利用1588PTP时钟授时技术为数字化网络提供服务

利用1588PTP时钟授时技术为数字化网络提供服务

1.1.            PTP 起源

伴随着网络技术的不断增加和发展，尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，以减少采用其它技术，例如IRIG-B 等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP ），来提高各网络设备之间的定时同步能力。1992 年NTP 版本的同步准确度可以达到200 μs ，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题，同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001 年中获得IEEE 仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST ）的支持，该委员会起草的规范在2002 年底获得IEEE 标准委员会通过，作为IEEE1588 标准。该标准定义的就是PTP 协议（Precision Time Protocol ）。

1.2.            PTP 应用环境

PTP 适合用于支持单播，组播消息的分布式网络通信系统，例如Ethernet 。同时提供单播消息的支持。协议支持多种传输协议，例如UPD/IPv4 ，UDP/IPv6 ，Layer-2 Ethernet ，DeviceNet 。协议采用短帧数据传输以减少对网络资源使用，算法简单，对网络资源使用少，对计算性能要求低，适合于在低端设备上应用。

1.3.            PTP 目标

无需时钟专线传输时钟同步信号，利用现有的数据网络传输时钟同步消息。降低组建时间同步系统的费用。在提供和 GPS 相同的精度情况下，不需要为每个设备安装 GPS 那样昂贵的组件，只需要一个高精度的本地时钟和提供高精度时间戳的部件，成本相对较低。采用硬件与软件结合设计，并对各种影响同步精度的部分进行有效矫正，以提供亚微妙级的同步精度。独立于具体的网络技术，可采用多种传输协议。

1.4.            我司时钟系列的优势

1.4.1.        高精度授时

性能优化。采用硬件时间戳，背靠背授时精度优于 40ns ， 5 跳 40% 单向流量授时精度优于 500ns 。利用我司专有流量预测模型消除网络突发流量对授时精度的影响；支持 IEEE1588-2008 (PTP v2) 协议单点，组播授时，支持 SNTP/NTP 网络协议授时；更好的解决链路对称性问题。

1.4.2.        适应性强

确保授时精度的前提下，对时钟同步的网络条件要求更少。提供多种接口（ 1PPS-IN/TOD-IN/1PPS-OUT/TOD-OUT/COM/ 10/100 以太网络接口），能够适应各种挑战性环境，比如有线，单跳，多跳，对称／不对称，高／中／低等背景流量状况。授时源的灵活性（ 50 通道 GPS 接收装置 ， <10s 热启动时间，可选北斗授时）

1.4.3.        产品线丰富

我司时钟产品线包括主从时钟，嵌入式主从时钟板卡，从时钟 PCI 板卡，能满足不同的客户需求。

1.4.4.        自主知识产权

我司一直专注于时钟产品的研发，经过多年的积累，产品具有性能和价格优势，是国内为数不多的 1588 时钟提供商。

2.    需求分析

我司PTP 主时钟通过（光纤）网络与PTP 从端（板卡）进行同步，当中经过3-4 个带光口与电口的普通交换机，同步的精度要求在1us 内。PTP 从端同步后将1PPS 信号传给采集装置。

3.    解决方案

3.1.          方案的设计原则

3.1.1.        先进性

IEEE 1588v2 是新一代时间同步技术，在精度、成本、网络拓展方面都有着与传统时钟不可比拟的优势。我司IEEE 1588v2 时钟源自自主知识产权，整个系统选型，软硬件设备的配置均符合国际指标。

3.1.2.        可扩展性

我司IEEE 1588v2 系列时钟产品采用模块化设计，具有极佳的可扩展性及灵活性。便于系统功能扩充、运行设备的替换、维护，确保系统的高效可靠运行。 可随时根据需要扩充具有其它功能的软硬件模块。

3.1.3.        可管理性

我司IEEE 1588v2 时钟支持网络管理配置与监控，能够使管理人员方便及时地掌握诸如网络性能统计、网络故障等信息，能简便地对网络进行统一配置和调整，确保网络工作在良好状态。

3.1.4.        稳定性

稳定性对系统的可用性和使用率来说至关重要，如高压力运行、复杂网络环境等，我公司设备经权威多项监测符合电力、通信、军事等专业应用的各项标准。

3.2.            方案

我司PTP 主时钟HR-PTP2200 通过（光纤）网络与HR-PTP2000 板卡进行同步，当中经过3-4 层普通交换机，距离6 里内，同步的精度要求在1us 内。HR-PTP2000 同步后将1PPS 信号传给采集器。

拓扑图

方案详解

授时网络由我司一台HR-PTP2200 主时钟，和HR-PTP2000 板卡，以及当中经过的交换机及网线光纤组成。主时钟从GPS 卫星上得到时间信号后，通过IEEE1588v2 协议包交换，将时间信号经由支持IEEE1588v2 的交换网络传递给HR-PTP2000 。HR-PTP2000 得到精准的时间信号后，输出1pps 信号给采集器。拓扑图见上。

时间精度方面，支持IEEE1588v2 的多跳局域网络贡献约+/-500ns 的时间误差（具体值取决于所有IEEE1588v2 交换机产生的累积时间误差），板卡1PPS 信号是属于硬件触发，时间误差可忽略不计。因此能够满足客户1us 的精度需求。

经测试，我司时钟产品正常工作所需的协议交互流量约为10Kbps ，即使考虑最坏情况下100 个从时钟信号经由一条路径传输，需要的总带宽也仅约为1Mbps ，在一个10/100Mbps 级别的交换网络中产生的额外负载约为1% ，不会对产生明显影响。时钟产生的所有协议包完全符合美国电子电气工程师协会制定的IEEE1588v2 协议，不会对用户网络安全产生任何影响。因而本方案符合不对用户既有网络业务造成影响的需求。