同步时钟专栏

常用的NTP和PTP同步时钟

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发表时间:2020-10-27 10:09作者:同步天下来源:原创

时钟同步,顾名思义是指实现不同节点之间时钟的同步。对时间敏感的系统必须实现系统各节点间的时钟同步,否则将引起重要功能的故障,以DCS系统为例,如果操作站和控制站的时钟不同步,那么SOE事件、位号趋势、数据同步等都将受到严重影响。

本文主要介绍常用的NTP和PTP同步时钟的标准协议和应用特点。

1、网络时间协议应用需求

互联网时钟同步起源于军事用途,也是在美国国防部的资助下启动和进行的。因为在军事领域时间一直就是一个非常重要的影响因素,多个系统之间的时间必须高度统一。

有的应用程序需要知道一个用户是什么时候登陆到系统的,以及一个文件的修改时间。在一个网络中,系统之间的时钟相差一分钟或者更少的情况很多。如果网络很大,不可能完全依靠系统管理员手工输入时间设置命令来调节各个系统的时钟。

调试与事件时间戳:从不同路由器采集的调试与事件时间戳是没有什么意义的,除非这些路由器是以同一公共时间为参考。仿真:复杂的事物往往需细分,由多个系统来处理,为保证事件的正确顺序,多个系统必须参考同一时钟。

随着分布式系统的飞速发展,越来越多的领域需要使用精确的时钟同步服务。时钟同步是分布式系统核心技术之主要是维护一个全局一致的逻辑或物理时钟,使得系统内各个节点中与时间有关的信息、事件及行为有全局一致的解释。为了解决时钟同步能力不足的问题,NTP一直用于以太网各分布节点的时钟同步,使用NTP协议可以使同步精度达到1-10ms。

2、NTP网络时间协议和工作模式

NTP网络时间协议是由美国德拉瓦大学的教授于1985年提出,用于设计使internet上的计算机保持时间同步的一种通讯协议。在计算机、服务器和网络摄像机等时间同步上应用最为广泛。

NTP同步工作模式有三种:单播、广播/组播、任意播。各个工作模式下服务器与客户端的动作有所不同,主要有以下几种:

客户端向指定地址的时钟服务器发起时间同步请求,服务器响应请求。这种模式称之为单播。

同步是这种周期性的发送消息给一指定的IP广播地址或者IP多播地址,并且通常不期望从客户端得到请求,客户端监听地址但通常并不给服务器发请求。这种模式是广播/组播。

客户端网络校时软件借助局域网从ntp网络时钟同步系统那里获得时间信息,校准系统时间。在时间同步周期之间,利用计算机内部时钟守时,从而实现整个局域网络的时间同步。客户端软件可作为背景任务连续、周期性地运行,不断得到服务器的更新信息。

3、NTP同步时钟系统结构

时间同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口组成,NTP网络同步时钟由以下三个主要部分组成。

时间信号接收(输入)单元,接收外部时间基准信号;时间保持单元和时间信号输出(扩展)单元。常用的NTP网络时钟推荐SYN2136。


4、IEEE1588相关标准及协议

NTP虽然提高了网络设备之间的定时同步能力,但是仍然不能满足网络通信和测量仪器所需的准确度。为此IEEE1588协议应运而生,IEEE1588协议的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”也可以简称为PTP。该协议因占用网络带宽小、实现简单和对系统资源要求低等特点成为最有发展前途的局域网时钟同步协议。

在硬件的帮助下,采用IEEE1588精确时钟协议可以使用时钟同步精度达到次微秒级,为测试和测量、通信和工厂自动化等领域需要高精度时钟同步的应用提供了一种有效的解决方案。

Ieee1588在传输时间信号时不需要设计布置专门的时钟线,使用现有的以太网的数据线传送时钟信号就可以。这样不仅简化了组网连接,又降低了整个项目成本。

IEEE1588在技术规范中特别定义了一套基于消息的同步协议,通过周期性的发布徐带有时间戳的信息包,可以使各个测控节点的时钟得到校正,从而实现整个系统的同步运行。

PTP授时需要硬件电路支持,必须有主从搭配才能正常授时。其工作原理是主时钟和从时钟之间周期性的交换时间同步信息。同时精确的捕获信息包的发出和接受的时间,加盖时间戳信息。从时钟通过接收主时钟发的同步信息、解析出时戳信息,通过某种算法计算出与主时钟的时间误差以及和网络中的传输延时,以此为依据将本地时钟信息进行校正。

PTP授时方式分为广播和单播,一般ieee1588主时钟多播可以带数百台客户端,单播会少一些,越多精度下降的会厉害一些。同步精度(RMS)优于±1us,典型值100ns。   

SYN2401型ieee1588同步时钟使用GPS和北斗卫星信号作为时间参考信号,支持标准的ieee1588-2008和ptp v2等网络对时协议。标配1路PTP网口,可扩展到4路,支持1 step或2step。

NTP与PTP同步时钟选购注意事项:

常用的电脑、服务器和网络摄像机等网络设备自身是支持NTP协议的,不需要额外的硬件支持,直接配一台NTP同步时钟设备即可。授时精度是0.5ms-10ms,典型值是1ms,采购成本也较低。

PTP授时需要硬件电路支持,必须有主从搭配才能正常授时。很多客户端是不能直接使用的,例如电脑服务器需要搭配ptp从时钟授时卡进行校时,或在产品前期设计时使用ptp从模块,例如SYN2407F型IEE1588从时钟模块。

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