IEEE1588时钟在某航天集团投入使用

由我公司自主研发生产的IEEE1588时钟在某航天集团投入使用。本文主要通过IEEE1588时钟在本次航天集团中的实现应用，由此对IEEE1588时钟的原理，组网模式，实现，高精度测试验证等进行了详细的说明。

本次IEEE1588时钟投入设备为SYN2401型PTP精密主时钟，支持IEEE1588-2008协议，PTP V2的主时钟（Grandmaster Clock），使用卫星作为时钟参考源，拥有纳秒级的时间传输精度，支持数千台PTP从时钟来实现精确的时间传输。

1、IEEE1588时钟同步实现方案

本次IEEE1588时钟的应用我们主要是根据航天集团在方案设计中，已集成了PTP系统的搭建工作。因此，在此次项目应用中，直接投入产生PTP的卫星同步时钟，即可满足本次的应用需求。

鉴于此项，我们考虑到整个系统上的配置，直接引用IEEE1588主时钟设备投入到设备前端，即SYN2401型PTP精密主时钟作为前端设备，系统内其他壳接收IEEE1588时钟协议的设备作为从时钟，接收主时钟发送的时间信息，系统应用拓扑图如下所示：

IEEE1588时钟应用拓扑图

目前，常见的IEEE1588 时钟同步节点的实现方案主要为，使用集成IEEE1588 时戳的功能。在分布式系统中，实现方式均可实现较优的同步精度，时间戳产生于以太网通信中的介质访问控制层(mediaaccess controllayer,MAC)，其时间戳产生精度受物理层(Physicallayer,PHY)路径延迟不确定性的影响。

2、IEEE1588时钟协议

IEEE1588时钟基于IEEE1588协议，又称精确时间同步协议（Precision TimeProtocol，PTP），即网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准IEEE1588 时钟同步协议的基本构思是通过硬件和软件的紧密耦合实现网络设备（客户机）内时钟与主控机主时钟的同步，从而实现亚微秒级的时间同步精度。在协议起草过程中主要参考以太网来编制，主要应用于以太网内的设备时钟同步，但并不局限于以太网在其他网络内同样可以实现时钟同步的功能。

3、IEEE1588时钟时间同步原理

IEEE1588时钟是主从时钟之间周期性交换带有时间戳（信息包发出或进入设备的本地时钟时间）的报文，从时钟由时间戳信息计算出主从时钟钟差与路径延迟，从而校正从设备时钟时间。一次主从时间同步的过程如下图所示：

IEEE1588时钟同步协议基本原理

PTP对时报文分为4 种，具体同步步骤如下（根据上图标示解析）：

①同步指令（Sync），由主时钟周期性向网内广播同步报文发起同步过程并记录下报文数据包发送的精确时间T1；

②跟随报文(Follow_up)，主时钟在发出同步指令后发出跟随报文，将记录下的时间戳T1 由跟随指令广播发出；

③从设备接收到（Sync）时产生本地时间戳T2；

④从设备返回延迟申请指令（Delay_Req），记下该指令发出时间戳T3；

⑤主钟收到延迟申请指令时，记下收到时间戳T4；

⑥主时钟在延迟回执（Delay_Resp）中返回从时钟时间戳T4。

一个对时循环结束后，从时钟便获取了T1、T2、T3、T4 等4 个时间信息，假设通信信道为对等信道，即T_MS(主端口到从端口信道时延)与T_SM(从端口到主端口信道延迟)相等由以上两式即可求的主从时钟钟差，主从时钟路径延迟，从时钟按修正完成一次同步循环。

4、IEEE1588时钟模型

在IEEE1588 时钟同步协议中由于结构与功能的差异，将设备时钟分为3 种不同的设备模型：

①    边界时钟（Boundary Clock）:一般具有2 个以上端口，各端口充当不同的主从结构，但只允许至多一个端口充当从时钟，可在多个端口充当主时钟同时对多个从时钟进行同步对时；

②   普通时钟（Ordinary Clock）:仅具有一个端口，一般充当系统中顶层主时钟或用户机种直接供用户使用的底层钟；

③   透明时钟（Transparent Clock）:不具备时钟功能，仅交换报文，对事件报文附加入与出透明时钟的时间，作为延迟桥记录报文停留时间，作为交换机，通过其特殊功能消除报文在交换机内中转、排队时间对同步精度的影响。

5、IEEE1588时钟组网方式

IEEE1588 时钟协议标准符合TCP/ IP协议，不具备PTP协议处理功能的交换设备并不阻止PTP协议的运行，中转设备的时延不确定性会对同步精度造成不同程度的影响。在PTP时钟同步过程中会先运行最佳主钟算法（Best Master Clock，BMC），确定时钟状态，从而确定子网络中的主钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟（Grandmaster Clock，GMC），有着最好的稳定性、精确性、确定性等，保证子网内时钟精确同步。

PTP时钟同步系统依托于现有以太分组网络，无需重新布置网络，节约成本。可灵活布置时钟同步节点，当节点对于时间同步精度需求降低时，可更换为普通节点。在网络数据流量大、同步精度要求高的节点到主钟之间的路径，可应用透明时钟交换机，以保证同步精度，不影响其他网络功能的实现，在其他路径仍可使用普通交换机，大大降低成本、与地域性限制，同时满足网络中不同节点的同步精度需求。

6、IEEE1588时钟同步节点硬件结构

IEEE1588时钟同步节点硬件设计，如图所示：

IEEE1588时钟同步单元设计方案

微处理器(MCU)进行数据处理，协议运行，外设控制等功能；物理层芯片通过MII接口与MCU 进行通信，转换数据格式使之符合以太网通信协议要求；网络变压器处理物理层芯片输出的信号，调整信电平到标准电平。节点依靠外部串口数据与1PPS信号同步到上层授时设备。

IEEE1588时钟同步节点软件结构，如图所示：

IEEE15888时钟硬件图

7、IEEE15888时钟同步方案验证

IEEE1588时钟同步单元背靠背同步精度验证方案，如图所示：

IEEE1588时钟同步精度背靠背验证方案

测试系统由一根5 m 以太网线直接连接两个同源IEEE1588 时钟同步节点，使用通用时间间隔计数器，在室温条件下记录2000 次主从时钟1PPS时间间隔，触发电平为1.26V，实验结果表明子时钟与网络服务器间背靠背同步精度优于50 ns。

IEEE1588 时钟同步精度单跳实验验证IEEE1588 同步单元单跳同步精度验证方案如下图所示：

两个IEEE1588 时钟同步节点均由5 m 以太网线连接至交换机，使用通用时间间隔计数器，在室温条件下记录1600次主从时钟1PPS时间间隔，触发电平为1.26 V，结果表明子时钟与网络服务器间单跳同步精度优于1 us。

8、结束语

IEEE1588 时钟同步技术同步精度高、组网便捷、可依附于现有以太网络，在网络通信的同时实现分组网中任意节点时间同步，使之非常适合应用于同步精度要求高、应用范围广的航天，通信、自动化控制系统内。

随着现代通信技术的发展，时间同步需求的增加，IEEE1588 时钟同步技术将获得更广泛的应用。由于此项目有部分保密性，具体名称不便透漏。

我公司对IEEE1588时钟已掌握成熟的技术，生产的设备也已经大量投入于市场中，如有此方面的需求，欢迎致电我公司业务咨询洽谈。