德国赫斯曼电子公司

1.引言

    实际的应用需求推动着我们对网络实时性的不断追求。通常一个真正具有实时性的自动化解决方案，是在任何条件下都能满足控制操作对时间的要求。所有面向严格时间同步而设计的系统基本上都采用以下三个模式：

    基于报文的实时系统――这类系统是在控制周期内，通过对传感器和执行器进行轮巡检测，达到对时间控制的目的。PLC和SCADA系统之间通过I/O网络的通讯，就是该模式下实时应用的一个实例。

    基于周期的实时系统――这里周期不仅指控制器的执行周期，它也是网络的同步周期。传感器、执行器和控制器都工作在一个严格同步的周期内。运动控制所使用的网络，例如SERCOS网络，就是一个典型的基于周期同步的实际应用。

    基于时标的实时系统――在这个系统中的数据检测、控制运算和传动都是采用时标，参考本地实时时钟实现，而不是通过响应网络报文或外部中断实现的。在一个分布式系统中，这些本地时钟同步必须是非常精确。基于时标的系统虽然仍未在工厂自动化中广泛应用，但是现在已在一些DCS I/O输出中打上了时标。基于时标的系统已经在一些应用中大展手脚，例如太空船的控制。

    三种系统的比较如下：

    基于时标的实时网络已在测量和实验中得到应用，并将进一步应用到工厂自动化。它对于网络上本地时钟同步的要求很高。IEEE1588精确时间协议(PTP)是新的IEEE标准，是目前基于以太网实现精确时间同步的一个综合解决方案。这一协议最重要的特点是可以实现微秒级甚至小于1个微秒的时间同步。IEEE1588协议适用于小的同质/异质网络，它的设计者特别注意了较低的资源占用，从而可以使这一协议适用于低端和低成本的网络。它只需要最小的网络带宽，无需特别的内存和CPU性能要求。这一协议所需要的较少的管理工作也是很重要的。由于支持主时钟冗余，PTP系统可以自动采用最优的主时钟同步算法实现设置，同时支持容错功能。

2.IEEE1588的工作原理

    IEEE1588精确时间同步技术是基于IP组播通信实现的，不只限于以太网，它可以用在任何一个支持组播的总线系统中。根据同步过程中角色的不同，将网络上分为两类，主时钟和从时钟。提供同步时钟源的叫主时钟，而与之同步的时钟称为从时钟，因此主时钟和从时钟是相对的，任何一个网络时钟都可以充当主时钟和从时钟。

    每一个从时钟通过与主时钟交换同步报文实现与主时钟的时间同步。同步过程可以划分为两步：第一步是校正主时钟和从时钟之间的时差，即偏移值测量。在偏移值测量过程中，主时钟以固定的时间间隔（默认每2秒一次）周期性地发送同步报文（SYNC报文）到相联的从时钟。在发送同步报文时，主时钟测量出准确的发送时间（TM1）；从时钟在接收到同步报文时测量出准确的接收时间（TS1）。主时钟在后续报文（Follow up报文）中包括了上述发送时间TM1。为了提高精度，在接收到同步报文和相应的后续报文时，从时钟计算出其相对于主时钟的偏差，然后根据这个偏差校正从时钟Ts。如果不考虑在传输路径上实际会产生的延迟，这两个时钟就已经同步了。

3.IEEE1588与交换机

    协议的精度也取决于网络拓扑结构的延迟抖动。在极低负载或没有负载的情况下，第二层交换机的处理时间很短，一般为2至10μs加上报文接收时间。而采用新设计的交换机的延迟抖动更低，例如，赫斯曼的RS2-FX/FX交换机本身只有约0.4μs的延迟抖动。

    但由于交换机基于队列和存储/转发机制工作，因此队列中一个最长的数据包将可能给后续报文带来122μs的延迟，而在大负载情况下，队列中可能会包括不止一个长数据包。再者，该协议精度还取决于双向完全对称的延迟，而在大负载情况下，这一条件几乎是不可能保证的。

    采用数据包优先级，即IEEE802.D/p，实际上也不能解决上述问题，因为至少有一条最长数据包可能出现在同步报文之前，而它将带来122μs的传输时间抖动。而现有的交换机在采用优先级调度机制后，在同步报文之前的优先级队列中可能会有2至8个数据包。这意味着在大负载情况下延迟时间的抖动将从360μs到1ms。

    解决这些问题的方法是采用IEEE1588 Boundary时钟。这样，对于点对点连接，主时钟和从时钟之间将几乎没有延迟时间抖动，而且与交换机内部的队列延迟和抖动无关。

4.实验结果

    实验装置如图所示，我们将带IEEE1588增强功能的模块安装在Hirschmann模块化交换机（MICE系列）上面。为了考查同步性能，我们采用了以太网数据包发生器制造较高的网络负载，并在这两个交换机上各安装了一个PPS（Pulse Per Second）信号输出，将它们连接到一个示波器。我们在实验中所达到的同步精度（最大时间抖动）在±100ns以内，主时钟和从时钟之间的标准偏差为23.95ns，偏差平均值为-4.248ns。

5.结论

    IEEE1588所定义的精确时间协议（PTP）达到了小于一个微秒的同步精度，并具有实现更高精度的潜力。对于高精度的交换式以太网，推荐采用支持IEEE1588技术的以太网交换机。它非常适用于那些在一个有限的网络域中要求实现高精度分布式时钟同步的应用。