杜慧琦 劉 玥 劉 博 冀 臻 王 琦

(北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 山西 太原 030006)

IEEE1588v2時(shí)鐘同步技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

杜慧琦 劉 玥 劉 博 冀 臻 王 琦

(北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 山西 太原 030006)

隨著速度大于4馬赫的超高速導(dǎo)彈技術(shù)的逐步成熟，針對(duì)超高速導(dǎo)彈突防的相應(yīng)防空導(dǎo)彈、衛(wèi)星通信、雷達(dá)組網(wǎng)等領(lǐng)域都對(duì)時(shí)間同步精度提出更高要求。將用于工業(yè)控制以及測(cè)量領(lǐng)域的高精度時(shí)間協(xié)議—IEEE1588v2協(xié)議引入戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)中。在簡(jiǎn)單介紹IEEE1588v2協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于該協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)方案；通過(guò)同步性能測(cè)試和PTP報(bào)文分析，驗(yàn)證該方法的可行性，為戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步技術(shù)研究提供參考；分析影響精度的因素和提高精度的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主從時(shí)鐘同步的精度穩(wěn)定在30 μs左右，滿足戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步精度的要求。

戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng) IEEE1588v2 時(shí)鐘同步 PTP 精度

0 引 言

近年來(lái)，伴隨信息技術(shù)的快速發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益顯著。網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)條件下，自動(dòng)化設(shè)備不斷增多，同步網(wǎng)是保證戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)正常工作的支持系統(tǒng)之一，為網(wǎng)內(nèi)控制和通信設(shè)備提供同步信號(hào)[1]。隨著目標(biāo)速度越來(lái)越高，戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求也逐漸提高。目前，戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)中時(shí)鐘同步一般采用兩種實(shí)現(xiàn)方式：時(shí)鐘傳遞和時(shí)鐘保持技術(shù)。時(shí)鐘傳遞技術(shù)是將時(shí)間基準(zhǔn)準(zhǔn)確地傳遞到各戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn)。具體解決思路是在軍用通信網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)注入時(shí)間同步信息，其他節(jié)點(diǎn)跟蹤該同步源，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的高精度傳遞功能，達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。時(shí)鐘保持技術(shù)，例如某裝備中，某系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方式是利用北斗作為時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)一次對(duì)時(shí)，72小時(shí)保持精度。本文所用的IEEE1588v2技術(shù)屬于時(shí)鐘傳遞技術(shù)。

本文在對(duì)IEEE1588v2協(xié)議介紹的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于中斷方式的軟件實(shí)現(xiàn)方案，包括PTP引擎模塊的設(shè)計(jì)和時(shí)鐘伺服模塊的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性，并分析了影響時(shí)鐘同步精度的因素和提高精度的方法。

1 IEEE1588v2簡(jiǎn)單介紹

IEEE1588協(xié)議全稱為基于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制的精確時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol)，也稱為PTP(Precision Time Protocol)精確時(shí)間協(xié)議[2]。2002年，IEEE1588v1標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世。隨著1588v1的應(yīng)用，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)針對(duì)其不足對(duì)v1版本進(jìn)行了重新修訂，2008年，IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世。v2版本相對(duì)于v1版本進(jìn)一步提高了時(shí)間同步精度。目前，一種名為“white rabbit”計(jì)劃的技術(shù)正在接受評(píng)估，以加入新一代高精度時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(IEEE1588v3)中。IEEE1588協(xié)議是一種高精度低成本的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步解決方案，它能同步系統(tǒng)內(nèi)不同精度、不同分辨率和穩(wěn)定性的時(shí)鐘[3]。

IEEE1588v2的工作原理是采用主從時(shí)鐘架構(gòu)(如圖1所示)，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，周期性地交換協(xié)議報(bào)文，利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，計(jì)算出時(shí)間偏差(delay)和傳輸延遲(offset)并以此來(lái)修正本地時(shí)鐘，從而達(dá)到主從時(shí)鐘的同步[4]。

圖1 延遲請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制

由圖1可知，報(bào)文交換的一個(gè)周期結(jié)束后，從時(shí)鐘會(huì)得到四個(gè)時(shí)間戳t2、t1、t3、t4。

假定主從時(shí)鐘之間的消息往返時(shí)間延遲是對(duì)稱的，即delay1=delay2=delay，則主從時(shí)鐘之間的傳輸延遲delay為：

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

主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差offset為：

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

從時(shí)鐘根據(jù)傳輸延遲和時(shí)間偏差的值就可以進(jìn)行時(shí)間校正，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

2 IEEE1588v2軟件實(shí)現(xiàn)

在對(duì)IEEE1588v2協(xié)議研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于軟件(中斷方式)時(shí)間戳的協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)方案，如圖2所示。其中，內(nèi)核負(fù)責(zé)底層驅(qū)動(dòng)、標(biāo)記時(shí)間戳和維護(hù)內(nèi)核時(shí)鐘，應(yīng)用層中主要運(yùn)行PTP引擎、時(shí)鐘伺服模塊和其他應(yīng)用程序[5]。PTP引擎起到核心作用。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PTP引擎模塊的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)移植開源的PTPv2軟件包來(lái)保證PTP引擎的軟件實(shí)現(xiàn)。如表1所示，對(duì)該軟件包進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

表1 PTPv2軟件包主要程序介紹

續(xù)表1

2.2 時(shí)鐘伺服模塊的設(shè)計(jì)

時(shí)鐘伺服模塊使用一系列時(shí)間偏移估計(jì)來(lái)協(xié)調(diào)本地從時(shí)鐘與參考主時(shí)鐘時(shí)間一致。圖3是PTP時(shí)鐘伺服的示意圖。

圖3 時(shí)鐘伺服示意圖

如圖3所示，時(shí)鐘伺服模塊主要由加法器、濾波器和比例積分控制器等組成。單向延時(shí)用IIR濾波器濾波，主從偏移用FIR濾波器濾波，PI控制器則根據(jù)濾波后的主從偏移和同步間隔對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。

PTP時(shí)鐘伺服模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮三個(gè)特性：第一個(gè)是閉環(huán)響應(yīng)，包括收斂和穩(wěn)定，可接受的初始收斂周期通常為分鐘。第二個(gè)特性是時(shí)間誤差，這代表時(shí)間相關(guān)的應(yīng)用程序，在任何給定的時(shí)間點(diǎn)，需要兩個(gè)時(shí)鐘讀取相同的時(shí)間。第三個(gè)特性是速率誤差，這表示時(shí)間相關(guān)的應(yīng)用程序需要兩個(gè)時(shí)鐘在給定時(shí)間段內(nèi)以相同速率前進(jìn)。[6]

3 時(shí)鐘同步性能測(cè)試

本文將IEEE1588v2協(xié)議引入戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)中以提高其時(shí)鐘同步精度，增強(qiáng)裝備作戰(zhàn)能力。為了驗(yàn)證該方法的可行性，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

PTP協(xié)議的機(jī)制是在主、從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，為簡(jiǎn)化開發(fā)環(huán)境，本文在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝兩個(gè)虛擬Linux系統(tǒng)，作為主機(jī)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)，主從機(jī)之間利用虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，分別為主機(jī)和從機(jī)開發(fā)調(diào)試PTP協(xié)議軟件。虛擬機(jī)選擇VMware Workstation 10.0，Linux系統(tǒng)選擇Ubuntu 14.04 LTS。

3.1 PTP報(bào)文驗(yàn)證

時(shí)鐘同步測(cè)試時(shí)，首先需要判斷發(fā)送的報(bào)文是否符合PTP協(xié)議。實(shí)驗(yàn)中，用wireshark軟件來(lái)截取報(bào)文驗(yàn)證。如圖4所示。

圖4 PTP報(bào)文截取

從圖中可以看出，報(bào)文的各項(xiàng)信息和報(bào)文的發(fā)送順序都符合IEEE1588v2協(xié)議。

3.2 主從偏移

主從偏移的結(jié)果通過(guò)串口打印輸出。這里在PTP程序里增加串口打印主從時(shí)鐘偏移的功能模塊。運(yùn)行程序，結(jié)果如圖5所示，單位為ns?？梢钥吹?，主從時(shí)鐘偏移保持在30 μs左右。

圖5 串口輸出主從偏移

4 影響同步精度的因素和提高精度的方法

4.1 邊界時(shí)鐘

在計(jì)算Delay和Offset時(shí)，我們假定主從時(shí)鐘之間的消息往返時(shí)間延遲是對(duì)稱的，但是在實(shí)際的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，這種時(shí)延往往是不對(duì)稱的。在大型戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，Delay在報(bào)文傳輸過(guò)程中的差異會(huì)越來(lái)越大，嚴(yán)重影響同步精度[7]。為解決時(shí)延的非對(duì)稱性，可在主從時(shí)鐘之間布置邊界時(shí)鐘BC，其中一個(gè)端口作為SC，與主時(shí)鐘相連，其他端口作為MC，將時(shí)間信息傳遞給終端的SC或者下一級(jí)BC，逐級(jí)同步，減小非對(duì)稱性的影響[8]。

4.2 透?jìng)鲿r(shí)鐘

當(dāng)主從時(shí)鐘相距較遠(yuǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)BC連接，容易產(chǎn)生積聚誤差。另一方面，網(wǎng)絡(luò)中的抖動(dòng)和路徑延遲都是不可避免的。為了解決上述問(wèn)題，IEEE1588v2提出了透?jìng)鲿r(shí)鐘TC的概念。E2E透?jìng)鲿r(shí)鐘可以測(cè)量PTP事件消息經(jīng)過(guò)透?jìng)鲿r(shí)鐘的駐留時(shí)間。P2P透?jìng)鲿r(shí)鐘不同于E2E透?jìng)鲿r(shí)鐘的是，它不僅可以測(cè)量PTP事件消息的駐留時(shí)間，還可以測(cè)量每個(gè)端口到與它相連接的端口(也支持P2P透?jìng)鲿r(shí)鐘)的鏈路延遲[9]。從時(shí)鐘根據(jù)這些測(cè)量值修正本地時(shí)鐘，從而提高同步精度。

4.3 時(shí)間戳的位置

傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)是在軟件上打時(shí)間戳，可以在應(yīng)用層，如圖6的C點(diǎn)，由于從A點(diǎn)到C點(diǎn)的時(shí)延不確定，往往會(huì)導(dǎo)致幾十毫秒的誤差，嚴(yán)重影響時(shí)間同步精度。也可以在內(nèi)核或中斷服務(wù)程序處打時(shí)間戳，如圖6的B點(diǎn)。IEEE1588技術(shù)提出將時(shí)間戳下移到MAC層和物理層之間的MⅡ處，即圖6的A點(diǎn)，由支持IEEE1588技術(shù)的硬件輔助電路實(shí)現(xiàn)，有效提高了時(shí)間同步精度。

圖6 時(shí)間戳產(chǎn)生的位置

4.4 更新間隔

時(shí)間同步精度和Sync報(bào)文的更新間隔有密切關(guān)系，更新間隔越小，精度越高[10]。但是對(duì)于窄帶戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)而言，更新太頻繁，會(huì)占用過(guò)多的帶寬資源，影響其他業(yè)務(wù)。IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)中，Sync報(bào)文的更新間隔遠(yuǎn)小于1 s，最高可達(dá)到1 000次/s。實(shí)際應(yīng)用中，更新間隔與網(wǎng)絡(luò)帶寬、精度要求有關(guān)，一般取2 s。

4.5 “white rabbit”計(jì)劃

“white rabbit”計(jì)劃誕生于歐洲核研究機(jī)構(gòu)CERN，是精確時(shí)序以太網(wǎng)的擴(kuò)展和外延，它整合了大量機(jī)制，可優(yōu)化其位于以太網(wǎng)擴(kuò)展框架內(nèi)的時(shí)序精度，因此可以保留以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。此外，“white rabbit”計(jì)劃還集成了PTP、同步以太網(wǎng)以及數(shù)字雙路混合器時(shí)間差分(DMTD)相位跟蹤技術(shù)。作為可能會(huì)在IEEE1588v3配置文件中得到標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，其時(shí)間同步精度會(huì)有所提高，可實(shí)現(xiàn)亞納秒精度。

4.6 其他提高精度的方法

還有其他一些提高精度的方法，比如構(gòu)建PTP系統(tǒng)時(shí)，域的選擇不能太大，層級(jí)不能太多，否則累積誤差會(huì)增大，影響同步精度。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很大時(shí)，應(yīng)該分成多個(gè)域，用邊界時(shí)鐘來(lái)互聯(lián)。另外，后期還可以通過(guò)改進(jìn)算法來(lái)提高精度等。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)而言，有效帶寬較窄，IEEE1588v2技術(shù)在基本不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的情況下，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的高精度時(shí)鐘同步，占用資源少、精度高、成本低、可行性高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主從時(shí)鐘的同步精度維持在30 μs左右，滿足戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的需求。

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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，碩士生，主研領(lǐng)域：時(shí)鐘同步技術(shù)。劉玥，碩士生。劉博，工程師。冀臻，工程師。王琦，工程師。

TP311

A

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