余學(xué)鋒，張開維，秦項乾

(中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰 714200)

0 引言

在常規(guī)武器靶場，統(tǒng)一的時間頻率基準(zhǔn)是確保測量控制設(shè)備同步精確工作的重要保證。隨著靶場局域網(wǎng)的不斷完善，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程時間頻率參數(shù)傳遞及測試成為可能。目前較為成熟的方法就是基于IEEE1588精密時鐘協(xié)議(PTP)，通過網(wǎng)絡(luò)將主時鐘時間信息傳遞給遠端從時鐘，一方面為測試設(shè)備提供時間信息，另一方面完成對自主守時裝置的時間同步測試(校準(zhǔn))。然而現(xiàn)有的PTPV2方法是基于兩點假設(shè)，一是局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)交換機支持IEEE-1588v2協(xié)議，也就是說要具備PTP報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)、鏈路時延補償?shù)葏f(xié)議功能。二是局域網(wǎng)中主時鐘到從時鐘的路徑延遲與從時鐘到主時鐘的路徑延遲相等且鏈路時延通常不會發(fā)生抖動。而靶場實際情況是局域網(wǎng)中的交換機為普通交換機，不支持IEEE-1588v2協(xié)議。因此在網(wǎng)絡(luò)報文傳輸中由于網(wǎng)絡(luò)傳輸阻塞的不確定性會造成鏈路報文傳輸非對稱時延及抖動(PDV)，通常達幾百微秒級，而靶場授時及測量精度要求為百納秒級別，因此必須解決網(wǎng)絡(luò)傳輸非對稱時延抖動的問題。

關(guān)于PTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸非對稱延時抖動抑制方法，許多學(xué)者做了大量的工作。文獻[1]提出了最小排隊轉(zhuǎn)發(fā)時延估計算法；文獻[2]提出了采用能夠記錄報文時間戳的交換設(shè)備對其固有延時時間進行修正方法；文獻[3]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)區(qū)分服務(wù)調(diào)度模型的同步報文路徑延時誤差修正方法；文獻[4]提出了報文時延分布參數(shù)估計方法；文獻[5-7]等也都提出了一些很好的方法。但這些方法中有的需要交換機硬件支持，有的需要對交換機進行優(yōu)先級設(shè)置，有的需要在PTPV2協(xié)議傳輸機制中額外增加專門檢測報文，有的只是在實驗室環(huán)境下的性能仿真驗證結(jié)果。為此，本文提出了采用二級過濾的先進增強時間恢復(fù)算法，利用從端接收報文之后，對所有的報文進行算法過濾估值計算，確保收到的不同PDV數(shù)據(jù)為統(tǒng)一穩(wěn)定的時間值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)高流量負(fù)荷、擁塞而導(dǎo)致的非對稱時延抖動時也能恢復(fù)出精準(zhǔn)時鐘，并且在實際普通交換機網(wǎng)絡(luò)中對算法性能進行測試。

1 PTPV2報文傳輸模型

PTPV2的基本原理是主從時鐘之間周期性交換帶有時間戳的報文，從時鐘根據(jù)時間戳信息計算出路徑時延以及主從相位差，進而校正從時鐘的時間相位偏差。

設(shè)從時鐘相對于主時鐘的初始時間相位偏差為δ，PTPV2采用主從層次結(jié)構(gòu)(雙向報文交換)，協(xié)議引擎為端對端(E2E)延時測量機制。在同步開始時，主時鐘端在t1時刻向從時鐘端發(fā)送SYNC報文，同時將SYNC報文的發(fā)送時刻t1通過跟隨報文FOLLOW_UP發(fā)送給從時鐘端。從時鐘端記錄SYNC報文的接收時刻t2，t2=t1+d1+δ,其中d1為端對端(E2E)延時測量機制下的主時鐘端到從時鐘端網(wǎng)絡(luò)延時。

從時鐘在t3時刻向主時鐘發(fā)送延時請求報文DELAY_REQ，主時鐘端記錄收到DELAY_REQ報文的時刻t4，t4=t3-δ+d2，d2為端對端(E2E)延時測量機制下的從時鐘端到主時鐘端網(wǎng)絡(luò)延時。然后將時間t4通過延時響應(yīng)報文DELAY_RESP發(fā)送至從時鐘。這樣在每個同步周期，從時鐘端就可得到4個時間戳信息t1、t2、t3、t4。根據(jù)這四個時間信息，同步系統(tǒng)程序可分別計算出主時鐘到從時鐘的鏈路時延、從時鐘到主時鐘的鏈路時延、平均鏈路時延以及主從時鐘偏移。

2 延時抖動修正算法

基于PTPV2協(xié)議的主從時鐘在普通交換機網(wǎng)絡(luò)下的同步報文傳輸延時抖動，核心是由于網(wǎng)絡(luò)阻塞的不確定性，而網(wǎng)絡(luò)本身又不具備對報文在交換機中的滯留時間標(biāo)記能力，不能糾正延遲的不對稱性，導(dǎo)致從時鐘端得到的4個時間戳信息不能真實反映主從時鐘同步情況。而先進增強時間恢復(fù)(AETR)算法可大大降低主從時鐘同步過程中的時延抖動。基本思路是通過對N個時鐘同步周期時間戳觀測值的統(tǒng)計分析，過濾掉受網(wǎng)絡(luò)擁塞影響的同步周期，并在未受阻塞的幸運同步周期中，運用從時鐘端得到的4個時間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協(xié)議計算傳輸延時及偏差修正值，恢復(fù)出從時鐘調(diào)整值。先進增強時間恢復(fù)算法能夠集成于PTPV2同步協(xié)議延時測量機制中，在不增加PTP協(xié)議傳輸通訊開銷的前提下，僅將多個同步周期的偏差計算值以緩存的形式存儲起來，用于先進增強時間恢復(fù)算法的統(tǒng)計分析。AETR算法通過兩級連續(xù)的過濾算法，確保使用最優(yōu)同步周期偏差值來恢復(fù)出精確的從時鐘時間調(diào)整信息。另外AETR模型在同步周期偏差值過濾中，不僅過濾掉明顯受網(wǎng)絡(luò)阻塞影響的同步周期，還要對通過一級過濾后的幸運同步周期進行二次過濾，篩選出最優(yōu)的同步周期偏差值，運用逐次逼近算法，恢復(fù)出主從時鐘同步周期的精確時間。當(dāng)在PTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸某個同步周期中，從時鐘端沒有獲得符合算法要求的同步周期偏差值時，就采用先前存儲的同步周期偏差值進行時鐘調(diào)整。AETR算法執(zhí)行過程流程圖如圖1所示。

圖1 AETR算法執(zhí)行過程流程圖

在第一級過濾過程中，主、從時鐘按照PTPV2協(xié)議中的延時請求-響應(yīng)測量機制在每個同步周期內(nèi)交換基本時間信息并計算鏈路延時偏差。為了實現(xiàn)對遭受傳輸網(wǎng)絡(luò)阻塞的同步周期的過濾，設(shè)置過濾閾值標(biāo)記R，R=(t2-t1)/(t4-t3)。若傳輸網(wǎng)絡(luò)為對稱無時延抖動，理想情況下R值為1，但實際上由于網(wǎng)絡(luò)阻塞等原因，R值是在1附近變化的，通過設(shè)置R的閾值，可將一部分受網(wǎng)絡(luò)阻塞影響的同步周期過濾掉。該標(biāo)記值的選擇要綜合考慮主、從時鐘所在網(wǎng)絡(luò)情況以及時鐘同步精度要求，靶場試驗IP網(wǎng)屬于中度流量網(wǎng)絡(luò)，主從時鐘同步精度要求優(yōu)于100 ns。因此綜合有關(guān)報道[8-9]，選擇的R值過濾范圍為0.97

所有通過第一級過濾后的幸運同步周期，從時鐘端都將得到4個時間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協(xié)議進行傳輸延時及偏差修正值計算，即Yi=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。計算結(jié)果存儲在緩存中并給以標(biāo)記，然后進行第二級過濾算法，即精確時間恢復(fù)算法。在第二級過濾中，采用偏差逐次逼近方法確保過濾出最優(yōu)偏差估值，用于計算從時鐘當(dāng)前相位偏差值并對時鐘數(shù)據(jù)更新。這其中有可能還有一些時鐘偏差計算值或高或低于預(yù)期的偏差值，在數(shù)據(jù)更新過濾過程中，這些計算值所對應(yīng)的同步周期也將被過濾掉。數(shù)據(jù)更新過濾流程圖如圖1中的二級過濾部分所示。當(dāng)收到的最新同步周期顯示網(wǎng)絡(luò)中有較大的流量時，從時鐘將用上一次的偏差計算值而不會采用當(dāng)前偏差計算值對從時鐘調(diào)整。

通過一級過濾后的第一個幸運同步周期，根據(jù)獲得的4個時間戳計算出從時鐘偏差修正值Y1，并用該值對從時鐘進行調(diào)整。待第二個幸運同步周期，其偏差計算值Y2則與Y1進行求平均值，用平均值對從時鐘進行調(diào)整。當(dāng)?shù)谌齻€幸運同步周期到來后，則將三個幸運同步周期的偏差計算值Y1、Y2、Y3求平均值Yt及與平均值的差值Yti，i=1,2,3，計算Yti最大值Ytmax和最小值ytmin，取Yti最小值ytmin所對應(yīng)的偏差計算值Yi，用于對從鐘進行調(diào)整，并將該值標(biāo)記為最優(yōu)偏差值Ft。

當(dāng)超過三個以上幸運同步周期到來后，就按照式(1)和式(2)的逐次逼近算法獲得ytmin、ytmax。

(1)

(2)

式中,k為算法因子。同時求當(dāng)前偏差計算值Yi與Yt的差值，若二者差值絕對值小于Ytmin，則用當(dāng)前值Yi對從鐘進行調(diào)整，并將該值標(biāo)記為最優(yōu)偏差值Ft，如果Ytmin<|Yi-Yt|

3 試驗結(jié)果與分析

在靶場試驗IP網(wǎng)絡(luò)中(網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示)，共有五級網(wǎng)絡(luò)交換。將PTPV2主從時鐘接入該局域網(wǎng)中，以主時鐘對從時鐘進行授時，從時鐘始終與主時鐘保持同步，從時鐘提供校準(zhǔn)時間對遠端自守時設(shè)備的1 pps同步精度進行測試。主從時鐘間同步精度以及從時鐘對自守時設(shè)備的1 pps測量誤差均采用更高精度的時間校準(zhǔn)儀及數(shù)字存儲示波器進行監(jiān)測，用于評價采用先進增強時間恢復(fù)算法后的主從時鐘授時及測量性能。

圖2 PTPV2測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

對已有的符合IEEE1588V2協(xié)議的主從時鐘系統(tǒng)處理軟件中，增加延時抖動修正過濾算法，并將兩個網(wǎng)絡(luò)流量模擬源鏈接于網(wǎng)絡(luò)中，模擬高流量負(fù)荷、擁塞而導(dǎo)致的大分組時延變化(PDV)環(huán)境，進行主從時鐘同步精度及從時鐘遠程校準(zhǔn)驗證測試。

首先進行主從時鐘授時精度測試，用時間校準(zhǔn)儀對主時鐘的時間精度進行校準(zhǔn)，誤差小于10 ns，因此當(dāng)把主從時鐘接入局域網(wǎng)后，時間校準(zhǔn)儀對從時鐘端的測量(借助數(shù)字存儲示波器)結(jié)果就代表了主從時鐘同步精度。

將主、從時鐘分別接入靶場試驗IP網(wǎng)的端口1和端口2(5層交換機)，進行初始化設(shè)置，待穩(wěn)定后采用時間校準(zhǔn)儀及數(shù)字存儲示波器對從時鐘1 PPS輸出進行測試(相對于主時鐘1 PPS輸出)，連續(xù)測量24小時，期間通過兩個網(wǎng)絡(luò)流量模擬源對網(wǎng)絡(luò)交換機施加最高到80%的數(shù)據(jù)量。測試結(jié)果如圖2中所示。主、從時鐘網(wǎng)絡(luò)傳輸同步時間抖動呈正態(tài)分布，平均值為15.5 ns，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.0 ns，抖動最大范圍為-12.9～45.6 ns。

圖3 主、從時鐘授時精度及同步時間抖動

其次進行基于網(wǎng)絡(luò)的從時鐘遠程校準(zhǔn)性能測試。將主、從時鐘分別接入靶場試驗IP網(wǎng)的端口1和端口2(5層交換機)，進行初始化設(shè)置，待穩(wěn)定后將被校準(zhǔn)時統(tǒng)裝置(自守時)先與放在端口2的時間校準(zhǔn)儀進行本地測試，測試結(jié)果作為標(biāo)稱值，如圖4(a)所示。再將被校準(zhǔn)時統(tǒng)裝置接入端口2所在的從時鐘1 pps IN測試口進行測試，測試結(jié)果如圖4(b)所示。共進行100次測量，采用時間校準(zhǔn)儀本地校準(zhǔn)和PTPV2遠程校準(zhǔn)的時統(tǒng)裝置同步誤差測量平均值分別為-331.1、-316.5 ns，二種方法測量偏差為14.6 ns，保持了很好的一致性。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)的從時鐘遠程校準(zhǔn)性能測試

4 結(jié)束語

在基于PTPV2協(xié)議的主從時鐘同步中，本文設(shè)計的先進增強時間恢復(fù)算法，可有效抑制由于普通交換機網(wǎng)絡(luò)報文傳輸延時抖動所帶來的同步偏差，大大提高主從時鐘同步精度。實際應(yīng)用情況也表明，在有5級普通交換機下，主從時鐘同步精度可優(yōu)于100 ns，這也為基于局域網(wǎng)的遠程時間頻率校準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

先進增強時間恢復(fù)算法是在PTPV2周期性交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文基礎(chǔ)上，增加了傳遞報文過濾評估環(huán)節(jié)，使得收到的不同PDV數(shù)據(jù)為統(tǒng)一穩(wěn)定的時間值。如果考慮時間同步中的偏移率及環(huán)境溫度的影響，二級過濾閾值的選擇則需要更為細致，有關(guān)這方面問題在未來工作中有待進一步的研究。