基于IEEE 1588的時鐘同步技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應用
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以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為分布式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用創(chuàng)造了條件。以太網(wǎng)具有成本低、可靠性高、傳輸速度快、通用性強、開放性好、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點。但以太網(wǎng)也存在網(wǎng)絡的確定性、實時性不強等缺陷。隨著系統(tǒng)日益龐大復雜，分布化程度越來越高，對時鐘同步的要求也逐步提高，雖然隨著帶寬的不斷提高以及采用星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)等減少沖突可能的技術(shù)的應用，以太網(wǎng)的確定性、實時性有一定程度的提高，但由于以太網(wǎng)自身沖突檢測的載波幀聽多路訪問(CSMA／CD)機制，設備層和I／O層的數(shù)據(jù)采集與傳輸問題，以及TCP及UDP上的誤差檢測及翻譯障礙等，以太網(wǎng)的實時性問題并未得到根本解決。仍不能滿足精確定時的要求。
網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準IEEE1588適用于以太網(wǎng)、CAN總線和PROFIBUS等。IEEE 1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡內(nèi)所有從時鐘與主時鐘保持同步，該標準定義一種精確時間協(xié)議PTP(Precision rime Protocol)，用于對標準以太網(wǎng)或其他采用多播技術(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備中的時鐘進行微秒級同步。早期的網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)只有軟件，而PTP協(xié)議同時使用硬件和軟件，從而獲得更精確的定時同步。PTP針對相對本地化、網(wǎng)絡化的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對穩(wěn)定的環(huán)境，特別適合于分布式系統(tǒng)在工業(yè)自動化方面的應用。
2 時鐘同步原理
理論上，為每個系統(tǒng)節(jié)點配備GPS模塊可得到精確的時間，這樣系統(tǒng)中所有節(jié)點的時鐘就和標準時間一致。從而達到同步；但分布式系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量大，GPS設備成本高、能耗大，且結(jié)構(gòu)復雜，抗屏蔽性差，且出于安全性考慮排除大規(guī)模使用GPS的時鐘同步方式。而基于以太網(wǎng)的IEEE 1588是通過在分布式系統(tǒng)各節(jié)點間交換時間報文的方法達到整個系統(tǒng)的時間同步。IEEE 1588通過交換報文來確定主時鐘(Master)和從時鐘(Slave)之間的時間偏移及報文傳輸?shù)木W(wǎng)絡延遲。圖1為IEEE 1588原理圖。
由圖1可知，主時鐘的節(jié)點按照定義的間隔時間(缺省是2 s)周期性地向網(wǎng)絡上所有從時鐘節(jié)點發(fā)送“同步報文”(Sync)，同時主時鐘節(jié)點記錄同步報文實際發(fā)送的時間戳，并在隨后的“跟進報文”(Follow-up)中傳送該精確時間戳TM1。這樣，對傳遞和接收的測量與標準時間戳的傳播可以分開。網(wǎng)絡上所有其他從時鐘節(jié)點收到上述報文后，記錄同步報文的接收時間戳TS1，TS1和TM1的偏差中不但包含主從時鐘的時間偏差，還包含未知的報文傳輸延遲，分布式系統(tǒng)中每個節(jié)點在網(wǎng)絡中所處位置、布線方式、布線長度以及目前網(wǎng)絡技術(shù)中的固有問題，也將造成測控數(shù)據(jù)在傳輸過程中的不同延遲。因此需要進一步測量并消除該傳輸延遲。與偏移測量不同，延遲測量是不規(guī)則進行的，從時鐘節(jié)點按照定義的間隔時間(缺省值是4～60 s之間的隨機值)向主時鐘節(jié)點發(fā)送一個“延遲請求”(Dclay Request)報文，同時記錄該報文的實際發(fā)送時間，作為精確的發(fā)送時間戳TS2，而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時間戳TM2，并將該時間戳在隨后的“延遲響應”(Delay Response)報文中發(fā)送給相應的從時鐘節(jié)點。假設網(wǎng)絡延遲是對稱的，則有以下兩式：
式中，τ為報文的傳輸延遲，△為從時鐘相對主時鐘的偏差。
由式(1)和式(2)可求得：
根據(jù)偏差△，調(diào)整從時鐘，實現(xiàn)對時。
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