基于PTP協(xié)議的鐵路時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)研究

鄒昕洋,張友鵬

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

時(shí)間同步技術(shù)在測(cè)試控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)化領(lǐng)域等分布式系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著高速鐵路的發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，鐵路系統(tǒng)也應(yīng)建立自己的時(shí)間同步，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件在2015年提出[1，2]。為了保證鐵路中鐵路總公司、鐵路局、鐵路各站段和列車(chē)之間所傳遞信息的一致性，考慮到鐵路各系統(tǒng)的調(diào)度和控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，鐵路系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步技術(shù)的要求變得尤為重要，因此，尋求一種高精度、穩(wěn)定的時(shí)間同步技術(shù)有助于提高鐵路時(shí)間同步網(wǎng)時(shí)間同步精度，從而提高各系統(tǒng)之間的運(yùn)行效率和可靠性。

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)包括鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、鐵路信號(hào)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)。時(shí)間同步精度在各系統(tǒng)中的地位至關(guān)重要，在缺乏時(shí)間同步機(jī)制的鐵路系統(tǒng)中，由于人為因素、網(wǎng)絡(luò)病毒、機(jī)器時(shí)鐘本身等因素在同步校時(shí)過(guò)程中都會(huì)影響同步精度從而影響列車(chē)運(yùn)行安全[3-5]。

近年來(lái)開(kāi)展的鐵路時(shí)間同步方案中，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)中的時(shí)間同步技術(shù)一般采用NTP協(xié)議、1PPS+TOD、IRIG-B等時(shí)間同步技術(shù)，但為了滿(mǎn)足鐵路的快速發(fā)展要求和時(shí)間同步精度，必須采用一種高精度時(shí)間同步技術(shù)。本文提出采用PTP協(xié)議應(yīng)用在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)中，較好地解決了時(shí)間同步精度問(wèn)題，并在仿真中驗(yàn)證了PTP協(xié)議在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)中的可行性。

PTP協(xié)議是一種精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議，同步時(shí)間戳可由硬件獲得，PTP協(xié)議集成了多種通信和分布式對(duì)象等多項(xiàng)技術(shù)，適用于分布式系統(tǒng)和以太網(wǎng)傳輸。文獻(xiàn)[6]在電力系統(tǒng)中提出PTP協(xié)議的應(yīng)用并建立相關(guān)的同步方案；文獻(xiàn)[7]對(duì)NTP和PTP同步過(guò)程進(jìn)行介紹并分析了兩種協(xié)議所存在的誤差；文獻(xiàn)[8]基于NTP對(duì)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的建模和性能比較作出分析。本文基于以上研究提出在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)用PTP同步技術(shù)，并在OPNET仿真下建模分析各鐵路局與鐵路總公司之間同步情況。

1 PTP協(xié)議

2002年提出的IEEE 1588協(xié)議定義了一個(gè)能夠在測(cè)試和控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步協(xié)議—精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議(PTP)，該協(xié)議適用于以太網(wǎng)中，并且將網(wǎng)絡(luò)通信、時(shí)間點(diǎn)計(jì)算和分布式對(duì)象等技術(shù)集成在一起，其同步精度可達(dá)到亞微秒級(jí)。PTP協(xié)議大多應(yīng)用在電力、自動(dòng)控制領(lǐng)域等，定義主從方四種報(bào)文Sync、Followup、DelayReq和DelayResp，通過(guò)計(jì)錄報(bào)文傳輸時(shí)間戳，完成PTP傳輸[9]。PTP協(xié)議可以滿(mǎn)足當(dāng)前絕大部分分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的同步要求。

1.1 PTP工作原理

PTP(Precision Time Protocol)是一種通過(guò)報(bào)文傳送建立主從時(shí)鐘聯(lián)系的精確時(shí)間同步技術(shù)，PTP主要采用分層的主從模式以及建立時(shí)間戳機(jī)制進(jìn)行交互報(bào)文，對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行編碼再進(jìn)行傳送，記錄主從時(shí)鐘時(shí)間戳?xí)r間并進(jìn)行計(jì)算，從而進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)間。IEEE1588定義兩種時(shí)鐘，普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘，普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘區(qū)別在于定義PTP端口的時(shí)鐘個(gè)數(shù)，從通信關(guān)系上來(lái)看PTP協(xié)議采用主從時(shí)鐘方式通信[10-11]。

PTP同步的基本原理如下：主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間通過(guò)報(bào)文傳輸并記錄報(bào)文的收發(fā)時(shí)間，從而通過(guò)傳遞的四個(gè)時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算主、從時(shí)鐘之間的往返延遲時(shí)間[12]。PTP同步過(guò)程如圖1所示。

圖1 PTP服務(wù)器與客戶(hù)端對(duì)時(shí)工作原理示意

(1)主時(shí)鐘(Master)在T1時(shí)刻時(shí)向從時(shí)鐘(Slave)發(fā)送Sync報(bào)文，Slave則在T2時(shí)刻接受到該報(bào)文。

(2)在Sync發(fā)送后，隨后Master會(huì)發(fā)送一個(gè)跟隨報(bào)文(Follow up)，該報(bào)文包含Sync的時(shí)間戳T1，在跟隨報(bào)文傳輸后記錄時(shí)間戳T2，該時(shí)刻包含主時(shí)鐘端傳輸?shù)臅r(shí)間戳。

(3)從時(shí)鐘(Slave)在接收到主時(shí)鐘報(bào)文后記錄并向主時(shí)鐘(Master)發(fā)送Delay_Req報(bào)文，在報(bào)文離開(kāi)從時(shí)鐘時(shí)記錄時(shí)間T3，報(bào)文在到達(dá)主時(shí)鐘后記錄時(shí)間T4。

(4)主時(shí)鐘(Master)在T4時(shí)刻接受到Delay_Rep報(bào)文后，對(duì)從時(shí)鐘(Slave)響應(yīng)一個(gè)Delay_Resp時(shí)延報(bào)文，該報(bào)文包括T3時(shí)間戳和離開(kāi)主時(shí)鐘報(bào)文的T4時(shí)間戳。

根據(jù)發(fā)送接收的4個(gè)時(shí)間戳可以計(jì)算出主、從時(shí)間的往返總延時(shí)(delay)和時(shí)間偏差(offset)。

T1+delay1+offset=T2

(1)

T3+delay2-offset=T4

(2)

在式(1)和式(2)中，合理的假設(shè)通信傳輸路徑是對(duì)稱(chēng)的，即delay1=delay2=delay

Toffset=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2

(3)

Tdelay=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2

(4)

2 PTP算法

最佳時(shí)鐘算法(BMC)是用來(lái)通過(guò)時(shí)鐘比較從同步系統(tǒng)中篩選出最精準(zhǔn)的時(shí)鐘，并將其作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘，而其他的時(shí)鐘則作為系統(tǒng)的從時(shí)鐘。在同步網(wǎng)絡(luò)中，最佳時(shí)鐘算法由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是數(shù)據(jù)集比較算法，該算法用于將不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的集合進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的集合[13]；而另一個(gè)是狀態(tài)決定算法，根據(jù)被選出來(lái)的主時(shí)鐘數(shù)據(jù)集來(lái)更新本地?cái)?shù)據(jù)集及更新每個(gè)時(shí)鐘PTP狀態(tài)，最后在報(bào)文交互完成后進(jìn)行時(shí)鐘校正和時(shí)間調(diào)整。整體算法流程如圖2所示。

圖2 PTP協(xié)議算法處理流程

最佳時(shí)鐘算法由兩部分算法組構(gòu)成。

狀態(tài)決定算法：PTP時(shí)鐘端口狀態(tài)被分為PTP_INITIALIZING、PTP_MASTER、PTP_SLAVE等9種不同的狀態(tài)，該算法根據(jù)本地時(shí)鐘的信息和鏈路上接收到的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，來(lái)確定本地端口當(dāng)前的工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)集比較算法：為狀態(tài)決定算法提供數(shù)據(jù)支撐，用來(lái)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)相關(guān)端口二進(jìn)制關(guān)系，算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)集比較算法流程

3 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)

我國(guó)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)分為地面時(shí)間同步和列車(chē)時(shí)間同步兩個(gè)部分。地面時(shí)間同步網(wǎng)采用三級(jí)樹(shù)狀傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備設(shè)置在鐵路總公司調(diào)度指揮中心，二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備設(shè)置在鐵路局，三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備設(shè)置在各站、段。鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的授時(shí)技術(shù)采用GPS/北斗授時(shí)技術(shù)提供世界協(xié)調(diào)時(shí)間(UTC)，二、三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)可通過(guò)光纖接收來(lái)自上級(jí)傳輸?shù)臅r(shí)間信息，用來(lái)校準(zhǔn)自身時(shí)鐘[14]。

在接收到GPS/北斗系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)后，通過(guò)傳輸網(wǎng)承載傳輸?shù)蕉?jí)同步節(jié)點(diǎn)的母鐘，二級(jí)母鐘接收到時(shí)間信號(hào)進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)時(shí)間偏差和時(shí)間延遲后更新設(shè)備最新時(shí)間信息，再通過(guò)傳輸網(wǎng)對(duì)三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間信息的傳輸。當(dāng)二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)接收不到一級(jí)傳輸?shù)臅r(shí)間信號(hào)，或中間傳輸受阻時(shí)，鐵路局時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)將采用自身的授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行接收時(shí)間信號(hào)[15-17]，通過(guò)逐級(jí)向下傳輸完成同步過(guò)程，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 仿真與分析

本文采用OPNET仿真軟件，建立鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點(diǎn)模型和所運(yùn)行的進(jìn)程模型，模擬鐵路總公司到鐵路局和鐵路各站、段之間同步進(jìn)程。模擬內(nèi)部報(bào)文傳輸過(guò)程，得到進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)間延遲、時(shí)間偏差、接收發(fā)送量[18]。

圖4 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4.1 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，在仿真中模擬12個(gè)鐵路局15站所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模型，首先第一級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)鐵路總公司并包含4個(gè)對(duì)時(shí)服務(wù)器兩兩互為冗余[17]結(jié)構(gòu)，用來(lái)接收來(lái)自北斗/GPS傳輸?shù)木_時(shí)鐘和處理由鐵路局和各站發(fā)出的對(duì)時(shí)請(qǐng)求，采用一對(duì)多的連接方式，從而向下一級(jí)發(fā)送時(shí)間信息，網(wǎng)絡(luò)第二級(jí)節(jié)點(diǎn)為鐵路局時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)模擬12個(gè)鐵路局時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)連接一級(jí)和三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)，第三級(jí)為所轄車(chē)站時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)并對(duì)應(yīng)15個(gè)客戶(hù)端向?qū)r(shí)服務(wù)器發(fā)出對(duì)時(shí)請(qǐng)求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型中鏈路采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式[19，20]。

圖5 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

4.2 PTP仿真子進(jìn)程模型

PTP仿真子進(jìn)程主要負(fù)責(zé)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的時(shí)間同步過(guò)程，當(dāng)完成時(shí)間同步過(guò)程系統(tǒng)再進(jìn)行其他數(shù)據(jù)發(fā)送，如圖6所示為PTP仿真子進(jìn)程模型，首先初始化狀態(tài)(init)需要完成模型屬性的讀取和相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，隨后進(jìn)行報(bào)文傳輸(SYNC_TIME)、(FOLLOW_UP)、(SYNC_PK_ARRIVAL)、(FOLLOW_PK_ARRIVAL)分別執(zhí)行PTP協(xié)議的協(xié)議傳輸，仿真模型以(idle)作為各個(gè)報(bào)文傳輸?shù)暮诵?，?dāng)PTP協(xié)議失步時(shí)切換到(MAINTENANCE_END)異步狀態(tài)，則需要結(jié)束PTP協(xié)議的同步。當(dāng)完成時(shí)間同步過(guò)程后，系統(tǒng)再進(jìn)行其他業(yè)務(wù)傳輸。

圖6 PTP協(xié)議子進(jìn)程模型

4.3 仿真結(jié)果分析

在仿真中將同步檢查時(shí)間(sync check duration)設(shè)置成60 s，同步維持時(shí)間(sync maintenance time)設(shè)置為50 s，在仿真過(guò)程中間隔60 s時(shí)系統(tǒng)檢查同步一次，以防系統(tǒng)處在失步狀態(tài)。設(shè)置仿真時(shí)間1 000 s，針對(duì)內(nèi)部鐵路局和鐵路總公司的報(bào)文交互情況作出仿真得出結(jié)果如圖7所示。在第60 s時(shí)鐵路局14，15節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行時(shí)間同步，由于實(shí)際同步距離不同14和15節(jié)點(diǎn)初始時(shí)間偏差出現(xiàn)差異約為80 μs和500 μs，當(dāng)仿真到1 000 s時(shí)，第14，15節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步完成后時(shí)間延遲約為1 630，1 600 μs。時(shí)間偏差約為100，170 μs。

圖7 鐵路局的時(shí)間偏差和傳輸延遲

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)系統(tǒng)的全局統(tǒng)計(jì)結(jié)果在主從時(shí)鐘端的收發(fā)量為12 000，每60 s鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的鐵路局客戶(hù)端就向鐵路總公司發(fā)送同步請(qǐng)求構(gòu)成同步，當(dāng)系統(tǒng)失步時(shí)收發(fā)量又回到0。系統(tǒng)整體傳輸量情況如圖8所示。鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的全局時(shí)間延遲統(tǒng)計(jì)結(jié)果約為1 600 μs，時(shí)間偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果均值約為130 μs，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)全局仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)收發(fā)過(guò)程

圖9 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)全局統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)論

采用PTP協(xié)議應(yīng)用在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)中，本文在OPNET中分別對(duì)整體和局部鐵路局同步節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，最終得到全局時(shí)間延遲約為1 600 μs，時(shí)間偏差約為130 μs，同步精度可達(dá)到微秒級(jí)，符合鐵路時(shí)間同步精度的要求。并將同步結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的結(jié)果相對(duì)比，應(yīng)用PTP協(xié)議的時(shí)間同步精度有大幅度提高，驗(yàn)證了PTP協(xié)議在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)中的可行性。