侯重遠，江漢紅，芮萬智，劉 亮

（海軍工程大學 電氣與信息工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引言

基于網(wǎng)絡的時間同步技術(shù)是電力監(jiān)測網(wǎng)的支撐技術(shù)之一，廣泛應用于同步測量、同步保護、同步控制、合并單元等場合［1-4］，IEC61850 標準也將該技術(shù)作為變電站監(jiān)測網(wǎng)中傳統(tǒng)同步手段的換代技術(shù)［5-6］。

網(wǎng)絡時間同步主要通過NTP（Network Time Protocol）和 PTP（Precision Time Protocol，即 IEEE1588標準）2種技術(shù)途徑實現(xiàn)［7］。目前，電力監(jiān)測網(wǎng)一般使用交換式以太網(wǎng)消除碰撞，提高實時性。NTP技術(shù)的優(yōu)點是不需要交換機中有特殊硬件支持，成本低；但NTP受交換機網(wǎng)絡延遲不對稱性的影響，同步精度一般只能保證ms級［8-9］。PTP則通過在全網(wǎng)所有交換機中植入高精度自守時時鐘，以及在網(wǎng)卡物理（PHY）層植入支持PTP的專用集成電路（ASIC）或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），使同步精度能夠達到1 μs以內(nèi)［10］，適用于相量測量等高精度同步場合。但PTP也存在以下缺點：PTP建立在對以太網(wǎng)ASIC硬件改造的基礎(chǔ)上，因此成本長期居高不下，限制了其廣泛應用；必須全網(wǎng)交換機都支持PTP才能保證同步精度，因此可靠性不及NTP，且時鐘溫度條件苛刻；由于全網(wǎng)交換機必須都支持PTP，因此在高精度測量需求不多的場合，其成本優(yōu)勢不及傳統(tǒng)的串口通信校時、脈沖中斷校時和綜合校時等點對點同步方式［7］。

本文提出了一種可將NTP同步精度提高到17倍的改進協(xié)議 SN-NTP（Switch Networks-NTP），使得同步精度根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的不同可達10～100 μs量級。該協(xié)議不需要增加硬件，只利用大部分工業(yè)網(wǎng)絡交換機都已支持的IEEE802.1p優(yōu)先級排隊功能，因此，與IEEE1588相比具有很大成本優(yōu)勢，在電力監(jiān)測網(wǎng)中可以部分替代IEEE1588。未來隨著1 Gbit/s以及更高速以太網(wǎng)技術(shù)在電力監(jiān)測領(lǐng)域的應用，SN-NTP同步精度將進一步提高到μs級，完全滿足IEC61850所規(guī)定的 5 種級別［7，11］的電氣信號同步需求，具有在電力監(jiān)測領(lǐng)域替代IEEE1588的技術(shù)潛力。

1 NTP時間同步協(xié)議原理

NTP一般采用“客戶端-服務器”方式。如圖1所示，先由客戶端向服務器發(fā)送時間同步請求包，包內(nèi)包含發(fā)送時的本地時間T1；請求包經(jīng)各級交換機傳輸，到達服務器后，服務器立即記錄到達時的本地時間T2；接著服務器再向客戶端發(fā)送回復包，包內(nèi)包含T2以及發(fā)送回復包時的本地時間T3；回復包到達客戶端后，客戶端記錄到達時的本地時間T4，至此完成一次網(wǎng)絡同步通信。

圖1 NTP網(wǎng)絡同步機制Fig.1 NTP synchronization mechanism

設(shè)請求包的網(wǎng)絡傳輸延遲為treq，d，回復包的網(wǎng)絡傳輸延遲為tcnf，d，客戶端與服務器的時鐘偏差為toffset，則客戶端計算自身的時間偏差并以此調(diào)整自身時鐘。

顯然，式（1）成立的前提是傳輸延遲的對稱性，即 treq，d與 tcnf，d相等，但交換式以太網(wǎng)無法保證這一點，因此式（1）會引入同步誤差terror：

即實際的時間同步關(guān)系為：

2 SN-NTP協(xié)議

2.1 NTP同步精度及其改善方法

2.1.1 NTP同步誤差的成因分析

NTP數(shù)據(jù)包在交換機中轉(zhuǎn)發(fā)時，必須等到發(fā)送隊列中正在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀完全傳輸完才能發(fā)出，該等待時間的不確定性造成了同步誤差。具體如圖2所示，當某時刻NTP數(shù)據(jù)包進入發(fā)送隊列時，盡管NTP數(shù)據(jù)包使用了優(yōu)先級機制（IEEE802.1p），但必須等待優(yōu)先級較低的幀“Frame 0”發(fā)送完。

圖2 NTP同步誤差成因Fig.2 Causes of NTP synchronization error

2.1.2 NTP同步精度計算

NTP同步精度可以表示為式（4）。

其中，n為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上所經(jīng)過的交換機個數(shù)。

因以太網(wǎng)最長數(shù)據(jù)包可達1 538 Byte（含幀間間隔 12 Byte），故 max｛twait｝等于發(fā)送 1 538 Byte 的時間（百兆以太網(wǎng)可達 123 μs，千兆以太網(wǎng)可達 12.3 μs），顯然必須減小max｛twait｝才能改善同步精度。

2.1.3 同步精度改善方法

本文通過先發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包，再發(fā)送NTP數(shù)據(jù)包的方式來減小max｛twait｝，從而提高同步精度。具體分以下2步。

a.在NTP數(shù)據(jù)包發(fā)送之前，先連續(xù)發(fā)送18n個長度為88 Byte的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包。所謂轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包是優(yōu)先級低于NTP數(shù)據(jù)包但高于其他數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)最短包，共88 Byte（包含幀間間隔12 Byte和優(yōu)先級標記4 Byte）。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包在交換機中會阻塞除NTP數(shù)據(jù)包之外的其他數(shù)據(jù)包在交換機中的轉(zhuǎn)發(fā)，從而使得NTP數(shù)據(jù)包即將通過的轉(zhuǎn)發(fā)路徑完全被轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包所占據(jù)。

當轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包的發(fā)送數(shù)量為18n（其中，18=［1 538/88］，n為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的交換機數(shù)量）時，可以在最壞的情況下（即轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包在每臺交換機中總是需要等待1 538 Byte傳輸完），確保NTP請求包在傳輸過程中前方總有轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包正在阻塞其他數(shù)據(jù)的傳輸。

b.以最高優(yōu)先級發(fā)送NTP數(shù)據(jù)包，并使其接在所有轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包之后。

由于其他長數(shù)據(jù)包都已被之前發(fā)出的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包所阻塞，因此NTP數(shù)據(jù)包只需等待正在占據(jù)端口的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包（最長88 Byte）被發(fā)送完即可獲得端口，如圖3所示。此時，max｛twait｝僅為發(fā)送88 Byte數(shù)據(jù)包的時間（百兆以太網(wǎng)僅需7.04μs，千兆以太網(wǎng)僅需 0.704μs），由式（4）可知，同步精度約提高到原來的 17倍（1538/88≈17）。

圖3 NTP同步精度改善方法Fig.3 Improvement of NTP synchronization accuracy

2.2 SN-NTP協(xié)議機制

根據(jù)2.1節(jié)原理設(shè)計SN-NTP協(xié)議。SN-NTP協(xié)議的時序如圖4所示，其中，為確保服務器每次只為一個客戶端授時，采用了“SN-NTP請求”、“SN-NTP允許”和“SN-NTP完成”的握手機制，以避免多個客戶端的并發(fā)。

圖4 SN-NTP協(xié)議時序Fig.4 Timing sequence of SN-NTP

SN-NTP客戶端和SN-NTP服務器的流程圖分別如圖5、6所示。

圖5 SN-NTP客戶端流程圖Fig.5 Flowchart of SN-NTP client code

圖6 SN-NTP服務器流程圖Fig.6 Flowchart of SN-NTP server code

2.3 SN-NTP同步精度的計算

根據(jù)網(wǎng)絡拓撲和轉(zhuǎn)發(fā)路徑的不同，不同客戶端與服務器之間的同步精度不盡相同，可由式（5）計算：

其中，n1為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上100 Mbit/s交換機的個數(shù)，n2為1 Gbit/s交換機的個數(shù)。

2.4 SN-NTP對網(wǎng)絡實時性的影響

轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包會對所占端口的其他數(shù)據(jù)包產(chǎn)生阻塞，最大阻塞時間可由式（6）計算：

IEC61850標準根據(jù)采集、控制、保護等應用場合的不同要求，定義了 2～100 ms的網(wǎng)絡延遲要求［7］，這些延遲要求對電力監(jiān)測網(wǎng)具有參考意義，必須根據(jù)實際情況部署SN-NTP，以防止影響電力監(jiān)測網(wǎng)的實時性。

3 SN-NTP同步性能試驗

3.1 試驗環(huán)境

試驗平臺為某船舶電站交流側(cè)綜合監(jiān)測系統(tǒng)測試床，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 試驗環(huán)境Fig.7 Test environment

交流側(cè)A、B、C三相的監(jiān)測設(shè)備分別接入對應的3臺交換機，網(wǎng)絡速率為100 Mbit/s，均支持IEEE 802.1p協(xié)議；3臺交換機之間以彈性分組環(huán)網(wǎng)模式連接，網(wǎng)絡速率為1Gbit/s，B相交換機與C相交換機之間為環(huán)網(wǎng)的冗備鏈路。

SN-NTP客戶端和SN-NTP服務器分別運行于工控機A和工控機B上，2臺工控機分別連接到B相交換機和C相交換機的百兆端口上。由于冗備鏈路的存在，NTP請求包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑為“工控機AB相交換機A相交換機C相交換機工控機B”，NTP回復包則反之。

為測量SN-NTP協(xié)議的同步誤差，本文使用獨立的串口時鐘源通過RS-232串口分別為2臺工控機提供標準時間信號。由于客戶端和服務器的本地時間都已與標準時間同步，故此時兩本地時鐘偏差為 0，即 toffset為 0，根據(jù)式（2）和式（3）得到同步誤差計算公式：

3.2 軟硬件配置

運行SN-NTP客戶端和SN-NTP服務器的工控機均采用x86架構(gòu)，Intel Pentium M 1.6 GHz處理器；網(wǎng)卡芯片為支持IEEE802.1p優(yōu)先級功能的Intel 82575網(wǎng)絡控制器，在試驗中工作于100 Mbit/s全雙工模式；采用Intel 82C54計時器作為同步性能試驗用的本地時鐘。

采用VxWorks 6.6操作系統(tǒng)（評估版）作為客戶端和服務器的軟件平臺；TCP/IP協(xié)議棧采用VxWorks自帶的 WRNS（Wind River Network Stack）。使用 WRNS socket中的setsockopt（）函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)包的IEEE802.1p優(yōu)先級標簽，其中，轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包設(shè)定優(yōu)先級“6”，NTP 數(shù)據(jù)包設(shè)定優(yōu)先級“7”，其他數(shù)據(jù)包均不含優(yōu)先級標簽（即最低優(yōu)先級）。

3.3 試驗步驟、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

NTP與SN-NTP采用相同的試驗步驟和數(shù)據(jù)處理方法：

a.由客戶端發(fā)起一次網(wǎng)絡同步，并根據(jù)式（7）計算同步誤差，同時記錄本地端口負荷；

b.重復測試10 000次，頻率為1 Hz；

c.將端口負荷率分為0～0.1%、0.1%～0.5%、0.5%～1.0%、1.0%～5.0%、5.0%～10.0% 共 5個區(qū)間，分別以 0、1、2、3、4 表示，把 10 000 組同步誤差數(shù)據(jù)按照此區(qū)間分為5組，并分別找出各組中同步誤差的最大值作為該組的同步精度。

NTP協(xié)議的同步精度如圖8所示，SN-NTP協(xié)議的同步精度如圖9所示。

圖8 NTP同步精度Fig.8 Synchronization accuracy of NTP

圖9 SN-NTP同步精度Fig.9 Synchronization accuracy of SN-NTP

分析如下：

a.由圖8可見，NTP同步精度隨網(wǎng)絡繁忙程度的增大而呈現(xiàn)惡化趨勢，但其精度仍在200 μs以內(nèi)，主要原因是由于使用了IEEE802.1p機制；

b.由圖9可見，SN-NTP同步精度為8 μs左右，隨網(wǎng)絡繁忙程度變化僅在5%以內(nèi)浮動，離散性較好；

c.SN-NTP協(xié)議同步精度約為NTP協(xié)議的15～24倍，與理論值（17倍）基本吻合，實測值與理論值的差異主要來自測量誤差、測試時間的充分性、測試代碼執(zhí)行開銷以及模型誤差等因素。

4 結(jié)語

信息網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展與硬件成本大幅降低，是工業(yè)網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展的原動力。在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域，1Gbit/s甚至10Gbit/s以太網(wǎng)正在逐步取代目前100Mbit/s以太網(wǎng)的主流地位。因此，利用成熟通用的網(wǎng)絡硬件，通過軟件算法改進，為工業(yè)網(wǎng)絡需求服務，是本文SN-NTP協(xié)議的出發(fā)點。該方法目前可以達到10～100 μs同步精度，能夠在部分場合替代IEEE1588，在電力監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計中綜合運用這2種技術(shù)將有效降低成本。