與其他標準的關(guān)系等。
（2）技術(shù)拓展工作組 主要負責IEEE1588的技術(shù)拓展和改進，如標記幀和ipv6的影響，非UDP應(yīng)用，冗余和錯誤容差，以及IEEE1588的簡化等。
（3）一致性與解釋工作組 主要負責IEEE1588標準的解釋，認證過程、測試裝置和范例實現(xiàn)等。
與其他協(xié)議之間的比較
IEEE1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要的區(qū)別是：PTP是針對更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的，所以更為簡單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計算資源也更少。
PTP主要針對于相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，子網(wǎng)較好，內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，特別適合于工業(yè)自動化和測量環(huán)境。與PTP協(xié)議不同，NTP協(xié)議是針對于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個獨立系統(tǒng)的安全描述。GPS（基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)）也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統(tǒng)。
PTP定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使自身達到很高的精度，設(shè)定冗余的網(wǎng)絡(luò)路徑進入PTP協(xié)議的非激活狀態(tài)。與SNTP和NTP相反，時間印章更容易在硬件上實現(xiàn)，并且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP可以達到微秒以內(nèi)的精度。此外，PTP模塊化的設(shè)計也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。
IEEE1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要的區(qū)別是：PTP是針對更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的，所以更為簡單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計算資源也更少。
PTP主要針對于相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，子網(wǎng)較好，內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，特別適合于工業(yè)自動化和測量環(huán)境。與PTP協(xié)議不同，NTP協(xié)議是針對于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個獨立系統(tǒng)的安全描述。GPS（基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)）也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統(tǒng)。
PTP定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使自身達到很高的精度，設(shè)定冗余的網(wǎng)絡(luò)路徑進入PTP協(xié)議的非激活狀態(tài)。與SNTP和NTP相反，時間印章更容易在硬件上實現(xiàn)，并且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP可以達到微秒以內(nèi)的精度。此外，PTP模塊化的設(shè)計也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。
特點概述
IEEE1588所定義的網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。
由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
IEEE1588的一大優(yōu)點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標準應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。例如Jetter公司的JetSync產(chǎn)品，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都已經(jīng)將產(chǎn)品擴展到了1588標準。ODVA公司也宣稱將該標準融入EtherNet/IP，命名為CIPsync。
IEEE1588所定義的網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。
由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
IEEE1588的一大優(yōu)點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標準應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。例如Jetter公司的JetSync產(chǎn)品，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都已經(jīng)將產(chǎn)品擴展到了1588標準。ODVA公司也宣稱將該標準融入EtherNet/IP，命名為CIPsync。