基于IEEE 1588的時鐘同步技術(shù)在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用
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3影響同步精度的因素
(1)網(wǎng)絡(luò)對稱性從圖1看出，分布式系統(tǒng)為計算其網(wǎng)絡(luò)延遲和時鐘偏移所進行的4次測量都是建立在報文的傳輸延遲(Delay)在傳輸方向上是相同的基礎(chǔ)上。但這只是理想的情況，在大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，Delay在傳輸方向上的差異會越來越大。造成同步精度的下降。但由于工業(yè)上的分布式系統(tǒng)多為相對本地化、局域網(wǎng)的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對穩(wěn)定的環(huán)境，因此可忽略Delay在傳輸方向上的差異。
(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)測量時，點對點的傳輸能提供最高的精度，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會對同步精度造成影響，當(dāng)采用Hub連接時，網(wǎng)絡(luò)延遲抖動為300～400 ns，當(dāng)采用交換機時，由于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)機制的影響，網(wǎng)絡(luò)延遲會隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化而變化，因此具有較大的抖動值，使得上述網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲測量方法精度大大降低。為此，PTP采用邊界時鐘(Bounday Clock)的方法解決這一問題，如圖2所示。在交換機內(nèi)部與主時鐘連接的端口可以看成從時鐘端口，在接收主時鐘發(fā)送的同步報文后調(diào)整自己的本地時鐘，然后用調(diào)整后的時鐘去同步所有與交換機主時鐘連接的從時鐘設(shè)備，這樣帶有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接就變成簡單的點對點連接，從而有效去除交換機所造成的延遲抖動。
(3)晶振的頻率由于產(chǎn)生時鐘的不同晶體本身的速度是不同的，而且晶體容易受溫度等影響，產(chǎn)生晶振漂移，引起誤差增大，因此需時從時鐘的晶振頻率進行補償。使從時鐘的晶振頻率與主時鐘保持一致。
4 時間戳的生成
基于以上方法，可有效消除主、從時鐘偏差和報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲，從而實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的時鐘同步。同步信息檢測和時間戳生成方法不同，時鐘同步精度也不一樣，IEEE802.3中規(guī)定以太網(wǎng)幀的基本結(jié)構(gòu)：前導(dǎo)碼、幀起始定界符、目的MAC、源MAC、長度、數(shù)據(jù)和幀校驗序列。其中，前導(dǎo)碼由7個‘1 0’交替的8位字節(jié)組成，用于信號同步；而幀起始定界符包含6位交替的‘1 0’及末位的2個1，末位的2個1通知接收端，跟在后面的是幀的實際字段，表示一幀開始。在以太網(wǎng)中，IEEE 1588所定義的各種時鐘報文(Sync報文等)均以UDP／IP多播包形式發(fā)送的，報文的時標(biāo)生成點位于幀起始定界符最后一位，如圖3所示。
IEEE 1588的同步原理決定了時鐘同步的精度主要取決于時間戳的精度。時間戳的加蓋有3種方法：
(1)硬件加蓋方式 時間戳主要加蓋在MAC層和PHY層之間的MII(media independent interface)層，這也是最精確的加蓋方式，需用硬件電路實現(xiàn)。
(2)軟件加蓋方式 時間戳加蓋在網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動層，在網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動程序中實現(xiàn)，精度略低。
(3)加蓋在應(yīng)用層 因為這種方式無需修改其他系統(tǒng)軟件，所以協(xié)議棧的操作延遲和負(fù)載都能對同步精度造成影響，因此同步精度最低。無論在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層還是在MII產(chǎn)生的時間戳都必須返回到PTP應(yīng)用層并經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)核處理，然后才發(fā)送到PTP終端，由此可以看出時間戳的生成決定了PTP協(xié)議的運行。只有獲得精確的時間戳才能發(fā)揮IEEE 1588所能達到的時鐘同步精度。
以太網(wǎng)自身的CSMMCD機制、上一層通信(如TCP及UDP)上進行的誤差檢測及翻譯障礙等，都占用以太網(wǎng)的時間。因此，用軟件方式產(chǎn)生時間戳，必須優(yōu)化加蓋時間戳的驅(qū)動程序以提高系統(tǒng)內(nèi)核處理帶有時間戳報文的運算效率，同時優(yōu)化報文發(fā)送前在網(wǎng)卡內(nèi)部的排序，減小程序運行和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對收發(fā)報文的影響，從而降低報文發(fā)送過程中的軟件延遲和抖動。
在以太網(wǎng)中，也可以在物理層放置硬件電路加蓋時間戳，這樣可以避免協(xié)議棧上部較大的時間抖動，消除報文傳輸中的網(wǎng)絡(luò)延遲。由于主從時鐘不同步的原因除了網(wǎng)絡(luò)延遲外還有時鐘偏差，可以采用頻率可調(diào)時鐘來校正從時鐘相對主時鐘的時鐘偏差，根據(jù)從時鐘處得出的自身與主時鐘的偏差計算出相應(yīng)的頻率補償值，從而控制時鐘計數(shù)器的數(shù)值達到與主時鐘的同步。硬件電路從物理層獲得每個發(fā)送和接收報文的比特流，并記錄時間戳信息，判斷其是否為IEEE 1588相關(guān)協(xié)議報文，如果是相關(guān)報文，則把時間戳信息傳送給上層軟件，否則丟棄該報文的時間戳信息。對于100 M以太網(wǎng)，由于采用4B／SB編碼和Scrambler技術(shù)，只能在物理層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的MII層加蓋時間戳信息。IEEE 1588時鐘同步實現(xiàn)過程如圖4所示。
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