開題報(bào)告IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議在Linux下的研究講解

1、IEEE1588 時(shí)間同步協(xié)議在 Linux 下的研究目錄一、課題的來源、目的和意義 1二、本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1三、本課題研究的主要內(nèi)容和重點(diǎn) 3四、技術(shù)方案 3五、實(shí)施方案所需的條件 6六、存在的主要問題和技術(shù)關(guān)鍵 6七、預(yù)期能達(dá)到的目標(biāo) 6八、課題研究計(jì)劃進(jìn)度 6九、研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算 6十、主要參考文獻(xiàn) 6文獻(xiàn)閱讀報(bào)告：IEEE1588協(xié)議、Linux嵌入式系統(tǒng)及其他相關(guān)技術(shù)綜述 91 、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步 102、 IEEE1588精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 123、Linux 嵌入式系統(tǒng) 174、參考文獻(xiàn) 1 9一、課題的來源、目的和意義1、課題來源課題名稱： IEEE1588 時(shí)間

2、同步協(xié)議在 Linux 下的開發(fā)與研究 課題來源：華東交通大學(xué)交通信息工程及控制研究所2、目的和意義 時(shí)間信息是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，尤其是分布式控制系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)信息。網(wǎng)絡(luò)中的 時(shí)間同步是一個(gè)重要的研究方向，時(shí)間同步是很多基于網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，分布式系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間同步的要求越來越高。在現(xiàn)有以太網(wǎng)基礎(chǔ)上開展測 試與測量，首先需要解決的是實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)備之間的精密時(shí)鐘同步 。而 2002 年底由 IEEE 發(fā)布的精確時(shí)鐘同步協(xié)議 IEEE 15881 是一種用于測量和自動(dòng) 化系統(tǒng)的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議， 其全稱是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議 標(biāo)準(zhǔn)。它的主要原理是通過

3、一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步， 通過軟硬件的配合，其同步精度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 NTP的同步精度。與NTP協(xié)議不同，IEEE 1588是針對(duì)相對(duì)本地化、 網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。 它要求子網(wǎng)較好、 內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)定， 所以非常適合于工業(yè)自動(dòng)化和測量環(huán)境?；谝蕴W(wǎng)和 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)不需要很大 改動(dòng)就可以運(yùn)行 IEEE 1588 協(xié)議，故其應(yīng)用范圍非常廣泛。并且該協(xié)議占用網(wǎng)絡(luò)資源以 及計(jì)算資源較少，實(shí)現(xiàn)成本低，因此在低端設(shè)備中也能夠被使用。我們?cè)谘芯勘O(jiān)控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)基本上都是采用分步式的結(jié)構(gòu)，而這 些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是緊密相關(guān)的， 各個(gè)設(shè)備的觸發(fā)也會(huì)按照統(tǒng)一的時(shí)序

4、和節(jié)拍才能保證系 統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)有序的工作，而時(shí)鐘不同步會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，可能使系統(tǒng) 無法正常工作。所以本文準(zhǔn)備研究一個(gè) IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最 佳主時(shí)鐘算法、本地時(shí)鐘同步算法以及PTP報(bào)文發(fā)送與接收的控制算法來提高同步的精 度，并且準(zhǔn)備用開發(fā)板在 Linux 下實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。二、本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)關(guān)于時(shí)鐘同步技術(shù)的研究，1978年7月3，Leslie Lamport在“Communication of the ACM ” 發(fā)表的論文“ Time,Clock,and the Ordering of Events in a Distribut

5、ed System 比較 系統(tǒng)地闡述了時(shí)鐘同步技術(shù)的原理、方法以及時(shí)鐘同步在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)八十年代后，隨著計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步 方面的研究取得了很大的進(jìn)展。 1981 年提出了因特網(wǎng)時(shí)鐘協(xié)議 (Internet Clock Protocol， RFC778)，這是最早在網(wǎng)絡(luò)上提出的時(shí)鐘同步技術(shù)。然后就是1983年提出的時(shí)間協(xié)議(Time Protocol，RFC868)，該協(xié)議可以精確到1秒。除此之外，還出現(xiàn)了 Daytime協(xié) 議和 IP 時(shí)間戳選項(xiàng)等網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)。1988年提出的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol , RF

6、C1059)在上述網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘 同步技術(shù)上有了很大的提高。在廣域網(wǎng)內(nèi)使用NTP協(xié)議同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到 幾十毫秒的精度， 而在局域網(wǎng)內(nèi)同步精度可以高達(dá) 0.1 毫秒。在 1996年，發(fā)布了網(wǎng)絡(luò)時(shí) 間協(xié)議的簡潔版本一一簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 SNTP第4版(RFC2030)，它適用于時(shí)間精 度要求低于NTP的時(shí)鐘同步網(wǎng)終端。2000年，歐盟各國聯(lián)合實(shí)施了一項(xiàng)“歐米伽” 計(jì)劃，它的主要目的就是要促進(jìn)網(wǎng)絡(luò) 時(shí)鐘同步技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，進(jìn)一步為實(shí)際應(yīng)用和研究提供更高精度的時(shí)鐘。這項(xiàng)計(jì)劃 的實(shí)施也同時(shí)加快了歐盟數(shù)字同步通信網(wǎng)的建設(shè)。2000年的 11 月份，一個(gè)專門從事將網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步問題標(biāo)準(zhǔn)化的工作的委員會(huì)

7、成立。委員會(huì)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(zhǔn)。按 照IEEE的規(guī)定，委員會(huì)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(biāo) 準(zhǔn)復(fù)查委員會(huì)，于 2002年9月通過核準(zhǔn)，兩個(gè)月后出版了 IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)。為了推進(jìn)和聯(lián)合進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的完善和發(fā)展， 委員會(huì)2003年9月在IEEE的辦公地成立 了三個(gè)工作組并明確了分工 2：(1) 使用者需求工作組。主要負(fù)責(zé)使用者對(duì)于 IEEE 1588協(xié)議的需求，使用者的構(gòu) 成，與其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系等。技術(shù)拓展工作組。主要負(fù)責(zé)IEEE 1588的技術(shù)拓展和改進(jìn)，如標(biāo)記幀和IPV6的 影響，非 UDP 應(yīng)用，冗余和錯(cuò)

8、誤容差，以及 IEEE 1588的簡化等。(3) 一致性與解釋工作組。主要負(fù)責(zé) IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的解釋，認(rèn)證過程、測試裝置 和范例實(shí)現(xiàn)等。自從 IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后得到業(yè)界高度重視， 在 2002年、2004年和 2006年一共 舉辦了三次專業(yè)會(huì)議。工業(yè)控制的領(lǐng)先廠商Rockwell，Siemens等立即投入產(chǎn)品開發(fā)，IEC 已將它轉(zhuǎn)化為 IEC615882004標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已為 Ethernet/IP,Profinet,PowerLink， EtherCat等基于以太網(wǎng)的總線采用，成為當(dāng)前普遍采用的方法。自 IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以來，集成硬件支持的產(chǎn)品陸續(xù)上市或發(fā)布，有

9、：西門子公 司的 ERTRC400、Hilscher 公司的可用于需要內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)連接的工業(yè)控制產(chǎn)品的片上系統(tǒng) netX、Intel 公司的網(wǎng)絡(luò)處理器 XScale IXP46x 和 Hyperstone 公司的高度集成新型 HyNet32XS聯(lián)網(wǎng)處理器等。Hirschmann公司提出了一種IEEE 1588同步元件模型，硬件 部分包括一個(gè)高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)時(shí)間戳單元來產(chǎn)生時(shí)間戳， 軟件部分與實(shí)時(shí)時(shí)鐘 和硬件時(shí)間戳單元綁定實(shí)現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議。Hirschmann已經(jīng)在它的Mice模塊化以太 網(wǎng)交換機(jī)上測試了 IEEE 1588增強(qiáng)插件模塊，并發(fā)現(xiàn)其同步精度在最大抖動(dòng)時(shí)為 100 納秒。

10、2007年4月，模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體產(chǎn)品的供應(yīng)商 Semtech公司宣布：將與頻率控 制產(chǎn)品供應(yīng)商Rakon公司聯(lián)合開發(fā)基于IEEE 1588 V2標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下一代網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備低成本的精確定時(shí)方案2007年7月，美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor Corporation）宣布推出業(yè) 界首款集成IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)硬件支持功能的以太網(wǎng)收發(fā)器。這款型號(hào)為DP83640的高精 度 PHYTER 收發(fā)器可確保分布式網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)能按照主機(jī)的時(shí)鐘同步定時(shí)，并確保各 節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差不會(huì)超過 8納秒，因此最適用于物體移動(dòng)控制、測量儀表、數(shù)據(jù)采 集及電子通信

11、等設(shè)備。2007年10月，IEEE 1588 V2標(biāo)準(zhǔn)提交IEEE審議。新版本的制定注意吸收了諸多 來自通信、網(wǎng)絡(luò)、測試 / 測量以及工業(yè)控制等行業(yè)的專家意見，將更能滿足具有多跳和 固有冗余特性的大型分布式網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。國內(nèi)在高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚， 目前大部分研究內(nèi)容僅僅是 對(duì) IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)做一個(gè)簡單介紹、綜述國外的技術(shù)成果或是針對(duì)性地提出某些時(shí)鐘同 步算法相應(yīng)的改進(jìn)。三、本課題研究的主要內(nèi)容和重點(diǎn)。課題的研究內(nèi)容是在Linux下對(duì)IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)及開發(fā)。主要是 對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)中的IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議的研究，以及對(duì)嵌入式linux開發(fā)及其

12、關(guān)鍵技術(shù) 的實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容如下：1、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的基本理論的分析研究 21；2、IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)的分析研究19；3、Linux 下 1588時(shí)間同步的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)；4、PTP發(fā)送接收控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2429；5、最佳主時(shí)鐘算法模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13162130；（重難點(diǎn)）6、本地時(shí)鐘同步算法模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； （重難點(diǎn)）7、基于嵌入式 linux 的應(yīng)用程序開發(fā)。四、技術(shù)方案IEEE1588 的基本原理是用網(wǎng)絡(luò)中最精確的時(shí)鐘去校正或同步其它時(shí)鐘，最佳時(shí)鐘 的選取是被自動(dòng)執(zhí)行， 通過最佳主站時(shí)鐘算法實(shí)現(xiàn)。 在網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的時(shí)鐘 :主時(shí)鐘 （用于同步其它時(shí)鐘 ），從時(shí)

13、鐘（被同步的時(shí)鐘 ）。從理論上講，系統(tǒng)中的所有時(shí)鐘都有可 能成為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。但往往網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘是相對(duì)固定的，所有從時(shí)鐘通過與主時(shí)鐘交 換消息來校準(zhǔn)自己的時(shí)間， 這個(gè)同步過程分為兩個(gè)階段， 一是偏移校準(zhǔn)， 一是延遲校準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)方案分為系統(tǒng)硬件部分和軟件部分。1 、系統(tǒng)硬件部分自制ARM9+DP83640系統(tǒng)板。ARM芯片采用ARM9。其主要特點(diǎn)是： 功耗低， 性能高； 內(nèi)核的門數(shù)少，具有優(yōu)異的性價(jià)比； 中斷延時(shí)短； 實(shí)時(shí)調(diào)試，成本 低；支持嵌入式跟蹤宏單兀，支持實(shí)時(shí)跟蹤指令和數(shù)據(jù)。美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出集成IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）硬件支持功 能的以太網(wǎng)收發(fā)器。這款型

14、號(hào)為 DP83640的高精度PHYTER收發(fā)器支持IEEE 1588精 確時(shí)間同步協(xié)議V1和V2標(biāo)準(zhǔn)，可確保分布式網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)能按照主機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間同 步定時(shí)，并確保各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差不會(huì)超過8ns，因此最適用于物體移動(dòng)控制、測量儀表、數(shù)據(jù)采集及電子通信等設(shè)備。DP83640高精度PHYTER收發(fā)器芯片內(nèi)置高精度IEEE 1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送的信息包印上 時(shí)間標(biāo)記。此外，這款芯片還有12條通用輸入/輸出引腳，專門負(fù)責(zé)處理同步發(fā)生的實(shí) 時(shí)事件或不同的觸發(fā)信號(hào)。DP83640芯片還可以連接內(nèi)置以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC） 的專用集成電路（ASIC）。2、軟

15、件部分下圖所示時(shí)鐘同步系統(tǒng)就是在詳細(xì)分析 IEEE 1588的基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)鐘同步過程、時(shí) 間數(shù)據(jù)報(bào)以及時(shí)鐘校正機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析之后，設(shè)計(jì)的時(shí)鐘同步模型。圖1時(shí)間同步系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖時(shí)鐘同步系統(tǒng)的各個(gè)模塊及其功能的設(shè)計(jì)1）初始化配置模塊系統(tǒng)運(yùn)行最先完成的就是服務(wù)器的初始化來確定主時(shí)鐘。主時(shí)鐘的確定采用最佳主時(shí)鐘算法，在具有 M個(gè)時(shí)鐘的系統(tǒng)中，每一個(gè)非主時(shí)鐘都周期地向主時(shí)鐘發(fā)送帶有時(shí) 間戳的數(shù)據(jù)報(bào)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的一大特點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的突發(fā)性，但從長時(shí)間的運(yùn)行 來看，鏈路的狀態(tài)還是相對(duì)穩(wěn)定的。通過計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平均時(shí)間，選擇時(shí)間間隔 最接近這個(gè)平均值的時(shí)間服務(wù)器為最佳主時(shí)鐘。2）消息接收模

16、塊消息接收模塊的主要作用是監(jiān)聽系統(tǒng)的運(yùn)行端口， 并在獲取到消息報(bào)文后對(duì)其進(jìn)行 解析，根據(jù)不同的指令識(shí)別碼調(diào)用相應(yīng)的過程和模塊進(jìn)行處理。3）時(shí)鐘同步模塊 當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入時(shí)鐘同步模塊時(shí)， 系統(tǒng)首先對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來確定是否利用此報(bào) 文對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行同步，如果當(dāng)前的數(shù)據(jù)不能滿足要求，那么時(shí)鐘同步模塊利用消息發(fā) 送模塊重新發(fā)送同步數(shù)據(jù)報(bào)文。如果該報(bào)文符合要求，系統(tǒng)則根據(jù)公式計(jì)算時(shí)鐘偏移， 并轉(zhuǎn)入時(shí)鐘校正模塊，周期性地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步。4）消息發(fā)送模塊 消息發(fā)送模塊的主要功能是根據(jù)其它功能系統(tǒng)提供的報(bào)文數(shù)據(jù)及發(fā)送模式將報(bào)文 發(fā)送給子網(wǎng)中的其它節(jié)點(diǎn)。消息發(fā)送模塊與消息接收模塊的實(shí)現(xiàn)一樣都是多線程的，提

17、供了系統(tǒng)同時(shí)處理多個(gè)報(bào)文的能力。5）PTP發(fā)送控制模塊PTP 發(fā)送控制模塊用于發(fā)送同步報(bào)文、跟隨報(bào)文、延遲請(qǐng)求報(bào)文、延遲請(qǐng)求響應(yīng) 報(bào)文這四種報(bào)文，因此 PTP 發(fā)送控制模塊的主要任務(wù)就是編碼封裝 PTP 協(xié)議報(bào)文，以 及何時(shí)發(fā)送這些報(bào)文。6）PTP接收控制模塊該模塊主要用來分析、控制接收到的各種網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，把符合PTP協(xié)議的報(bào)文接收到 PTP協(xié)議引擎中，并負(fù)責(zé)檢查PTP協(xié)議報(bào)文的有效性。PTP接收控制模塊主要包括以下 四個(gè)部分 :同步報(bào)文接收模塊、 跟隨報(bào)文接收模塊、 延遲請(qǐng)求報(bào)文接收模塊、 延遲請(qǐng)求響 應(yīng)報(bào)文接收模塊。7）最佳主時(shí)鐘算法模塊 最佳主時(shí)鐘算法模塊主要用于選擇本地網(wǎng)絡(luò)中的最佳時(shí)鐘作

18、為主時(shí)鐘， 同時(shí)決定本地時(shí)鐘所應(yīng)處的狀態(tài)。 實(shí)現(xiàn)最佳主時(shí)鐘的方法包括兩個(gè)步驟 :首先從本地時(shí)鐘系統(tǒng)通信端 口中選出一個(gè)質(zhì)量最好的同步報(bào)文 :根據(jù)上述結(jié)果，比較此時(shí)的主時(shí)鐘和本地時(shí)鐘屬性， 決定本地設(shè)備 PTP 協(xié)議引擎所處的狀態(tài)。 上面的第一個(gè)步驟采用數(shù)據(jù)集比較算法模塊來 實(shí)現(xiàn)，而判斷 PTP 協(xié)議引擎所處的狀態(tài)采用狀態(tài)決斷算法模塊來實(shí)現(xiàn)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 36的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)精確同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。 我們?cè)?程序開發(fā)時(shí)使用宿主機(jī)上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，（這種可執(zhí)行代碼并不能在宿主機(jī)上執(zhí)行，而只能在目標(biāo)板上執(zhí)行 ）。然后把可執(zhí)行文件下 載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。宿主

19、機(jī)和目標(biāo)板的處理器架構(gòu)一般都不相同，宿主機(jī)為 Intel 處理 器， GNU 編譯器提供這樣的功能，在編譯編譯器時(shí)可以選擇開發(fā)所需的宿主機(jī)和目標(biāo) 機(jī)從而建立開發(fā)環(huán)境。程序采用接在目標(biāo)板上進(jìn)行開發(fā)的方式，將宿主機(jī)和目標(biāo)板通過 以太網(wǎng)連接，在宿主PC機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)板的顯示終端，在目標(biāo)板上通過NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系 統(tǒng)）來 mount 宿主機(jī)硬盤，讓應(yīng)用程序直接運(yùn)行在目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試。開發(fā)平臺(tái)采用Keil Nision4集成開發(fā)環(huán)境33, Keil Nision4用來在微控制器和智能 卡設(shè)備上創(chuàng)建、仿真和調(diào)試嵌入式應(yīng)用。Keil Nision4是為增強(qiáng)開發(fā)人員的工作效率設(shè)計(jì)的，有了它可以更快速、更高效地開

20、發(fā)和檢驗(yàn)程序，支持 ARM7 、 ARM9 和最新的 Cortex-M3核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備 模擬，性能分析等功能。五、實(shí)施方案所需的條件1、試驗(yàn)設(shè)備： PC 機(jī)，自制 ARM9+DP83640 系統(tǒng)板。2、 軟件：Keil uVision4開發(fā)平臺(tái)，redhat9.0嵌入式操作系統(tǒng)，C+語言。六、存在的主要問題和技術(shù)關(guān)鍵1、對(duì)于 IEEE 1588 協(xié)議，存在一些問題如主時(shí)鐘的容錯(cuò)性能，振蕩器的穩(wěn)定性對(duì) 時(shí)鐘的影響。2、對(duì)于程序中算法的優(yōu)化，以及如何加強(qiáng)應(yīng)用程序的健壯性、穩(wěn)定性、可行性等 問題。3、對(duì)基于 ARM9 上嵌入式 Li

21、nux 系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)，需要更好的掌握和應(yīng)用其 技術(shù)。七、預(yù)期能達(dá)到的目標(biāo)1、基本完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并搭建起具有基本功能的硬件系統(tǒng)。2、完成基于 IEEE 1588 協(xié)議對(duì)時(shí)模型的建立，并編寫程序，基本完成對(duì)時(shí)功能。八、課題研究計(jì)劃進(jìn)度1、2010.112010.12 進(jìn)行實(shí)習(xí)調(diào)研 ,收集相關(guān)資料 ,確定總體方案。2、2011.12011.2 完成嵌入式操作系統(tǒng)的移植。3、2011.3-2011.6實(shí)現(xiàn)IEEE1588時(shí)間同步程序的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。4、2011.72011.8 完成系統(tǒng)測試。5、2011.9-2011.11 完成論文的纂寫、修改完善，論文答辯。九、研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算購買目標(biāo)板 1

22、000元其他500元總計(jì)約1500元。十、主要參考文獻(xiàn)1 IEEE Std 1588-2002 EB/OL. http:/ieee1588. hist. gov, 2002.2 IEEE Std 1588-2008 EB/OL. http:/standards. ieee. org, 2008.3 IEEE Std 1588-2002, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control SystemsS, 2002.4 Todor Cooklev,

23、 John C.Eidson, Afshaneh Pakdaman. An Implementation of IEEE 1588 Over IEEE 802.11b for Synchronization of Wireless Local Area Network Nodes. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2007: 1632-16395 Bob Rennard.IEEE 1588 in Test and Measurement Applications as Specified in LXI Standard

24、 v1.0. Agilent Technologies . 2005:96 Hller R., Santer T., Kero N.Embedded Sync UTC and IEEE1588 clock synchronization for industrial Ethernet.Proceedings of Emerging Technologies and Factory Automation.2003, 1:422-4267 Correll K,Barendt N,Branicky M.Design considerations for software only implement

25、ations of the IEEE 1588 precision timeprotocol.Conference on IEEE-1588 Standard for a PrecisionClock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. 2005:353-3598 John C. Eidson, Dan Pleasant.Time Scales and IEEE 1588 part 1. Agilent Technologies.2006:8-119 John C.Eidson, Dan

26、 Pleasant.Time Scales and IEEE 1588 part 2. Agilent Technologies.2006:2-410 Sivaram Balasubramanian, Kendal R.,Harris, Anatoly Moldovansky. A Frequency Compensated Clock for Precision Synchronization using IEEE 1588 Protocol and its Application to Ethernet.Rockwell Automation. 2003:1-411 Alexandra D

27、ropplinger and Innis, Aligning System Clocks Over Networks With IEEE1588 Remote Timing Standard, Freescale Semiconductor, 2007.12 Hans Weibel.High Precision Synchronization according to IEEE 1588 Implementation and Performance Issues.Embedded World.2005:2-413 IEEE Standard 1588-2002, IEEE Standard f

28、or a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. (2002)The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York14 Proceedings of the 2005 IEEE 1588 Conference to be published as a NIST Technical Report. (2005)National Institute of Standards an

29、d Technology, Gaithersburg, MD15 陳冰.基于時(shí)鐘同步的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制方法與實(shí)現(xiàn) D: 博士學(xué)位論文 . 武漢 : 華中科技大 學(xué) , 2006.16 張妍,孫鶴旭 ,林濤,寧立革 . IEEE1588 在實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用 J. 微計(jì)算機(jī)信息 . 2005, 21(9-1): 19-21.17 趙上林 ,胡敏強(qiáng) ,竇曉波 ,等. 基于 IEEE 1588 的數(shù)字化變電站時(shí)鐘同步技術(shù)研究 J. 電網(wǎng)技 術(shù), 2008, 32(21): 97-102 .18 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) (第四版) M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2003.19 尤志堅(jiān) . IEEE158

30、8 協(xié)議分析與實(shí)現(xiàn) D: 碩士學(xué)位論文 . 上海:華東師范大學(xué) , 2008.20 郭凱. IEEE1588 在電子式互感器中的同步研究 D: 碩士學(xué)位論文 . 北京 :華北電力大學(xué) , 2009.21 吳歆馨 .基于 IEEE1588 高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的研究 D: 碩士學(xué)位論文 . 武漢: 華中科 技大學(xué) , 2007.22 魯駿.IEEE1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究D:碩士學(xué)位論文.桂林：桂林電子科技大學(xué)，2008.23 胡英超 . 精密時(shí)鐘同步協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn) D: 碩士學(xué)位論文 . 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學(xué) , 2008.24 孫文杰. 局域網(wǎng)時(shí)鐘同步精確時(shí)間標(biāo)記方法的研究 D:

31、碩士學(xué)位論文 . 武漢:華中科技大 學(xué)， 2007.25 杜宇.IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研究D:碩士學(xué)位論文.北京：華北電力大學(xué)， 2003.26 趙棟.基于 IEC 61850 的數(shù)字化變電站精確同步系統(tǒng)的研究 D: 碩士學(xué)位論文 . 北京:華北 電力大學(xué) ，2008.27 殷志良 ， 基于 IEC61850 的變電站過程總線通信的研究 D: 博士學(xué)位論文 . 北京:華北電力 大學(xué) ， 2005.28 陳永標(biāo).IEEE1588時(shí)間精確同步協(xié)議 PTP在電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性研究D:碩士學(xué)位論文.上海：上海交通大學(xué)， 2009.29 謝型果.IEEE1588時(shí)鐘同步報(bào)文硬件標(biāo)

32、記研究與實(shí)現(xiàn)D:碩士學(xué)位論文.武漢：華中科技大學(xué) ， 2008.30 劉魯源 ，王曉欣，劉昆.分布式系統(tǒng)高精度時(shí)鐘同步算法及其實(shí)現(xiàn) J， 天津大學(xué)學(xué)報(bào) ，2006， 831 張振，許揚(yáng)，陸于平，等. IEEE1588 協(xié)議在分布式系統(tǒng)保護(hù)信息傳輸中應(yīng)用 J. 電力自動(dòng)化設(shè) 備，2009， Vol， 29(12): 83-87.32 汪祺航 ，黃偉，吳在軍 ，等. 基于 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的變電站同步網(wǎng)絡(luò)的研究 J. 江蘇電機(jī)工 程， 2010，Vol.29(1): 51-54 .33 Jean J. Labrosse嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 卩C/OS-II M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，

33、2001.34 唐振華.基于IEEE 1588和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的自動(dòng)測試系統(tǒng)D:碩士學(xué)位論文.成都：成都電子科技大學(xué) ， 2006.35 陳小舟 . IEEE1588 時(shí)間同步協(xié)議在同步數(shù)字傳送網(wǎng)中的應(yīng)用研究 D: 碩士學(xué)位論文 . 成都: 電子科技大學(xué) ， 2009.36 魯駿，張向利，等.嵌入式 Linux 下時(shí)鐘同步系統(tǒng)的分析與實(shí)現(xiàn) J， 儀表技術(shù)與傳感器 ，2007.文獻(xiàn)閱讀報(bào)告：IEEE 1588 協(xié)議、嵌入式系統(tǒng)及其他相關(guān)技術(shù)綜述0 概述共收集了 9 篇期刊， 18 篇碩士， 9 篇 IEEE ，這些文章在研究 IEEE1588 協(xié)議時(shí)，解決了以下問 題：理論方面1、分析了 IEEE1

34、588 時(shí)間同步技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)；2、分析比較了 NTP 協(xié)議、 SNTP 協(xié)議和 IEEE1588 協(xié)議各自的特點(diǎn)和時(shí)間同步機(jī)制；3、分析了 IEEE1588 協(xié)議報(bào)文的特點(diǎn)；4、分析了延時(shí)誤差產(chǎn)生的來源；5、分析了影響實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步高精度的因素； （操作系統(tǒng)與協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)元件、時(shí)鐘的不穩(wěn)定性 和時(shí)鐘的分辨率，并綜述了相應(yīng)的提高精度的補(bǔ)償方法）6、研究了軟硬件分離的方法實(shí)現(xiàn) IEEE1588 協(xié)議的頻率同步。 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用方面1、最佳主時(shí)鐘算法； （組播交叉算法、 Clos 矩陣算法、隨動(dòng)算法）2、相對(duì)時(shí)鐘同步算法； （申請(qǐng)專利）3、在硬件 STR912 硬件平臺(tái)上移植 uc/os-ii

35、操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) IEEE1588 協(xié)議；4、用 DSP 和 MCU 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) IEEE1588 協(xié)議；5、基于 FPGA 的 PTP 實(shí)現(xiàn)；6、基于 RTLinux 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；7、建立了用于 3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間同步系統(tǒng)傳輸模型。 不足之處1、基本上節(jié)點(diǎn)都為普通時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘都只有一個(gè)端口連接到通信通道，因此所有節(jié)點(diǎn)只能在一 個(gè)局域網(wǎng)中進(jìn)行通信以及同步。如果要同步多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，需要引入邊界時(shí)鐘，把多 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的 PTP 時(shí)鐘連接起來并進(jìn)行同步。2、同步精度還可以進(jìn)一步提高。通過定時(shí)器獲取的時(shí)間只達(dá)能到微秒的精度，因此各時(shí)鐘間的同 步精度不可能超過這個(gè)精度。如果時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)采用更精確的時(shí)

36、間源，那么同步精度也可以隨之更 高。3、管理節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘模型沒有加入管理節(jié)點(diǎn)，因此時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的屬性不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置， 因此下一步可以在系統(tǒng)中加入管理節(jié)點(diǎn)，這樣運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)各時(shí)鐘的具體狀態(tài)以及用戶需要， 對(duì)其進(jìn)行配置，而不需要再重新燒寫硬件節(jié)點(diǎn)的固件。1網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步隨著計(jì)算機(jī)在人們的生活和工作中發(fā)揮著越來越重要的作用，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到越來 越廣泛的應(yīng)用。其中許多關(guān)系國計(jì)民生的重要應(yīng)用領(lǐng)域需要依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高可靠性和高效率來 精確控制關(guān)鍵性的工作與任務(wù)，例如衛(wèi)星發(fā)射與測控系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、社會(huì)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)以及核能 發(fā)電系統(tǒng)等等。這些應(yīng)用對(duì)分布式系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘的一致性和精確性要求很高，

37、任何錯(cuò)誤的發(fā)生都可能 會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重甚至是災(zāi)難性的后果。然而，實(shí)際上，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘工作往往不太穩(wěn)定，容易受到 溫度、電源等環(huán)境的影響。這樣以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與要求，已不適合在一些嚴(yán)格的環(huán)境下運(yùn)作。因此， 首先有必要對(duì)時(shí)間同步的一些基本概念以及原理作一下分析和介紹。從時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)機(jī)制來看，可將時(shí)鐘同步分為硬件時(shí)鐘同步、軟件時(shí)鐘同步和混合時(shí)鐘同步。1）硬件時(shí)鐘同步。硬件時(shí)鐘同步是指利用一定的硬件設(shè)施（如GPS接收機(jī)、UTC接收機(jī)、專用的時(shí)鐘信號(hào)線路等）對(duì)各個(gè)局部時(shí)鐘進(jìn)行同步，操作對(duì)象往往是計(jì)算機(jī)的硬件時(shí)鐘。硬件時(shí)鐘同 步可以獲得很高的同步精度（一般為10-9秒至10-6秒），但需引入專用的硬件時(shí)鐘同

38、步設(shè)備，成本較高且不易安裝。硬件同步方法適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在一個(gè)大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)中完全采用硬件 同步方法是不現(xiàn)實(shí)的。2）軟件時(shí)鐘同步。軟件時(shí)鐘同步是利用時(shí)鐘同步算法進(jìn)行的節(jié)點(diǎn)局部時(shí)鐘之間的同步。軟件 時(shí)鐘同步工作量很大，且節(jié)點(diǎn)間的同步偏差容易積累。更重要的是，同步信息在廣域網(wǎng)上傳輸時(shí)的延遲大且有很大的不確定性，這使得軟件同步可以達(dá)到的精度比較低，通常為10-6秒至10-3秒。但是，由于軟件同步的操作對(duì)象通常是各節(jié)點(diǎn)的邏輯時(shí)鐘，一般并不需要對(duì)結(jié)點(diǎn)的硬件時(shí)鐘進(jìn)行操作，所以軟件同步更加靈活，成本也比硬件同步低。3）混合時(shí)鐘同步。混合時(shí)鐘同步是把硬件時(shí)鐘同步和軟件時(shí)鐘同步的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來?；旌蠒r(shí)

39、鐘同步主要有兩種：一種是基于軟件時(shí)鐘同步的。這種同步方法是在原有的軟件同步方法中引入專 用的硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)原來由軟件時(shí)鐘同步算法完成的功能。另外一種是分層式混合同步。該方案將 大規(guī)模分布式系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)網(wǎng)段。在每個(gè)網(wǎng)段設(shè)置一個(gè)結(jié)點(diǎn)為時(shí)間服務(wù)節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)上引入GPS和UTC接收機(jī)及其相應(yīng)的時(shí)鐘接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段的時(shí)鐘同步。然后，在每個(gè) 網(wǎng)段內(nèi)部通過軟件同步方法使本網(wǎng)段中其它結(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘與本網(wǎng)段內(nèi)時(shí)間服務(wù)結(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，從而 實(shí)現(xiàn)整個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步?；旌贤椒桨傅耐骄纫话阋扔布r(shí)鐘同步低，但卻比軟件 時(shí)鐘同步高，且實(shí)現(xiàn)成本可以接受。實(shí)際中常采用混合時(shí)間同步，把硬件時(shí)間同步

40、和軟件時(shí)間同步 的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。1.1傳統(tǒng)的時(shí)間同步圖2典型的傳統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)傳統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用圖4所示。圖中的時(shí)間服務(wù)器一般集成有GPS等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，相應(yīng)的配置也較高；現(xiàn)場設(shè)備一般情況下通過IOM/IOOM以太網(wǎng)與時(shí)間服務(wù)器保持時(shí)間同步，其精度為10毫秒到秒級(jí)不等，部分應(yīng)用（如快速響應(yīng)系統(tǒng)）可能要求達(dá)到1毫秒的級(jí)別甚至更高。為了解決時(shí)間同步問題，同時(shí)也充分利用網(wǎng)絡(luò)性能，傳統(tǒng)采用的方法為：整秒時(shí)由時(shí)間服務(wù)器 在以太網(wǎng)上發(fā)送時(shí)碼信息，網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)時(shí)間客戶接收該時(shí)碼信息，再校正各自機(jī)器的系統(tǒng)時(shí)間。經(jīng)過測算，設(shè)備采用這種方法對(duì)準(zhǔn)時(shí)間后，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，誤差在 1100 毫秒之間。

41、網(wǎng) 絡(luò)流量越大時(shí)間誤差也越大，發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)越多，沖突的機(jī)會(huì)也越多，延時(shí)也越大。網(wǎng)絡(luò)流量的 差異是造成這種延時(shí)的主要原因，但這類延時(shí)又是不定的，因此，無法對(duì)這種延時(shí)差異進(jìn)行補(bǔ)償。綜上所述， 傳統(tǒng)的同步方法對(duì)時(shí)間精度要求較高的控制網(wǎng)絡(luò)來說， 無法滿足其時(shí)間同步的需要。1.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議目前可以用于網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的協(xié)議主要有： 時(shí)間協(xié)議 （Time Protocol ，簡稱 TP） 、日期時(shí)間協(xié)議 （Daytime Protocol,簡稱DP）、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol ,簡稱NTP）以及簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 （Simple Network Time Protocol，

42、簡稱SNTP）。時(shí)間協(xié)議和日期時(shí)間協(xié)議都只能表示到秒，而且沒有估算網(wǎng)絡(luò) 延時(shí)，同步精度較低，目前在工程中應(yīng)用較少。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 NTP（Network Time Protocol ）是用于互聯(lián)網(wǎng)中時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要開發(fā)者是美國特拉華大學(xué)的David L.Mills教授。NTP的設(shè)計(jì)充分考慮了互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間同步的復(fù)雜性，提供的機(jī)制嚴(yán)格、實(shí)用、有效，適應(yīng)在各種規(guī)模、速度和連接通路情況的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下工作。NTP本身基于 UDP/IP ，使用層次式時(shí)間分布模型， 具有相當(dāng)高的靈活性， 可以適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。 NTP 不僅校正現(xiàn)行時(shí)間，而且持續(xù)跟蹤時(shí)間的變化，能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故

43、障，也能維持 時(shí)間的穩(wěn)定。 NTP 產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷甚少，并具有保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)對(duì)措施，可以在互聯(lián)網(wǎng)上獲取可 靠和精確的時(shí)間同步，并使 NTP 成為互聯(lián)網(wǎng)上公認(rèn)的時(shí)間同步工具。目前，在通常的環(huán)境下，NTP提供的時(shí)間精確度在 WAN 上為數(shù)十毫秒，在 LAN 上則為毫秒級(jí)，在專用的時(shí)間服務(wù)器上，則精確 度更高。國外現(xiàn)在普遍使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議和簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議提供時(shí)間同步服務(wù)，已有300 多個(gè)一級(jí)時(shí)間服務(wù)器分布在澳大利亞、加拿大、法國、德國、美國、英國等國家。國內(nèi)在一些有條件的重 點(diǎn)高校和研究單位也建立了自己的一級(jí)時(shí)間同步服務(wù)器。SNTP 是 NTP 的一個(gè)子集，數(shù)據(jù)包格式與 NTP 兼容，它的精確度

44、為秒級(jí)。適用于時(shí)間精確度低 于 NTP 的客戶機(jī)，并強(qiáng)烈建議僅限于使用在時(shí)間同步網(wǎng)的終端位置。SNTP 的實(shí)現(xiàn)比較簡單，尤其是對(duì)于 Client 側(cè)的實(shí)現(xiàn)。一些商用的操作系統(tǒng)（如 Windows 操作系統(tǒng)）直接支持 Client 端的 SNTP 協(xié)議。2 IEEE 1588 同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)隨著工業(yè)現(xiàn)場控制的規(guī)模越來越大，自動(dòng)化程度越來越高，對(duì)監(jiān)控和控制的同步性和實(shí)時(shí)性提 出了越來越高的要求。此時(shí)，一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織開始研究設(shè)備之間，尤其是測量和控制設(shè)備 之間的時(shí)鐘同步技術(shù)。在此背景下，美國的一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織發(fā)起成立了一個(gè)特別委員會(huì)， 專門針對(duì)設(shè)備之間， 尤其是測控設(shè)備之間的時(shí)鐘同步問題

45、進(jìn)行研究。 經(jīng)過長時(shí)間的不斷探索和試驗(yàn)， 取得了一些成果。2001年6月18日，這個(gè)委員會(huì)正式向美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（ IEEE）提交 一份研究方案， 并通過該組織一年多時(shí)間的核準(zhǔn)和論證， 于2002年12月得到批復(fù)， 并正式形成 IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 1588為消除或削弱分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)各個(gè)測控設(shè)備的時(shí)鐘誤差和測控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng) 絡(luò)中的傳輸延遲提供了有效途徑。按照這個(gè)規(guī)范去策劃和設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，其同步精度可以達(dá) 到微秒級(jí)的范圍，從而可以有效地解決分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。IEEE 1588 的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時(shí)鐘與其他時(shí)鐘保持同步，用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采

46、用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒 級(jí)同步。該協(xié)議為小型同構(gòu)或異構(gòu)局域網(wǎng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者特別注意降低資源使用，使其可以在低成本終端設(shè)備上應(yīng)用。2.1 IEEE1588 的使用背景IEEE1588 是一種在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步的協(xié)議該協(xié)議的目標(biāo)是幫助協(xié)調(diào)分布 式中各系統(tǒng)的行動(dòng)以及相關(guān)數(shù)據(jù)這些應(yīng)用在測試和工業(yè)自動(dòng)化等相關(guān)環(huán)境是相當(dāng)普遍的。在測試和控制領(lǐng)域中，最近十年出現(xiàn)了以下趨勢(shì) :1、系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)間協(xié)調(diào)要求越來越苛刻2、分布式系統(tǒng)越來越流行3、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)使用越來越普遍4、成本要求越來越嚴(yán)格 更加復(fù)雜，性能更高的設(shè)備提高了對(duì)其相關(guān)的測試

47、設(shè)備要求采用分布式結(jié)構(gòu)可以幫助提高系統(tǒng) 的性能，以及簡化各應(yīng)用控制器或設(shè)備的任務(wù)量（通過將應(yīng)用任務(wù)劃分為更小的控制任務(wù)，數(shù)據(jù)獲取任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)，它們分別被各設(shè)備獨(dú)立完成），當(dāng)然這就要求各設(shè)備之間要通過網(wǎng)絡(luò)來交流信息和協(xié)調(diào)工作流程。用 PC 和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上面所提到的趨勢(shì)最主要的障礙是以太網(wǎng)相對(duì)于其他專用總線和直接 I/O 方 法缺乏對(duì)定時(shí)控制的支持， 而 IEEE1588 則能在基于以太網(wǎng)的控制和測試領(lǐng)域提供一種精確時(shí)鐘同步 的服務(wù)盡管自動(dòng)化領(lǐng)域和測試領(lǐng)域有很多不同，但在系統(tǒng)級(jí)的控制和定時(shí)問題上它們卻是非常相似 的，如在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域時(shí)鐘同步精度要達(dá)到 100ns 的級(jí)別目前在能源工業(yè)中的幾個(gè)

48、主要領(lǐng)域已經(jīng)廣 泛采用 IEEE1588 。2.2 IEEE 1588 的特點(diǎn)1、始終控制精度至少在微秒級(jí)，在硬件的幫助下能達(dá)到納秒級(jí)。2、對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備計(jì)算能力、硬件資源的要求較低，這意味著它可以被應(yīng)用到包含低端和高端的 所有設(shè)備。3、實(shí)現(xiàn) IEEE1588 的子網(wǎng)只需要很少的管理開銷，甚至不需要管理功能（單個(gè)子網(wǎng) ）。4、除了以太網(wǎng)以外， IEEE1588 還可以在通用的價(jià)格便宜的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，這就方便在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 中實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。5、被公布為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，便于生產(chǎn)商對(duì)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)和交流。為了使協(xié)議實(shí)現(xiàn)更加簡單， IEEE1588 使用 IP 進(jìn)行多播，所以除了以太網(wǎng)以外的支持多播的其 他總線系統(tǒng)都

49、能實(shí)現(xiàn) PTP,但I(xiàn)P地址的管理功能不需要在 PTP節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)（地址解析等）。2.3 IEEE 1588 的同步原理2.3.1 IEEE 1588 時(shí)鐘和報(bào)文IEEE 1588 將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)鐘分為兩種，普通時(shí)鐘OC （ Ordinary Clock ）和邊界時(shí)鐘 BC（Boundary Clock ），只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每個(gè) PTP 端口提供獨(dú)立的 PTP 通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如 交換機(jī)和路由器上。從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現(xiàn)主時(shí) 鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè) PTP

50、 通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個(gè)主時(shí)鐘。包含時(shí)鐘的節(jié)點(diǎn)典型分布式系統(tǒng)圖 如圖 5 所示。普通時(shí)鐘通過單一通信通道與其他時(shí)鐘通信。如圖 5中， 1到 4節(jié)點(diǎn)的各時(shí)鐘通過單一通信通道A互相通信。邊界時(shí)鐘，如圖5中的節(jié)點(diǎn)13,可以與多組時(shí)鐘通信（例如 ：節(jié)點(diǎn)組1、2、3和4通過A通道，節(jié)點(diǎn)組5、6、7、8和14通過B通道，節(jié)點(diǎn)15通過D通道）。邊界時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘間 的通信通過通道 3和通道D來實(shí)現(xiàn)，通道3位于邊界時(shí)鐘13和14之間，通道 D位于邊界時(shí)鐘13 和15之間。PTP通信通道拓?fù)鋱D形成的是一個(gè)非循環(huán)的結(jié)構(gòu)，也就是在任何一對(duì)PTP時(shí)鐘之間都不存在交替的PTP通信通道。舉例來說，圖3.1中包含13、14、

51、15節(jié)點(diǎn)的循環(huán)通道是被禁止的。PTP協(xié)議可以通過改變邊界時(shí)鐘上的端口的狀態(tài)（置為PTP_PASSIVE ）將循環(huán)圖改為非循環(huán)圖。PTP通信通道A圖3同步時(shí)鐘典型系統(tǒng)每個(gè)PTP端口有9種狀態(tài)，最主要的是 PTP_MASTER、PTP_SLAVE、PTP_PASSIVE。端口狀態(tài)由狀態(tài)選擇算法決定。每個(gè)時(shí)鐘屬性中都包含時(shí)鐘級(jí)別：包括校準(zhǔn)原子鐘ATOM、無線時(shí)鐘、NTP時(shí)鐘源等，有著不同的精度和分辨率。整個(gè)系統(tǒng)中的最優(yōu)時(shí)鐘為最高級(jí)時(shí)鐘GMC（Gra ndmasterClock），有著最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘算

52、法（Best Master Clock Algorithm）來自動(dòng)選擇各 PTP域內(nèi)的主時(shí)鐘。在只有一個(gè) PTP域的系統(tǒng)中，主時(shí)鐘就是GMC。每個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè) GMC，且每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主時(shí)鐘。典型的主從時(shí)鐘配置如圖6所示。端口狀態(tài)：master、slave or passiveMM節(jié)點(diǎn)k S節(jié)點(diǎn)名稱圖4主從時(shí)鐘配置圖其中節(jié)點(diǎn)5被指定為GMC，由其作為根節(jié)點(diǎn)，其他時(shí)鐘形成非循環(huán)的父子關(guān)系如圖7所示。PTP域中各節(jié)點(diǎn)根據(jù)最佳時(shí)鐘算法被指定為九種狀態(tài)之一，各從時(shí)鐘通過同步機(jī)制與主時(shí)鐘保持同步。PTP通信中的報(bào)文包括同步報(bào)文，跟隨報(bào)文，延遲請(qǐng)求報(bào)文，延遲應(yīng)答報(bào)文和管理報(bào)文。各PTP數(shù)據(jù)報(bào)文的報(bào)頭部

53、分是固定的，包括版本信息、子域名稱、報(bào)文類型、發(fā)出報(bào)文的端口ID、控制字段等11個(gè)字段。報(bào)頭之后的字段根據(jù)報(bào)文類型的不同而有所不同：其中，同步報(bào)文和延遲請(qǐng)求報(bào)文包 括報(bào)文發(fā)送時(shí)的起始時(shí)間戳、GMC節(jié)點(diǎn)各屬性、本地時(shí)鐘各屬性、父時(shí)鐘屬性、主時(shí)鐘方差和偏移估計(jì)值等23個(gè)字段，隨后報(bào)文主要包括相關(guān)同步報(bào)文更精確的發(fā)送時(shí)間戳字段，延遲應(yīng)答報(bào)文包括延遲請(qǐng)求報(bào)文接收時(shí)間戳、相關(guān)延遲請(qǐng)求報(bào)文發(fā)出端口的屬性等5個(gè)字段。圖5時(shí)鐘父子關(guān)系圖主時(shí)鐘將同步報(bào)文以多播方式周期性地發(fā)送給從時(shí)鐘，此報(bào)文包含該同步報(bào)文放到網(wǎng)絡(luò)上的時(shí) 間估計(jì)值。在更為精確的應(yīng)用中，主時(shí)鐘還包括檢測機(jī)制來產(chǎn)生時(shí)間戳，該時(shí)間戳的時(shí)間是同步報(bào) 文放

54、到網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)際時(shí)間，包含在隨后報(bào)文中。在以太網(wǎng)中，放置此檢測器的理想位置是PHY芯片的Mil接口，這樣可以避免協(xié)議棧上部較大的時(shí)間抖動(dòng)。如果主時(shí)鐘配置檢測機(jī)制，則主時(shí)鐘在隨 后報(bào)文中向所有從時(shí)鐘發(fā)送此精確時(shí)間戳。若從時(shí)鐘接受同步報(bào)文，如果也有檢測機(jī)制，則對(duì)同步 報(bào)文的到達(dá)進(jìn)行檢測和產(chǎn)生時(shí)間戮，從時(shí)鐘的IEEE 1588代碼用這些信息來校正從時(shí)鐘的時(shí)間。232 IEEE 1588 時(shí)鐘同步機(jī)制PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時(shí)的最精確的匹配時(shí)間，每個(gè)從時(shí)鐘通過與主時(shí)鐘交換 同步報(bào)文而與主時(shí)鐘達(dá)到同步。這個(gè)同步過程分為兩個(gè)階段：偏移測量階段和延遲測量階段。第一階8所示。段修正主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間

55、的時(shí)間偏差，稱為偏移測量，如圖主時(shí)鐘Tm=1050從時(shí)鐘Ts=1000TM1=1051TM2=1053傳輸延遲Delay=11同步報(bào)文I跟隨報(bào)文（含TM1）Ts=1001未知TS1=1002T偏移量: T offset =TS1-TM1-Delay=1002-1051-0=-49w調(diào)整時(shí)間：Ts-Tffset=Ts-(-49)同步報(bào)文跟隨報(bào)文（含 TM2）Ts=1052TS2=1053偏移量=TS2-TM2-Delay=1053-1053-0=0圖6偏移測量在修正偏移量的過程中，主時(shí)鐘按照規(guī)定的間隔時(shí)間（缺省是2秒）周期性地以多播方式向從時(shí)鐘 發(fā)出時(shí)鐘同步報(bào)文：同步報(bào)文包括該報(bào)文離開主時(shí)鐘的時(shí)

56、間估計(jì)值TM1，該值包含在同步報(bào)文的originTimestamp字段中，從時(shí)鐘測量接收的準(zhǔn)確時(shí)間TS1。之后，主時(shí)鐘發(fā)出第二條報(bào)文跟隨報(bào)文（Follow Up Message），此報(bào)文與同步報(bào)文相關(guān)聯(lián)，且包含同步報(bào)文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計(jì)值，該值包含在隨后報(bào)文的preciseOriginTimestamp字段中。從時(shí)鐘根據(jù)同步報(bào)文和隨后報(bào)文中的信息來計(jì)算偏移量，然后按照這個(gè)偏移量來修正從時(shí)鐘的 時(shí)間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個(gè)時(shí)鐘就會(huì)同步。偏移值的計(jì)算公式是：T offset =TS1-TM1-Delay其中，Toffset是偏移值，TS1是從時(shí)鐘收到同步報(bào)文的時(shí)間戳，TM1是主時(shí)鐘發(fā)出同步報(bào)文的時(shí)間戳（如果同步報(bào)文字段中允許隨后報(bào)文，則TM1為隨后報(bào)文中的精確時(shí)間戳。否則，TM1為同步報(bào)文中的時(shí)間戳），Delay是時(shí)鐘同步報(bào)文在通信路徑上的傳輸延遲，在偏移測量階段，報(bào)文傳輸延 遲未知，先假設(shè)傳輸延遲為0。圖8中對(duì)時(shí)間單位進(jìn)行了量化處理，則Toffset=1002- 1051-0=-49。從時(shí)鐘根據(jù)偏移值 Toffset來修正本地時(shí)鐘。本地時(shí)鐘Ts-Tofset=Ts+