基于PTP协议的铁路时间同步网络同步技术研究

邹昕洋,张友鹏

(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070)

时间同步技术在测试控制系统、电力系统及自动化领域等分布式系统得到了广泛的应用。随着高速铁路的发展，列车运行速度不断提高，铁路系统也应建立自己的时间同步，铁路时间同步网技术条件在2015年提出[1，2]。为了保证铁路中铁路总公司、铁路局、铁路各站段和列车之间所传递信息的一致性，考虑到铁路各系统的调度和控制点的实时性，铁路系统对时间同步技术的要求变得尤为重要，因此，寻求一种高精度、稳定的时间同步技术有助于提高铁路时间同步网时间同步精度，从而提高各系统之间的运行效率和可靠性。

铁路时间同步网包括铁路运输系统、铁路信号系统和其他系统。时间同步精度在各系统中的地位至关重要，在缺乏时间同步机制的铁路系统中，由于人为因素、网络病毒、机器时钟本身等因素在同步校时过程中都会影响同步精度从而影响列车运行安全[3-5]。

近年来开展的铁路时间同步方案中，铁路时间同步网中的时间同步技术一般采用NTP协议、1PPS+TOD、IRIG-B等时间同步技术，但为了满足铁路的快速发展要求和时间同步精度，必须采用一种高精度时间同步技术。本文提出采用PTP协议应用在铁路时间同步网中，较好地解决了时间同步精度问题，并在仿真中验证了PTP协议在铁路时间同步网中的可行性。

PTP协议是一种精准时间同步协议，同步时间戳可由硬件获得，PTP协议集成了多种通信和分布式对象等多项技术，适用于分布式系统和以太网传输。文献[6]在电力系统中提出PTP协议的应用并建立相关的同步方案；文献[7]对NTP和PTP同步过程进行介绍并分析了两种协议所存在的误差；文献[8]基于NTP对铁路时间同步网的建模和性能比较作出分析。本文基于以上研究提出在铁路时间同步网系统中运用PTP同步技术，并在OPNET仿真下建模分析各铁路局与铁路总公司之间同步情况。

1 PTP协议

2002年提出的IEEE 1588协议定义了一个能够在测试和控制系统中实现高精度时钟同步协议—精准时间同步协议(PTP)，该协议适用于以太网中，并且将网络通信、时间点计算和分布式对象等技术集成在一起，其同步精度可达到亚微秒级。PTP协议大多应用在电力、自动控制领域等，定义主从方四种报文Sync、Followup、DelayReq和DelayResp，通过计录报文传输时间戳，完成PTP传输[9]。PTP协议可以满足当前绝大部分分布式网络系统的同步要求。

1.1 PTP工作原理

PTP(Precision Time Protocol)是一种通过报文传送建立主从时钟联系的精确时间同步技术，PTP主要采用分层的主从模式以及建立时间戳机制进行交互报文，对时间戳进行编码再进行传送，记录主从时钟时间戳时间并进行计算，从而进行校准时间。IEEE1588定义两种时钟，普通时钟和边界时钟，普通时钟和边界时钟区别在于定义PTP端口的时钟个数，从通信关系上来看PTP协议采用主从时钟方式通信[10-11]。

PTP同步的基本原理如下：主时钟和从时钟之间通过报文传输并记录报文的收发时间，从而通过传递的四个时间戳进行计算主、从时钟之间的往返延迟时间[12]。PTP同步过程如图1所示。

图1 PTP服务器与客户端对时工作原理示意

(1)主时钟(Master)在T1时刻时向从时钟(Slave)发送Sync报文，Slave则在T2时刻接受到该报文。

(2)在Sync发送后，随后Master会发送一个跟随报文(Follow up)，该报文包含Sync的时间戳T1，在跟随报文传输后记录时间戳T2，该时刻包含主时钟端传输的时间戳。

(3)从时钟(Slave)在接收到主时钟报文后记录并向主时钟(Master)发送Delay_Req报文，在报文离开从时钟时记录时间T3，报文在到达主时钟后记录时间T4。

(4)主时钟(Master)在T4时刻接受到Delay_Rep报文后，对从时钟(Slave)响应一个Delay_Resp时延报文，该报文包括T3时间戳和离开主时钟报文的T4时间戳。

根据发送接收的4个时间戳可以计算出主、从时间的往返总延时(delay)和时间偏差(offset)。

T1+delay1+offset=T2

(1)

T3+delay2-offset=T4

(2)

在式(1)和式(2)中，合理的假设通信传输路径是对称的，即delay1=delay2=delay

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

(3)

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

(4)

2 PTP算法

最佳时钟算法(BMC)是用来通过时钟比较从同步系统中筛选出最精准的时钟，并将其作为整个网络的主时钟，而其他的时钟则作为系统的从时钟。在同步网络中，最佳时钟算法由两部分构成，一个是数据集比较算法，该算法用于将不同优先级的数据所构成的集合进行比较，得到最优的集合[13]；而另一个是状态决定算法，根据被选出来的主时钟数据集来更新本地数据集及更新每个时钟PTP状态，最后在报文交互完成后进行时钟校正和时间调整。整体算法流程如图2所示。

图2 PTP协议算法处理流程

最佳时钟算法由两部分算法组构成。

状态决定算法：PTP时钟端口状态被分为PTP_INITIALIZING、PTP_MASTER、PTP_SLAVE等9种不同的状态，该算法根据本地时钟的信息和链路上接收到的时钟数据，来确定本地端口当前的工作状态。

数据集比较算法：为状态决定算法提供数据支撑，用来统计两个相关端口二进制关系，算法流程如图3所示。

图3 数据集比较算法流程

3 铁路时间同步网

我国铁路时间同步网分为地面时间同步和列车时间同步两个部分。地面时间同步网采用三级树状传输网络结构，一级时间同步设备设置在铁路总公司调度指挥中心，二级时间同步设备设置在铁路局，三级时间同步设备设置在各站、段。铁路时间同步网的授时技术采用GPS/北斗授时技术提供世界协调时间(UTC)，二、三级时间同步节点可通过光纤接收来自上级传输的时间信息，用来校准自身时钟[14]。

在接收到GPS/北斗系统时间信号后，通过传输网承载传输到二级同步节点的母钟，二级母钟接收到时间信号进行计算校准时间偏差和时间延迟后更新设备最新时间信息，再通过传输网对三级时间同步节点进行时间信息的传输。当二级时间同步节点接收不到一级传输的时间信号，或中间传输受阻时，铁路局时间同步节点将采用自身的授时系统进行接收时间信号[15-17]，通过逐级向下传输完成同步过程，铁路时间同步网的系统结构如图4所示。

4 仿真与分析

本文采用OPNET仿真软件，建立铁路时间同步网的网络模型，节点模型和所运行的进程模型，模拟铁路总公司到铁路局和铁路各站、段之间同步进程。模拟内部报文传输过程，得到进行传输的时间延迟、时间偏差、接收发送量[18]。

图4 铁路时间同步网结构

4.1 铁路时间同步网系统网络模型

铁路时间同步网的网络模型如图5所示，在仿真中模拟12个铁路局15站所对应的节点模型，首先第一级节点对应铁路总公司并包含4个对时服务器两两互为冗余[17]结构，用来接收来自北斗/GPS传输的精确时钟和处理由铁路局和各站发出的对时请求，采用一对多的连接方式，从而向下一级发送时间信息，网络第二级节点为铁路局时间同步节点模拟12个铁路局时间同步节点作为中间节点连接一级和三级时间同步节点，第三级为所辖车站时间同步节点并对应15个客户端向对时服务器发出对时请求，系统网络模型中链路采用点对点的通信方式[19，20]。

图5 铁路时间同步网网络模型

4.2 PTP仿真子进程模型

PTP仿真子进程主要负责铁路时间同步网的时间同步过程，当完成时间同步过程系统再进行其他数据发送，如图6所示为PTP仿真子进程模型，首先初始化状态(init)需要完成模型属性的读取和相应参数的设置，随后进行报文传输(SYNC_TIME)、(FOLLOW_UP)、(SYNC_PK_ARRIVAL)、(FOLLOW_PK_ARRIVAL)分别执行PTP协议的协议传输，仿真模型以(idle)作为各个报文传输的核心，当PTP协议失步时切换到(MAINTENANCE_END)异步状态，则需要结束PTP协议的同步。当完成时间同步过程后，系统再进行其他业务传输。

图6 PTP协议子进程模型

4.3 仿真结果分析

在仿真中将同步检查时间(sync check duration)设置成60 s，同步维持时间(sync maintenance time)设置为50 s，在仿真过程中间隔60 s时系统检查同步一次，以防系统处在失步状态。设置仿真时间1 000 s，针对内部铁路局和铁路总公司的报文交互情况作出仿真得出结果如图7所示。在第60 s时铁路局14，15节点开始进行时间同步，由于实际同步距离不同14和15节点初始时间偏差出现差异约为80 μs和500 μs，当仿真到1 000 s时，第14，15节点时间同步完成后时间延迟约为1 630，1 600 μs。时间偏差约为100，170 μs。

图7 铁路局的时间偏差和传输延迟

铁路时间同步网系统的全局统计结果在主从时钟端的收发量为12 000，每60 s铁路时间同步网的铁路局客户端就向铁路总公司发送同步请求构成同步，当系统失步时收发量又回到0。系统整体传输量情况如图8所示。铁路时间同步网的全局时间延迟统计结果约为1 600 μs，时间偏差统计结果均值约为130 μs，铁路时间同步网全局仿真结果如图9所示。

图8 铁路时间同步网收发过程

图9 铁路时间同步网全局统计结果

5 结论

采用PTP协议应用在铁路时间同步网中，本文在OPNET中分别对整体和局部铁路局同步节点进行仿真，最终得到全局时间延迟约为1 600 μs，时间偏差约为130 μs，同步精度可达到微秒级，符合铁路时间同步精度的要求。并将同步结果与文献[16]的结果相对比，应用PTP协议的时间同步精度有大幅度提高，验证了PTP协议在铁路时间同步网中的可行性。