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技術文章
以太網的時鐘同步（1588時鐘）
點擊次數：6707 發布時間：2011-3-11
IEEE1588標準定義了一個在測量和自動化系統中的時鐘同步協議。該協議特別適合于以太網，可以實現微秒級高精度的時鐘同步。
以太網的時鐘同步
IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的同步時鐘的協議（PTP）。此協議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。由此，目前已經開展的大量工作力將該協議整合到一些基于以太網的自動化協議中。甚至一些嚴格定義的協議，如Powerlink和EtherCat也將拓展到IEEE1588協議。
以太網的時鐘同步
IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的同步時鐘的協議（PTP）。此協議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。由此，目前已經開展的大量工作力將該協議整合到一些基于以太網的自動化協議中。甚至一些嚴格定義的協議，如Powerlink和EtherCat也將拓展到IEEE1588協議。
IEEE1588的歷史
在過去幾年中，一些研究機構和商業組織一直在研究設備之間，尤其是測量和控制設備之間的時鐘同步的技術。將這種技術標準化的公開討論開始于一些研發人員在工業自動化方面將IEEE1451系列標準應用于分布式系統的工作中。
在2000年的11月份，這種研究興趣發展成為一個委員會，并尋求了一些贊助，專門從事將時鐘同步問題標準化的工作。委員會的*次會議在2001年4月召開，會議決定向一些研究機構尋求贊助和支持。這些機構包括：電氣與電子工程師協會（IEEE），儀器與測量技術協會的傳感器委員會，國家標準與技術協會（NIST），該協會也在從事IEEE1451標準的起草工作。
委員會的成員包括來自于自動化研究，機器人研究，檢測與測量研究和測時研究方面的工程師，以及NIST協會的代表和美國軍方的代表。委員會向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準。
按照IEEE的規定，委員會遞交的草案在2002年經過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標準復查委員會，于2002年12月通過核準，并于三個月后出版了標準。從那以后IEEE1588標準的PDF文檔已經開始在其主頁上公布（http://ieee1588.nist.gov/），印刷品也提供訂購。
該標準的技術基礎來源于一家1999年從HP脫離的名為Agilent的公司。許多參數的測試需要在大型的、空間分散的、分隔式的系統中進行，而無法采用傳統的集中式的方法得到。Agilent公司將這項技術整合于Vantera gauging 系統中。此系統的時間精度大約為200ns。
自動化系統的時間印章
使用時間印章來同步本地時間的原理也可以使用在生產過程的控制中。在網絡通信時同步控制信號可能會有一定的波動，但它所達到的精度使得這項技術尤其適用于基于以太網的系統。通過采用這種技術以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。
在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
在過去幾年中，一些研究機構和商業組織一直在研究設備之間，尤其是測量和控制設備之間的時鐘同步的技術。將這種技術標準化的公開討論開始于一些研發人員在工業自動化方面將IEEE1451系列標準應用于分布式系統的工作中。
在2000年的11月份，這種研究興趣發展成為一個委員會，并尋求了一些贊助，專門從事將時鐘同步問題標準化的工作。委員會的*次會議在2001年4月召開，會議決定向一些研究機構尋求贊助和支持。這些機構包括：電氣與電子工程師協會（IEEE），儀器與測量技術協會的傳感器委員會，國家標準與技術協會（NIST），該協會也在從事IEEE1451標準的起草工作。
委員會的成員包括來自于自動化研究，機器人研究，檢測與測量研究和測時研究方面的工程師，以及NIST協會的代表和美國軍方的代表。委員會向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準。
按照IEEE的規定，委員會遞交的草案在2002年經過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標準復查委員會，于2002年12月通過核準，并于三個月后出版了標準。從那以后IEEE1588標準的PDF文檔已經開始在其主頁上公布（http://ieee1588.nist.gov/），印刷品也提供訂購。
該標準的技術基礎來源于一家1999年從HP脫離的名為Agilent的公司。許多參數的測試需要在大型的、空間分散的、分隔式的系統中進行，而無法采用傳統的集中式的方法得到。Agilent公司將這項技術整合于Vantera gauging 系統中。此系統的時間精度大約為200ns。
自動化系統的時間印章
使用時間印章來同步本地時間的原理也可以使用在生產過程的控制中。在網絡通信時同步控制信號可能會有一定的波動，但它所達到的精度使得這項技術尤其適用于基于以太網的系統。通過采用這種技術以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。
在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
系統組件
一個1588時鐘（PTP）系統包括多個節點，每一個都代表一個時鐘。每個時鐘之間經由網絡連接。按工作原理可以分為兩種時鐘：普通時鐘和邊界時鐘。它們之間的區別是普通時鐘只有一個PTP端口，而邊界時鐘包括多個PTP端口。在網絡中，每一個時鐘都可能處于下面幾種狀態：從屬時鐘、主時鐘和原主時鐘。
一個簡單系統包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據*化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。
如果多個PTP子系統需要互聯，則必須由邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。
因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。
同步的基本原理包括時間發出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息“加蓋”時間印章。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網絡中的時鐘誤差和延時。
一個1588時鐘（PTP）系統包括多個節點，每一個都代表一個時鐘。每個時鐘之間經由網絡連接。按工作原理可以分為兩種時鐘：普通時鐘和邊界時鐘。它們之間的區別是普通時鐘只有一個PTP端口，而邊界時鐘包括多個PTP端口。在網絡中，每一個時鐘都可能處于下面幾種狀態：從屬時鐘、主時鐘和原主時鐘。
一個簡單系統包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么活動的主時鐘將根據*化的主時鐘算法決定。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。
如果多個PTP子系統需要互聯，則必須由邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。
因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過邊界時鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統。邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。
同步的基本原理包括時間發出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息“加蓋”時間印章。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網絡中的時鐘誤差和延時。
描述時間的信息
為了管理這些信息，PTP協議定義了四種多點傳送的信息類型：一種是同步信息，簡稱Sync；一種是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一種是延時要求信息，簡稱Delay_Req；還有一種是Delay_Req的回應信息，簡稱Delay_Resp。收到的信息回應是與時鐘當前的狀態有關的。
Sync信息是從主時鐘周期性發出的（一般為每兩秒一次），它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說Sync信息是包含了一個時間印章，地描述了數據包發出的預計時間。
由于信息包含的是預計的發出時間而不是真實的發出時間，所以Sync信息的真實發出時間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發出。Synce信息的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up信息中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據此更正從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網絡傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req信息來定義網絡的傳輸延時。
Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時鐘發出。與Sync信息一樣，發送方記錄準確的發送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp信息中，從而計算出網絡延時和時鐘誤差。同步的度與時間印章和時間信息緊密相關。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結合的方案可以達到微秒的精度。
為了管理這些信息，PTP協議定義了四種多點傳送的信息類型：一種是同步信息，簡稱Sync；一種是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一種是延時要求信息，簡稱Delay_Req；還有一種是Delay_Req的回應信息，簡稱Delay_Resp。收到的信息回應是與時鐘當前的狀態有關的。
Sync信息是從主時鐘周期性發出的（一般為每兩秒一次），它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性。總的來說Sync信息是包含了一個時間印章，地描述了數據包發出的預計時間。
由于信息包含的是預計的發出時間而不是真實的發出時間，所以Sync信息的真實發出時間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發出。Synce信息的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up信息中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據此更正從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網絡傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req信息來定義網絡的傳輸延時。
Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時鐘發出。與Sync信息一樣，發送方記錄準確的發送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp信息中，從而計算出網絡延時和時鐘誤差。同步的度與時間印章和時間信息緊密相關。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結合的方案可以達到微秒的精度。
IEEE 1588工作組
為了推進和聯合進行標準的完善和發展，2003年9月在IEEE的辦公地成立了以下三個工作組。
（1）使用者需求工作組 主要負責使用者對于IEEE1588協議的需求，使用者的構成，與其他標準的關系等。
（2）技術拓展工作組 主要負責IEEE1588的技術拓展和改進，如標記幀和ipv6的影響，非UDP應用，冗余和錯誤容差，以及IEEE1588的簡化等。
（3）一致性與解釋工作組 主要負責IEEE1588標準的解釋，認證過程、測試裝置和范例實現等。
為了推進和聯合進行標準的完善和發展，2003年9月在IEEE的辦公地成立了以下三個工作組。
（1）使用者需求工作組 主要負責使用者對于IEEE1588協議的需求，使用者的構成，與其他標準的關系等。
（2）技術拓展工作組 主要負責IEEE1588的技術拓展和改進，如標記幀和ipv6的影響，非UDP應用，冗余和錯誤容差，以及IEEE1588的簡化等。
（3）一致性與解釋工作組 主要負責IEEE1588標準的解釋，認證過程、測試裝置和范例實現等。
與其他協議之間的比較
IEEE1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網絡的同步協議如SNTP或NTP相比，主要的區別是：PTP是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少。
PTP主要針對于相對本地化、網絡化的系統，子網較好，內部組件相對穩定，特別適合于工業自動化和測量環境。與PTP協議不同，NTP協議是針對于廣泛分散在互聯網上的各個獨立系統的安全描述。GPS（基于衛星的定位系統）也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統。
PTP定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度，設定冗余的網絡路徑進入PTP協議的非激活狀態。與SNTP和NTP相反，時間印章更容易在硬件上實現，并且不局限于應用層，這使得PTP可以達到微秒以內的精度。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。
IEEE1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網絡的同步協議如SNTP或NTP相比，主要的區別是：PTP是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少。
PTP主要針對于相對本地化、網絡化的系統，子網較好，內部組件相對穩定，特別適合于工業自動化和測量環境。與PTP協議不同，NTP協議是針對于廣泛分散在互聯網上的各個獨立系統的安全描述。GPS（基于衛星的定位系統）也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統。
PTP定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度，設定冗余的網絡路徑進入PTP協議的非激活狀態。與SNTP和NTP相反，時間印章更容易在硬件上實現，并且不局限于應用層，這使得PTP可以達到微秒以內的精度。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。
特點概述
IEEE1588所定義的網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。
由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。例如Jetter公司的JetSync產品，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都已經將產品擴展到了1588標準。ODVA公司也宣稱將該標準融入EtherNet/IP，命名為CIPsync。
IEEE1588所定義的網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。
由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。例如Jetter公司的JetSync產品，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都已經將產品擴展到了1588標準。ODVA公司也宣稱將該標準融入EtherNet/IP，命名為CIPsync。