1588PTP網絡時鍾服務器（時間同步）技術應用方案
1588PTP網絡時鍾服務器（時間同步）技術應用方案
京准電子科技官微——ahjzsz
1. 概述
1.1. PTP起源
伴隨着網絡技術的不斷增加和發展，尤其是以太網在測量和控制系統中應用越來越廣泛，計算機和網絡業界也在致力於解決以太網的定時同步能力不足的問題，以減少采用其它技術，例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。於是開發出一種軟件方式的網絡時間協議（NTP），來提高各網絡設備之間的定時同步能力。1992年NTP版本的同步准確度可以達到200μs，但是仍然不能滿足測量儀器和工業控制所需的准確度。為了解決這個問題，同時還要滿足其它方面需求。網絡精密時鍾同步委員會於2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標准技術研究所（NIST）的支持，該委員會起草的規范在2002年底獲得IEEE標准委員會通過，作為IEEE1588標准。該標准定義的就是PTP協議（Precision Time Protocol）。
1.2. PTP應用環境
PTP適合用於支持單播，組播消息的分布式網絡通信系統，例如Ethernet。同時提供單播消息的支持。協議支持多種傳輸協議，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2 Ethernet，DeviceNet。協議采用短幀數據傳輸以減少對網絡資源使用，算法簡單，對網絡資源使用少，對計算性能要求低，適合於在低端設備上應用。
1.3. PTP目標
無需時鍾專線傳輸時鍾同步信號，利用現有的數據網絡傳輸時鍾同步消息。降低組建時間同步系統的費用。在提供和GPS相同的精度情況下，不需要為每個設備安裝GPS那樣昂貴的組件，只需要一個高精度的本地時鍾和提供高精度時鍾戳的部件，成本相對較低。采用硬件與軟件結合設計，並對各種影響同步精度的部分進行有效矯正，以提供亞微妙級的同步精度。獨立於具體的網絡技術，可采用多種傳輸協議。
1.4. 時鍾系列的優勢
1.4.1. 高精度授時
性能優化。采用硬件時間戳，背靠背授時精度優於40ns，5跳40%單向流量授時精度優於500ns。利用奇微專有流量預測模型消除網絡突發流量對授時精度的影響；支持IEEE1588-2008 (PTP v2)協議單點，組播授時，支持SNTP/NTP網絡協議授時；更好的解決鏈路對稱性問題。
1.4.2. 適應性強
確保授時精度的前提下，對時鍾同步的網絡條件要求更少。提供多種接口（1PPS-IN/TOD-IN/1PPS-OUT/TOD-OUT/COM/ 10/100/1000M以太網絡接口），能夠適應各種挑戰性環境，比如有線，單跳，多跳，對稱／不對稱，高／中／低等背景流量狀況。授時源的靈活性（50通道GPS接收裝置 ，<10s熱啟動時間，可選北斗授時）
1.4.3. 產品線豐富
時鍾產品線包括主從時鍾，嵌入式主從時鍾板卡，從時鍾PCI板卡，能滿足不同的客戶需求。
1.4.4. 自主知識產權
一直專注於時鍾產品的研發，經過多年的積累，產品具有性能和價格優勢，是國內為數不多的1588時鍾提供商。
2. 需求分析
PTP主時鍾通過（光纖）網絡與奇PTP從端（板卡）進行同步，當中經過3-4個帶光口與電口的普通交換機，同步的精度要求在1us內。PTP從端同步后將1PPS信號穿給傳感器。
3. 解決方案
3.1. 方案的設計原則
3.1.1. 先進性
IEEE 1588v2是新一代時間同步技術，在精度、成本、網絡拓展方面都有着與傳統時鍾不可比擬的優勢。奇微通訊IEEE 1588v2時鍾源自自主知識產權，整個系統選型，軟硬件設備的配置均符合國際指標。
3.1.2. 可擴展性
奇微IEEE 1588v2 系列時鍾產品采用模塊化設計，具有極佳的可擴展性及靈活性。便於系統功能擴充、運行設備的替換、維護，確保系統的高效可靠運行。 可隨時根據需要擴充具有其它功能的軟硬件模塊。
3.1.3. 可管理性
奇微IEEE 1588v2 時鍾支持網絡管理配置與監控，能夠使管理人員方便及時地掌握諸如網絡性能統計、網絡故障等信息，能簡便地對網絡進行統一配置和調整，確保網絡工作在良好狀態。
3.1.4. 穩定性
穩定性對系統的可用性和使用率來說至關重要，如高壓力運行、復雜網絡環境等，我公司設備經權威多項監測符合電力、通信、軍事等專業應用的各項標准。
3.2. 方案
PTP主時鍾通過（光纖）網絡與從時鍾進行同步，當中經過3-4層普通交換機，距離6里內，同步的精度要求在1us內。同步后將1PPS信號穿給傳感器。
方案詳解
授時網絡由一台主時鍾，和 板卡，以及當中經過的交換機及網線光纖組成。主時鍾從GPS衛星上得到時間信號后，通過IEEE1588v2協議包交換，將時間信號經由支持IEEE1588v2的交換網絡傳遞給板卡。板卡得到精准的時間信號后，輸出1pps信號給傳感器。拓撲圖見上。
時間精度方面，支持IEEE1588v2的多跳局域網絡貢獻約+/-500ns的時間誤差（具體值取決於所有IEEE1588v2交換機產生的累積時間誤差），板卡1PPS信號是屬於硬件觸發，時間誤差可忽略不計。因此能夠滿足客戶1us的精度需求。
經測試，本公司時鍾產品正常工作所需的協議交互流量約為10Kbps，即使考慮最壞情況下100個從時鍾信號經由一條路徑傳輸，需要的總帶寬也僅約為1Mbps，在一個100/1000Mbps級別的交換網絡中產生的額外負載約為1%，不會對產生明顯影響。時鍾產生的所有協議包完全符合美國電子電氣工程師協會制定的IEEE1588v2協議，不會對用戶網絡安全產生任何影響。因而本方案符合不對用戶既有網絡業務造成影響的需求。