IEEE1588v2時鐘同步技術在戰術信息系統中的應用

杜慧琦 劉 玥 劉 博 冀 臻 王 琦

(北方自動控制技術研究所 山西 太原 030006)

IEEE1588v2時鐘同步技術在戰術信息系統中的應用

杜慧琦 劉 玥 劉 博 冀 臻 王 琦

(北方自動控制技術研究所 山西 太原 030006)

隨著速度大于4馬赫的超高速導彈技術的逐步成熟，針對超高速導彈突防的相應防空導彈、衛星通信、雷達組網等領域都對時間同步精度提出更高要求。將用于工業控制以及測量領域的高精度時間協議—IEEE1588v2協議引入戰術信息系統中。在簡單介紹IEEE1588v2協議的基礎上，設計基于該協議的軟件實現方案；通過同步性能測試和PTP報文分析，驗證該方法的可行性，為戰術信息系統中的時鐘同步技術研究提供參考；分析影響精度的因素和提高精度的方法。實驗結果表明，主從時鐘同步的精度穩定在30 μs左右，滿足戰術信息系統對時鐘同步精度的要求。

戰術信息系統 IEEE1588v2 時鐘同步 PTP 精度

0 引 言

近年來，伴隨信息技術的快速發展，戰術信息系統在現代化戰爭中的作用日益顯著。網絡化作戰條件下，自動化設備不斷增多，同步網是保證戰術信息系統正常工作的支持系統之一，為網內控制和通信設備提供同步信號[1]。隨著目標速度越來越高，戰術信息系統對時鐘同步的要求也逐漸提高。目前，戰術信息系統中時鐘同步一般采用兩種實現方式：時鐘傳遞和時鐘保持技術。時鐘傳遞技術是將時間基準準確地傳遞到各戰術節點。具體解決思路是在軍用通信網絡的某個節點注入時間同步信息，其他節點跟蹤該同步源，實現時間信息的高精度傳遞功能，達到所有節點之間的時間同步。時鐘保持技術，例如某裝備中，某系統的時鐘同步方式是利用北斗作為時鐘源，實現一次對時，72小時保持精度。本文所用的IEEE1588v2技術屬于時鐘傳遞技術。

本文在對IEEE1588v2協議介紹的基礎上，設計了一種基于中斷方式的軟件實現方案，包括PTP引擎模塊的設計和時鐘伺服模塊的設計。通過實驗測試，驗證了該方法的可行性，并分析了影響時鐘同步精度的因素和提高精度的方法。

1 IEEE1588v2簡單介紹

IEEE1588協議全稱為基于網絡測量和控制的精確時鐘同步協議標準(IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，也稱為PTP(Precision Time Protocol)精確時間協議[2]。2002年，IEEE1588v1標準問世。隨著1588v1的應用，IEEE標準委員會針對其不足對v1版本進行了重新修訂，2008年，IEEE1588v2標準問世。v2版本相對于v1版本進一步提高了時間同步精度。目前，一種名為“white rabbit”計劃的技術正在接受評估，以加入新一代高精度時間協議標準(IEEE1588v3)中。IEEE1588協議是一種高精度低成本的網絡時間同步解決方案，它能同步系統內不同精度、不同分辨率和穩定性的時鐘[3]。

IEEE1588v2的工作原理是采用主從時鐘架構(如圖1所示)，對時間信息進行編碼，周期性地交換協議報文，利用網絡的對稱性和延時測量技術，計算出時間偏差(delay)和傳輸延遲(offset)并以此來修正本地時鐘，從而達到主從時鐘的同步[4]。

圖1 延遲請求響應機制

由圖1可知，報文交換的一個周期結束后，從時鐘會得到四個時間戳t2、t1、t3、t4。

假定主從時鐘之間的消息往返時間延遲是對稱的，即delay1=delay2=delay，則主從時鐘之間的傳輸延遲delay為：

delay=(t2-t1+t4-t3)/2

主從時鐘之間的時間偏差offset為：

offset=(t2-t1+t3-t4)/2

從時鐘根據傳輸延遲和時間偏差的值就可以進行時間校正，實現時間同步。

2 IEEE1588v2軟件實現

在對IEEE1588v2協議研究的基礎上，設計了基于軟件(中斷方式)時間戳的協議軟件實現方案，如圖2所示。其中，內核負責底層驅動、標記時間戳和維護內核時鐘，應用層中主要運行PTP引擎、時鐘伺服模塊和其他應用程序[5]。PTP引擎起到核心作用。

圖2 軟件系統設計

2.1 PTP引擎模塊的設計

本文通過移植開源的PTPv2軟件包來保證PTP引擎的軟件實現。如表1所示，對該軟件包進行簡單介紹。

表1 PTPv2軟件包主要程序介紹

續表1

2.2 時鐘伺服模塊的設計

時鐘伺服模塊使用一系列時間偏移估計來協調本地從時鐘與參考主時鐘時間一致。圖3是PTP時鐘伺服的示意圖。

圖3 時鐘伺服示意圖

如圖3所示，時鐘伺服模塊主要由加法器、濾波器和比例積分控制器等組成。單向延時用IIR濾波器濾波，主從偏移用FIR濾波器濾波，PI控制器則根據濾波后的主從偏移和同步間隔對時鐘進行調整。

PTP時鐘伺服模塊設計時需要考慮三個特性：第一個是閉環響應，包括收斂和穩定，可接受的初始收斂周期通常為分鐘。第二個特性是時間誤差，這代表時間相關的應用程序，在任何給定的時間點，需要兩個時鐘讀取相同的時間。第三個特性是速率誤差，這表示時間相關的應用程序需要兩個時鐘在給定時間段內以相同速率前進。[6]

3 時鐘同步性能測試

本文將IEEE1588v2協議引入戰術信息系統中以提高其時鐘同步精度，增強裝備作戰能力。為了驗證該方法的可行性，進行了相關的實驗研究。

PTP協議的機制是在主、從兩個節點間實現時間同步，為簡化開發環境，本文在一臺計算機上安裝兩個虛擬Linux系統，作為主機和從機節點，主從機之間利用虛擬網絡進行通信，分別為主機和從機開發調試PTP協議軟件。虛擬機選擇VMware Workstation 10.0，Linux系統選擇Ubuntu 14.04 LTS。

3.1 PTP報文驗證

時鐘同步測試時，首先需要判斷發送的報文是否符合PTP協議。實驗中，用wireshark軟件來截取報文驗證。如圖4所示。

圖4 PTP報文截取

從圖中可以看出，報文的各項信息和報文的發送順序都符合IEEE1588v2協議。

3.2 主從偏移

主從偏移的結果通過串口打印輸出。這里在PTP程序里增加串口打印主從時鐘偏移的功能模塊。運行程序，結果如圖5所示，單位為ns?？梢钥吹?，主從時鐘偏移保持在30 μs左右。

圖5 串口輸出主從偏移

4 影響同步精度的因素和提高精度的方法

4.1 邊界時鐘

在計算Delay和Offset時，我們假定主從時鐘之間的消息往返時間延遲是對稱的，但是在實際的戰術通信網絡中，這種時延往往是不對稱的。在大型戰術通信網絡中，Delay在報文傳輸過程中的差異會越來越大，嚴重影響同步精度[7]。為解決時延的非對稱性，可在主從時鐘之間布置邊界時鐘BC，其中一個端口作為SC，與主時鐘相連，其他端口作為MC，將時間信息傳遞給終端的SC或者下一級BC，逐級同步，減小非對稱性的影響[8]。

4.2 透傳時鐘

當主從時鐘相距較遠時，節點和節點之間通過BC連接，容易產生積聚誤差。另一方面，網絡中的抖動和路徑延遲都是不可避免的。為了解決上述問題，IEEE1588v2提出了透傳時鐘TC的概念。E2E透傳時鐘可以測量PTP事件消息經過透傳時鐘的駐留時間。P2P透傳時鐘不同于E2E透傳時鐘的是，它不僅可以測量PTP事件消息的駐留時間，還可以測量每個端口到與它相連接的端口(也支持P2P透傳時鐘)的鏈路延遲[9]。從時鐘根據這些測量值修正本地時鐘，從而提高同步精度。

4.3 時間戳的位置

傳統的時間同步技術是在軟件上打時間戳，可以在應用層，如圖6的C點，由于從A點到C點的時延不確定，往往會導致幾十毫秒的誤差，嚴重影響時間同步精度。也可以在內核或中斷服務程序處打時間戳，如圖6的B點。IEEE1588技術提出將時間戳下移到MAC層和物理層之間的MⅡ處，即圖6的A點，由支持IEEE1588技術的硬件輔助電路實現，有效提高了時間同步精度。

圖6 時間戳產生的位置

4.4 更新間隔

時間同步精度和Sync報文的更新間隔有密切關系，更新間隔越小，精度越高[10]。但是對于窄帶戰術信息系統而言，更新太頻繁，會占用過多的帶寬資源，影響其他業務。IEEE1588v2標準中，Sync報文的更新間隔遠小于1 s，最高可達到1 000次/s。實際應用中，更新間隔與網絡帶寬、精度要求有關，一般取2 s。

4.5 “white rabbit”計劃

“white rabbit”計劃誕生于歐洲核研究機構CERN，是精確時序以太網的擴展和外延，它整合了大量機制，可優化其位于以太網擴展框架內的時序精度，因此可以保留以太網通信結構。此外，“white rabbit”計劃還集成了PTP、同步以太網以及數字雙路混合器時間差分(DMTD)相位跟蹤技術。作為可能會在IEEE1588v3配置文件中得到標準化的技術，其時間同步精度會有所提高，可實現亞納秒精度。

4.6 其他提高精度的方法

還有其他一些提高精度的方法，比如構建PTP系統時，域的選擇不能太大，層級不能太多，否則累積誤差會增大，影響同步精度。當網絡很大時，應該分成多個域，用邊界時鐘來互聯。另外，后期還可以通過改進算法來提高精度等。

5 結 語

對于戰術信息系統而言，有效帶寬較窄，IEEE1588v2技術在基本不增加網絡負荷的情況下，可以實現現有系統的高精度時鐘同步，占用資源少、精度高、成本低、可行性高。實驗結果表明，主從時鐘的同步精度維持在30 μs左右，滿足戰術信息系統對時鐘同步的需求。

[1] 吳江.同步網在電力通信系統中的應用及探討[J].電力系統通信,2011(2):13-17.

[2] Eidson J,Kang L.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Society,2008.

[3] 俞慧春.IEEE1588v2時鐘特性和應用方案[J].信息安全與技術,2015(4):44-45,51.

[4] 徐榮,鄒洪強,李允博.分組網絡的同步技術[J].電信技術,2009(4):91-94.

[5] 周末.基于IEEE1588v2電力系統時間同步的研究與設計[D].山東:山東大學,2014.

[6] 陳興敏,康國欽.LXI的精準時間同步觸發方式分析[J].電子質量,2008(4):12-14.

[7] 黃治,陳偉,王向群.IEEE1588在工業以太網交換機中的關鍵應用[J].現代電子技術,2012(23):90-93.

[8] 汪坤,劉華.GPON系統1588時間同步技術的研究與應用[J].電子設計工程,2015(20):56-59.

[9] 關世友.基于IEEE1588協議的LXI時間同步的研究與設計[D].廣西:桂林電子科技大學,2011.

[10] 張文超.基于以太網交換機的IEEE1588v2時鐘同步協議研究與實現[D].浙江:杭州電子科技大學,2013.

APPLICATIONOFIEEE1588CLOCKSYNCHRONIZATIONTECHNOLOGYINTACTICALSYSTEM

Du Huiqi Liu Yue Liu Bo Ji Zhen Wang Qi

(NorthAutomaticControlTechnologyInstitute,Taiyuan030006,Shanxi,China)

With the development of ultra high-speed missile technology with speed more than 4 Mach, the fields such as corresponding anti-aircraft missile, satellite communication and radar networking for ultra-high-speed missile penetration have put forward higher requirements on the time synchronization precision. In view of this situation, high precision time protocol for industrial control and measurement—IEEE1588v2 protocol has been applied to the tactical information system. Based on the brief introduction of IEEE1588v2 protocol, the software realization scheme was designed. The synchronization performance test and the PTP message analysis verified the feasibility of this method, and provided reference for the research of clock synchronization technology in tactical information system. Moreover, the factors influencing accuracy and the method of improving precision were analyzed. The experimental results show that the accuracy of master-slave clock synchronization is stable within the 30 μs to meet the tactical information system clock synchronization accuracy requirements.

Tactical information system IEEE1588v2 Time synchronization PTP Precision

2017-01-22。杜慧琦，碩士生，主研領域：時鐘同步技術。劉玥，碩士生。劉博，工程師。冀臻，工程師。王琦，工程師。

TP311

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.11.023