IEEE1588v2时钟同步技术在战术信息系统中的应用

杜慧琦 刘 玥 刘 博 冀 臻 王 琦

(北方自动控制技术研究所 山西 太原 030006)

IEEE1588v2时钟同步技术在战术信息系统中的应用

杜慧琦 刘 玥 刘 博 冀 臻 王 琦

(北方自动控制技术研究所 山西 太原 030006)

随着速度大于4马赫的超高速导弹技术的逐步成熟，针对超高速导弹突防的相应防空导弹、卫星通信、雷达组网等领域都对时间同步精度提出更高要求。将用于工业控制以及测量领域的高精度时间协议—IEEE1588v2协议引入战术信息系统中。在简单介绍IEEE1588v2协议的基础上，设计基于该协议的软件实现方案；通过同步性能测试和PTP报文分析，验证该方法的可行性，为战术信息系统中的时钟同步技术研究提供参考；分析影响精度的因素和提高精度的方法。实验结果表明，主从时钟同步的精度稳定在30 μs左右，满足战术信息系统对时钟同步精度的要求。

战术信息系统 IEEE1588v2 时钟同步 PTP 精度

0 引 言

近年来，伴随信息技术的快速发展，战术信息系统在现代化战争中的作用日益显著。网络化作战条件下，自动化设备不断增多，同步网是保证战术信息系统正常工作的支持系统之一，为网内控制和通信设备提供同步信号[1]。随着目标速度越来越高，战术信息系统对时钟同步的要求也逐渐提高。目前，战术信息系统中时钟同步一般采用两种实现方式：时钟传递和时钟保持技术。时钟传递技术是将时间基准准确地传递到各战术节点。具体解决思路是在军用通信网络的某个节点注入时间同步信息，其他节点跟踪该同步源，实现时间信息的高精度传递功能，达到所有节点之间的时间同步。时钟保持技术，例如某装备中，某系统的时钟同步方式是利用北斗作为时钟源，实现一次对时，72小时保持精度。本文所用的IEEE1588v2技术属于时钟传递技术。

本文在对IEEE1588v2协议介绍的基础上，设计了一种基于中断方式的软件实现方案，包括PTP引擎模块的设计和时钟伺服模块的设计。通过实验测试，验证了该方法的可行性，并分析了影响时钟同步精度的因素和提高精度的方法。

1 IEEE1588v2简单介绍

IEEE1588协议全称为基于网络测量和控制的精确时钟同步协议标准(IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，也称为PTP(Precision Time Protocol)精确时间协议[2]。2002年，IEEE1588v1标准问世。随着1588v1的应用，IEEE标准委员会针对其不足对v1版本进行了重新修订，2008年，IEEE1588v2标准问世。v2版本相对于v1版本进一步提高了时间同步精度。目前，一种名为“white rabbit”计划的技术正在接受评估，以加入新一代高精度时间协议标准(IEEE1588v3)中。IEEE1588协议是一种高精度低成本的网络时间同步解决方案，它能同步系统内不同精度、不同分辨率和稳定性的时钟[3]。

IEEE1588v2的工作原理是采用主从时钟架构(如图1所示)，对时间信息进行编码，周期性地交换协议报文，利用网络的对称性和延时测量技术，计算出时间偏差(delay)和传输延迟(offset)并以此来修正本地时钟，从而达到主从时钟的同步[4]。

图1 延迟请求响应机制

由图1可知，报文交换的一个周期结束后，从时钟会得到四个时间戳t2、t1、t3、t4。

假定主从时钟之间的消息往返时间延迟是对称的，即delay1=delay2=delay，则主从时钟之间的传输延迟delay为：

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

主从时钟之间的时间偏差offset为：

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

从时钟根据传输延迟和时间偏差的值就可以进行时间校正，实现时间同步。

2 IEEE1588v2软件实现

在对IEEE1588v2协议研究的基础上，设计了基于软件(中断方式)时间戳的协议软件实现方案，如图2所示。其中，内核负责底层驱动、标记时间戳和维护内核时钟，应用层中主要运行PTP引擎、时钟伺服模块和其他应用程序[5]。PTP引擎起到核心作用。

图2 软件系统设计

2.1 PTP引擎模块的设计

本文通过移植开源的PTPv2软件包来保证PTP引擎的软件实现。如表1所示，对该软件包进行简单介绍。

表1 PTPv2软件包主要程序介绍

续表1

2.2 时钟伺服模块的设计

时钟伺服模块使用一系列时间偏移估计来协调本地从时钟与参考主时钟时间一致。图3是PTP时钟伺服的示意图。

图3 时钟伺服示意图

如图3所示，时钟伺服模块主要由加法器、滤波器和比例积分控制器等组成。单向延时用IIR滤波器滤波，主从偏移用FIR滤波器滤波，PI控制器则根据滤波后的主从偏移和同步间隔对时钟进行调整。

PTP时钟伺服模块设计时需要考虑三个特性：第一个是闭环响应，包括收敛和稳定，可接受的初始收敛周期通常为分钟。第二个特性是时间误差，这代表时间相关的应用程序，在任何给定的时间点，需要两个时钟读取相同的时间。第三个特性是速率误差，这表示时间相关的应用程序需要两个时钟在给定时间段内以相同速率前进。[6]

3 时钟同步性能测试

本文将IEEE1588v2协议引入战术信息系统中以提高其时钟同步精度，增强装备作战能力。为了验证该方法的可行性，进行了相关的实验研究。

PTP协议的机制是在主、从两个节点间实现时间同步，为简化开发环境，本文在一台计算机上安装两个虚拟Linux系统，作为主机和从机节点，主从机之间利用虚拟网络进行通信，分别为主机和从机开发调试PTP协议软件。虚拟机选择VMware Workstation 10.0，Linux系统选择Ubuntu 14.04 LTS。

3.1 PTP报文验证

时钟同步测试时，首先需要判断发送的报文是否符合PTP协议。实验中，用wireshark软件来截取报文验证。如图4所示。

图4 PTP报文截取

从图中可以看出，报文的各项信息和报文的发送顺序都符合IEEE1588v2协议。

3.2 主从偏移

主从偏移的结果通过串口打印输出。这里在PTP程序里增加串口打印主从时钟偏移的功能模块。运行程序，结果如图5所示，单位为ns。可以看到，主从时钟偏移保持在30 μs左右。

图5 串口输出主从偏移

4 影响同步精度的因素和提高精度的方法

4.1 边界时钟

在计算Delay和Offset时，我们假定主从时钟之间的消息往返时间延迟是对称的，但是在实际的战术通信网络中，这种时延往往是不对称的。在大型战术通信网络中，Delay在报文传输过程中的差异会越来越大，严重影响同步精度[7]。为解决时延的非对称性，可在主从时钟之间布置边界时钟BC，其中一个端口作为SC，与主时钟相连，其他端口作为MC，将时间信息传递给终端的SC或者下一级BC，逐级同步，减小非对称性的影响[8]。

4.2 透传时钟

当主从时钟相距较远时，节点和节点之间通过BC连接，容易产生积聚误差。另一方面，网络中的抖动和路径延迟都是不可避免的。为了解决上述问题，IEEE1588v2提出了透传时钟TC的概念。E2E透传时钟可以测量PTP事件消息经过透传时钟的驻留时间。P2P透传时钟不同于E2E透传时钟的是，它不仅可以测量PTP事件消息的驻留时间，还可以测量每个端口到与它相连接的端口(也支持P2P透传时钟)的链路延迟[9]。从时钟根据这些测量值修正本地时钟，从而提高同步精度。

4.3 时间戳的位置

传统的时间同步技术是在软件上打时间戳，可以在应用层，如图6的C点，由于从A点到C点的时延不确定，往往会导致几十毫秒的误差，严重影响时间同步精度。也可以在内核或中断服务程序处打时间戳，如图6的B点。IEEE1588技术提出将时间戳下移到MAC层和物理层之间的MⅡ处，即图6的A点，由支持IEEE1588技术的硬件辅助电路实现，有效提高了时间同步精度。

图6 时间戳产生的位置

4.4 更新间隔

时间同步精度和Sync报文的更新间隔有密切关系，更新间隔越小，精度越高[10]。但是对于窄带战术信息系统而言，更新太频繁，会占用过多的带宽资源，影响其他业务。IEEE1588v2标准中，Sync报文的更新间隔远小于1 s，最高可达到1 000次/s。实际应用中，更新间隔与网络带宽、精度要求有关，一般取2 s。

4.5 “white rabbit”计划

“white rabbit”计划诞生于欧洲核研究机构CERN，是精确时序以太网的扩展和外延，它整合了大量机制，可优化其位于以太网扩展框架内的时序精度，因此可以保留以太网通信结构。此外，“white rabbit”计划还集成了PTP、同步以太网以及数字双路混合器时间差分(DMTD)相位跟踪技术。作为可能会在IEEE1588v3配置文件中得到标准化的技术，其时间同步精度会有所提高，可实现亚纳秒精度。

4.6 其他提高精度的方法

还有其他一些提高精度的方法，比如构建PTP系统时，域的选择不能太大，层级不能太多，否则累积误差会增大，影响同步精度。当网络很大时，应该分成多个域，用边界时钟来互联。另外，后期还可以通过改进算法来提高精度等。

5 结 语

对于战术信息系统而言，有效带宽较窄，IEEE1588v2技术在基本不增加网络负荷的情况下，可以实现现有系统的高精度时钟同步，占用资源少、精度高、成本低、可行性高。实验结果表明，主从时钟的同步精度维持在30 μs左右，满足战术信息系统对时钟同步的需求。

[1] 吴江.同步网在电力通信系统中的应用及探讨[J].电力系统通信,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时钟特性和应用方案[J].信息安全与技术,2015(4):44-45,51.

[4] 徐荣,邹洪强,李允博.分组网络的同步技术[J].电信技术,2009(4):91-94.

[5] 周末.基于IEEE1588v2电力系统时间同步的研究与设计[D].山东:山东大学,2014.

[6] 陈兴敏,康国钦.LXI的精准时间同步触发方式分析[J].电子质量,2008(4):12-14.

[7] 黄治,陈伟,王向群.IEEE1588在工业以太网交换机中的关键应用[J].现代电子技术,2012(23):90-93.

[8] 汪坤,刘华.GPON系统1588时间同步技术的研究与应用[J].电子设计工程,2015(20):56-59.

[9] 关世友.基于IEEE1588协议的LXI时间同步的研究与设计[D].广西:桂林电子科技大学,2011.

[10] 张文超.基于以太网交换机的IEEE1588v2时钟同步协议研究与实现[D].浙江:杭州电子科技大学,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，硕士生，主研领域：时钟同步技术。刘玥，硕士生。刘博，工程师。冀臻，工程师。王琦，工程师。

TP311

A

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