基于PTP協議的網絡時間同步方案設計

吳昊+關曉旭+周鵬

【摘 要】 為實現網絡數據在整個測控網的高可靠性實時傳輸及事后處理，對高可靠性高精度的時間同步網絡要求越來越高，尤其在故障排查過程中，網絡時鐘錯亂或同步精度偏低將導致所有待驗證數據失效。本文針對某型測量船現用網絡時間同步系統存在的缺陷，介紹了PTP協議的工作原理，提出了一種基于PTP協議和集群服務器架構的網絡時鐘同步系統設計方案，并探討了外時鐘源的確定、系統偏差及時延的具體計算方法，旨在為提高整個測控網絡的健壯性提供時序支持。

【關鍵詞】 PTP協議 時間同步 集群服務器

1 前言

某型測量船內所有終端的數據時標必須統一，同一時刻采集的數據必須打上相同的時間印章，才能進行數據處理。離開時間同步系統，數據采集不能反映整個網絡的性能狀況；各終端時間不同步，各處網絡節點上的數據包存在較大時差，故障排查無法進行。高可靠高精度的時間同步系統成為決定網絡性能的重要因素。

2 問題分析

該船使用的網絡時間同步系統基本架構以最小化客戶端配置為原則，利用試驗IP網的傳輸通道，構建前端和后端兩個獨立的系統架構，通過SNTP時間同步協議實現全網時間同步。

NTP協議是當前使用最為廣泛的國際互聯網時間同步協議。通過端口號123封裝成UDP格式的數據包在網絡中傳輸，1個NTP協議包的大小為64byte或72byte。時間服務器與時間同步終端通過TCP/IP的客戶/服務器方式交換NTP數據包。

對于對時間同步精度要求越來越高的試驗IP網而言，滿足其高精度對時需要的是2008年發布的IEEE 1588標準第2版定義的用于分布式測量和控制系統的精密時間協議（precision time protocol，PTP），從目前國外的原型實驗和應用來看，僅使用軟件實現PTP時間同步的方案精度為微秒級，而采用硬件輔助的PTP時間同步的方案則可以實現納秒級的精度。

3 PTP授時原理

PTP協議的整體思路是通過硬件和軟件將網絡中時間同步終端與時間服務器的主時鐘實現同步，建立微秒級的同步運用。硬件單元由高精度的實時時鐘和時間印章單元組成，軟件部分通過與實時時鐘和印章單元的聯系來實現時鐘同步。PTP協議實現時間同步過程分為偏移測量補償階段和延遲測量補償階段。

3.1 偏移測量補償

偏移測量補償是用來測量并補償從時鐘與主時鐘的時間差。在偏移測量補償階段，主時鐘周期性的發送確定的時間信息，其中包含有精確的時間印章，描述了數據包發出的預計時間。

主時鐘在TA1時刻發送同步信息，其中包含數據包發出的預計時間T，從時鐘在精確的TB1時刻收到該數據包。主時鐘在數據包發出后，發送Followup信息，其中包含有主時鐘發出同步信息的精確時刻。設從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏移為TBA，則

TBA=TB1-TA1-Tdelay

其中Tdelay為主從時鐘的時間延遲。

主時鐘相對于從時鐘的時鐘偏移為TAB，則

TAB=TA2-TB2-Tdelay

故，時鐘偏移Toffset=（TBA-TAB）/2=（TB1+TB2-TA1-TA2）/2

則，時鐘偏移的補償為：T（從）=T（主）-Toffset

3.2 延遲測量補償

延遲測量補償是用來測量并補償主從時鐘間的時間延遲。PTP協議定義了延遲請求數據包。

從時鐘在TB3時刻發出延遲請求數據包，主時鐘在TA3收到數據包，并發送給從時鐘，從時鐘能精確的計算出從時鐘到主時鐘的時延，為DelayBA=TA3-TB3+TBA

同理，當主時鐘在TA4時刻發送延遲請求數據包時，主時鐘到從時鐘的時延為：

DelayAB=TB4-TA4-TBA

故，網絡時間延遲為：

Delay=（DelayBA+DelayAB）/2=（TA3-TB3+TB4-TA4）/2

則，從時鐘延遲補償為：T（從）=T（主）-Delay

4 方案設計

為建立高可靠性高精度的時間同步網絡，需要解決兩個問題：一是高精度的外時鐘源系統，二是高可靠性的PTP服務器架構。

4.1 外時鐘源的選擇

考慮到時鐘源的精度及特殊情況下的可靠授時，外時鐘源最好選擇GPS及北斗雙授時系統，且本地配置銣頻標或銣頻標以上的頻率標準。從節約成本及減少維護工作量的角度出發，外時鐘源選擇為船現有的SB-123站時統系統。

本時鐘源系統具備同時接收解調GPS授時信息及北斗授時信息的能力，并配備高性能銣原子頻標。經長期實際應用檢驗具有較高的可靠性和穩定性。

4.2 PTP集群服務器架構

考慮到終端較多和用戶對時間同步系統的可靠性要求甚高，本系統擬采用集群服務器架構方案。

由于PTP采用多播通信，服務器發送數據包不存在瓶頸問題。但眾多的PTP 客戶機一起向服務器發送時延請求數據包時，服務器需要逐個對數據包處理并發送相應的返回數據包。為了減輕PTP服務單元的處理壓力，通過對試驗IP網時鐘拓撲結構的分析，在網絡機房和中心機機房分別設置PTP服務單元，構成集群服務架構。并可以通過故障處置機制，及時跳開故障服務單元并告警。

PTP服務單元可以通過數據集信息的計算確定各網絡內時間同步終端PTP 端口狀態，基本分為主時鐘狀態、從時鐘狀態、失效狀態、預備主時鐘狀態、未校準狀態等。當網絡性能下降或主時鐘發生故障時，也可以通過數據集信息計算產生新的PTP服務單元，并上報PTP服務分配單元。

5 結語

試驗IP網對時間同步精度要求越來越高，本文通過PTP集群服務器架構，將網絡中的數據包打上精確的時間印章，提供了高可靠高精度的時間平臺。

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