IEEE+1588精密时钟同步协议20版本浅析

假设Ｏｆｆｓｅｔｌ＝Ｏｆｆｓｅｔ２，ｍａｓｔｅｒ ｔｏ ｓｌａｖｅ—ｄｅｌａｙ＝ｓｌａｖｅ—
ｔｏ—ｍａｓｔｅｒ＿ｄｅｌａｙ记为ｏｎｅ＿ｗａｙ＿ｄｅｌａｙ则由式（１）、式（２） 得延时量为
万方数据
…』础埘＝盟墨与堕型
则从时钟到主时钟的偏移量为 Ｏｆｆｓｅｔ＝（￡ｌ—ｒｍｌ）一ｏｎｅ＿ｗａｙ＿ｄｅｌａｙ
△￡（Ａｔ＝ｔ３一ｔ２）以Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ—Ｆｏｌｌｏｗ—Ｕｐ信息包的形 式发送给端口Ａ。在这个过程中。从端口Ａ到端口Ｂ 的延迟时间为
接收时问标签％，再将％以Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ信息包方式
发送给从时钟｜３１。
主时钟的时间
从时钟的时间
～（ｅｌａｙ、＼． 一Ｌ－ 、—、～璺”ｃ消息
）ｓｌａｖｅ ｃ ｌ
Ｆｏｌｌ消息—、ｐ、／
‰Ｄｅｌａｙ＿一Ｒｅｑ步 竺—／ ｍａｓｔｅｒ‘
—≮～． 上Ｌ：
图１ ＰＩ’Ｐｌ司步原理
那么，主时钟到从时钟的延时为 ｍａｓｔｅｒ ｔｏ ｓｌａｖｅ＿ｄｅｌａｙ ２ ｒｍｌ—ｔ１
从时钟在计算出这个偏移量之后，会根据它去调 整自己，使自己与主时钟同步。
２ ＩＥＥＥｌ５８８ ２．０版本的改进
相对于１．０版本，２．０版本有了较大的改进，通过 这些改进提高了同步精度，而且在实现的难度上也有 所降低，使协议更加实用。下面将主要介绍２．Ｏ版本 相财于１．０版本的几个重要改进。 ２．１数据结构的改进
·２·
《测控技术》２０１０年第２９卷第２期
术的发展在当前的测量控制领域扮演着极其重要的角 色。
１ ＩＥＥＥｌ５８８时钟同步基本原理
ＰＴＰ协议的基本原理是主从时钟之间进行同步信 息包的发送，对信息包的发出时间和接收时间信息进 行记录，并且对每一条信息包“加盖”时间标签。有了 时间标签，从时钟就可以计算出自己与主时钟时间差 以及网络中的传输延时，从而进行时钟的校准同步。
ＩＥＥＥ １５８８精密时钟同步协议２．０版本浅析
ＩＥＥＥ １ ５８８精密时钟同步协议２．０版本浅析
叶卫东，张润东
（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京１００１９１）
摘要：在分布式测控系统中，各分布式设备、独立的智能传感器、作动器与系统之间的时钟同步是系统测
控数据有效性的关键。ＩＥＥＥ １５８８精密时钟同步协议有效地解决了分布式测控系统时间同步问题，也
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＩＥＥＥ １ ５８８ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃｌｏｃｋ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．０
ＹＥ Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｒｕｎ—ｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
ｓｔｒｕｃｔ Ｔｉｍｅｓｔａｍｐ
｛
ＵＩｎｔｅｇｅｒ４８ ｓｅｃｏｎｄｓＦｉｅｌｄ； ＵＩｎｔｅｇｅｒ３２ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓＦｉｅｌｄ；
｝； 与１．０版本的时间标签数据结构对比可以看出，在２． ０版本中主要进行了两个方面的改进：一是将时间标 签的秒部分由３２位无符号整型数改为４８位字宽的无 符号整型数，这样就解决了时问标签最多只能表示到
为了描述和管理时间信息，ＰＴＰ协议定义了４种 多点传送的信息包：同步信息包Ｓｙｎｃ、Ｓｙｎｅ之后的信 息包Ｆｏｌｌｏｗ—Ｕｐ、延时测量信息包Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ和Ｄｅｌａｙ— Ｒｅｑ的应答信息包Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ。在同步开始之后，同 步域的所有时钟通过分布式的最佳主时钟算法 （ＢＭＣ，ｂｅｓｔ ｍａｓｔｅｒ ｃｌｏｃｋ）确定自己的状态，从而确定域 中的主时钟。同步开始之后（如图１所示），主时钟发 送Ｓｙｎｃ信息包，记录发送时问标签Ｌ。并以Ｆｏｌｌｏｗ—Ｕｐ 信息包方式发送给从时钟，从时钟记录接收Ｓｙｎｃ信息 包的时间标签ｔ，。之后从时钟发送Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ信息 包并记录发送的时间标签砭，主时钟接收到之后记录
送时间标签ｔ．，端口Ｂ在接收到Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ信息包时
得到接收时ｌ＇日Ｊ标签ｔ２。之后端口Ｂ发送Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ 信息包到端ｕ Ａ，得到发送时ＩⅫ标签ｔ，，端口Ａ在接收 到Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ信息包时得到时问标签ｔ。。端ｕ Ｂ在
发送完Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ信息包之后，会将ｔ，与ｔ：的差值
收稿日期：２００９—０８—２６ 作者简介：叶卫东（１９５７一），男，广东人，高级工程师，主要研究 方向为嵌入式计算机系统、分布式计算机系统、数据采集系统、 自动测试系统、大型建筑的综合健康管理系统、无线传感器网 络、网络时间同步技术、ＬＥＤ大屏幕显示技术、高精度信号调理 技术等；张润东（１９８４一），山东人，硕士研究生，主要研究领域 为嵌入式精密时钟同步技术、分布式测控系统等。
在２．０版本中，对同步过程中的数据结构进行了 改进，主要体现在两个方面。首先，是在信息包中增加 了一个新的时间修正域Ｈ。，该域采用一种新定义的数 据类型——时间间隔数据类型。时间修正域的加入使 信息包在传送过程中可以对这个域进行实时的修正， 例如在信息包经过透明时钟的过程中的修正可以将信 息包经过透明时钟时的时问抖动精确地计算出来。时 间问隔数据类型是一个６４位的有符号整型数，它可以 使时间分辨率达到纳秒的１／２１６，该修正域的引入使得 时间同步的精度町以优于１ ｎ８。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ．ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｍａｒｔ ｓｅｎｓｏｒｓ，ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｉＳ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎ． ｔｒｏｌ ｄａｔａ．ＩＥＥＥ １５８８ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｌｏｃｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ＳＯｌＶｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ａｎｄ ｉｔ ｉＳ ａｌｓｏ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｎｄａｒｄ ｂｕｓ ＬＸＩ．Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌＬ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ｌ ５８８ ｃｌｏｃｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏ． ｄｕｃｅｄ．Ｌａｔｅｒ．ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ】ａｔｅｓｔ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ ２．０ ｏｆ ＩＥＥＥ １ ５８８ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｌａｙｓ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＥＥＥ １５８８－２００８；ｃｌｏｃｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ＰＴＰ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
在２００５年９月新发布的基于局域网的ＬＸＩ（ＬＡＮ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）总线标准拓展了以太网技术在 测试自动化领域应用。ＩＥＥＥ １５８８协议作为其核心技 术之一保障ｒ局域网中不同的ＬＸＩ设备Ｉ’日ｊ的精密时间 同步０１，２１。
ＩＥＥＥ １５８８精密时钟同步协议的出现，在测量控 制领域引起来一场技术性的革命，它使原来基于顺序 的收发命令式的数据采集传输模式转变成以精确时间 为基准的时间表模式的主动数据采集传输模式，增加 了测量控制系统的灵活性和主动性，因此时钟同步技
是新测试系统总线标准ＬＸｌ的核心技术之一。首先介绍了ＩＥＥＥ １５８８时钟同步的基本原理，之后主要
针对最新发布的ＩＥＥＥ １５８８ ２．０版本所采用的新技术、新方法进行了分析，为进一步研究打下基础。
关键词：ＩＥＥＥ １５８８．２００８；时钟同步；ＰＴＰ；分布式测控系统
中图分类号：ＴＰ３９３
文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１０）０２—０００１—０４
２．２增加测量点与点之间网络路径延时时间的独立
消息模式
在１．０版本中，主时钟与从时钟之间的平均网路
延迟时间足通过Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ信息包来测量的，这个过 程是由从时钟发起，而且必须是在同步信息包接收到
之后，再发送Ｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ信息包进行测量平均网路延 迟时间。在这个过程之中，平均网路延迟时间的测量
其次是对时间标签的数据结构的改进。在１．０版 本中，时问标签的数据结构为
ｓｔｒｕｃｔ ＴｉｍｅＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ
｛
ＵＩｎｔｅｇｅｒ３２ ｓｅｃｏｎｄｓ； Ｉｎｔｅｇｅｒ３２ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓ；
｝； 其中秒部分是一个３２位的无符号整型数，表示从 １９７０年１月１日０点０分０秒到当前时刻所经历的秒 数，能表示到２１０６年。纳秒部分为一个３２位的有符 号整型数，表示秒的小数部分，它的大小范围为０≤Ｉ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓ Ｉ≤１０９，最高位是符号位，这个符号位表 示的是整个时间标签的符号，并不只是纳秒的符号位， 一个负的时间标签表示从当前时刻之前的一段时间。 而在２．０版本中修改ｒ这个数据结构，将其修改为
做点对点延迟请求。这种模式可以测量同步域中任意
两点之间的平均网路延迟时间，而且可以在任意时刻
进行任意次的测量。主要由３种信息包组成：Ｐｄｅｌａｙ—
Ｒｅｑ信息包、Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ信息包和Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｓｐ—Ｆｏｌ— ｌｏｗ—Ｕｐ信息包，如图２所示。在测昔开始之后，测量
端口Ａ向被测端口Ｂ发送Ｐｄｅｌａｙ—Ｒｅｑ信息包，得到发
ＩＥＥＥ １５８８精密时钟同步协议２．０版本浅析
·３·
２１０６年的问题。二是纳秒部分，将原来的３２位有符
号的整型数更改为３２位的无符号整型数，取消了符号 位，也就没有了负时间标签的表示，它的大小范围为０
≤Ｉ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓＦｉｅｌｄ Ｉ≤１０９。这是由于２．０版本中增
加了时间间隔数据类型，可用于精确地表示正或负的 时间问隔，不再使用含义模糊的负时问标签。
需要用到｜一Ｊ步信息包Ｓｙｎｃ获得的时问信息，而且只能 测鼍主时钟与从时钟之间的平均网路延迟时ｌ’开ｊ。在网
络状态发生改变致使主时钟发牛改变时，就必须重新
进行平均网路延迟时间的测量，从而可能导致较大的
误差。在２．０版本中，增加了一种新的专门用于测量 两个端ｎ问平均网路延迟时间的独立消息模式【４ Ｊ，叫
wenku.baidu.com万方数据
２００２年由ＩＥＥＥ通过并出版的ＩＥＥＥ １５８８精密时 钟同步协议ＰＴＰ（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｐｒｏｔｏｃ０１）满足了许多分 布式测量控制系统对同步精度的需要，它可以在局域 网中的不同设备间实现亚微秒级的同步精度。ＩＥＥＥ 仪器与测试协会于２００８年７月２４日正式颁布ＩＥＥＥ １５８８的改进版本２．０（２００２年颁布的称为１．０版本）， 该版本比前一个版本有较大的改进，并且不向下兼容， 此版本进一步提高ｒ时间的表示精度，支持亚纳秒级 别的同步精度。
假设此时主时钟到从时钟的时间偏差为。Ｏｆｆｓｅｔ．，
则有
ｔｌ＝Ｌｌ＋Ｏｆｆｓｅｔｌ＋ｍａｓｔｅｒ＿ｔｏ＿ｓｌａｖｅ＿ｄｅｌａｙ
（１）
从时钟到主时钟的延时为
２如一％ ｓｌａｖｅ＿ｔｏ＿ｍａｓｔｅｒ＿ｄｅｌａｙ
此时主时钟到从时钟的时问偏差为Ｏｆｆｓｅｔ：，则有
ｋ＝％＋Ｏｆｆｓｅｒ２＋ｓｌａｖｅ＿ｔｏ＿ｍａｓｔｅｒ＿ｄｅｌａｙ （２）
随着智能传感器技术的发展以及数据传输和处理 综合要求的不断提高，集中式测控系统模式已经不能 满足日趋复杂的控制系统的要求，具有高口Ｊ＿靠性、灵活 性等优点的网络化分布式测量控制系统在测试自动化 领域逐渐占据了主导地位。在分布式测控系统中各个 计算机的时间｜一步是非常苇要的。不同用途的分布式 测控系统，对没备问的时间同步精度要求是不同的，例 如电信系统对同步精度的要求为０．１ ｎｓ，射频测试的 同步精度要达到１ ａｓ，通用测试和运动控制（包括飞行 控制）对同步精度的要求为１００ ａｓ，电力系统对同步精 度的要求为ｌ斗ｓ等。