IEEE1588精确时间协议的研究与应用

IEEE_1588协议IEEE1588协议，也称为精密时钟同步协议，是一个用于实时系统中精确同步时钟的网络协议。

它的目标是提供亚微秒级的时钟同步精度，以满足高精度和高同步性能的实时应用需求。

IEEE1588协议主要用于工业自动化、电力系统、通信系统等领域，能够实现在分布式系统中所有时钟设备之间的同步。

IEEE 1588协议的原理是基于主从模式，其中一个设备是主时钟（Master Clock），该设备通过发送同步消息来广播时间信息，其他设备则是从时钟（Slave Clock），它们通过接收同步消息来校正自身的时钟。

主从模式可以实现网络中所有设备的时间同步，但是主时钟设备需要提供高精准的参考时钟。

IEEE1588协议的消息格式如下：1. Sync消息（同步消息）：主时钟设备通过此消息广播时间信息，从时钟设备通过解析此消息来校正自身的时钟。

2. Delay_Req消息（延迟请求消息）：从时钟设备通过向主时钟设备发送此消息来计算时钟矫正的延迟。

3. Follow_Up消息（跟随消息）：主时钟设备通过此消息回复Delay_Req消息，包含时钟矫正延迟的信息。

4. Delay_Resp消息（延迟响应消息）：主时钟设备通过此消息回复Delay_Req消息，包含时钟矫正延迟的信息。

5. PDelay_Req消息（精确延迟请求消息）：用于测量主从时钟之间的延迟。

6. PDelay_Resp消息（精确延迟响应消息）：用于回复PDelay_Req消息，包含主从时钟之间的延迟信息。

7. Announce消息（通告消息）：用于通知网络中的设备主时钟的更改。

IEEE 1588协议的核心算法是时钟同步算法，该算法通过计算往返时延（Round-Trip Delay）来实现时钟同步。

往返时延包括主时钟设备发送Sync消息到从时钟设备接收到Follow_Up消息的时间，以及从时钟设备收到Delay_Resp消息到主时钟设备接收到的时间。

IEEE 1588精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术【摘要】IEEE 1588精确时间同步协议（PTP）解决了通用以太网延迟时间和同步能力差的瓶颈，在自动化、通信等工业领域具有重要意义，本文介绍了IEEE 1588标准在智能变电站建设中应用的关键技术，包括PTP时钟同步模型以及同步过程，分析了PTP网络结构中的设备类型以及主从时钟的偏移和网络延时的修正，最后分析了PTP时钟设备冗余配置的必要性，给出了时钟设备冗余配置的方法。

【关键词】IEEE 1588 PTP 智能变电站时钟同步目前，在变电站自动化系统中广泛应用的对时方式主要有GPS同步脉冲对时，NTP（Network Time Protocol）网络时间协议，SNTP（Simple Network Time Protocol）简单网络时间协议对时等对时方式。

随着数字化变电站的发展使得站内二次硬接线逐渐被串行通信线所取代，GPS对时技术已不适用于新兴的数字化智能变电站网络系统，而NTP/SNTP时间同步协议的时间同步精度仅能到到ms 级，不能满足具有高精度和稳定性要求的电力自动化设备的需求，因此最终提出了IEEE 1588标准，它定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（Precision Time Protocol，PTP），其网络对时精度可达亚μs级，满足电力系统自动化设备对时间精度的要求，并且所占用网络和硬件资源较少，因此IEEE 1588网络对时方式是应用于智能变电站的理想对时方式[3]。

1 PTP时钟同步模型PTP系统是分布式网络系统，由PTP设备和非PTP设备组成。

下图1为一个典型的PTP分布式系统。

其中，OC（Ordinary Clock）为普通时钟，普通时钟可能是一个系统的最高级主时钟（Grandmaster Clock，GC），也可能是主、从时钟体系中的从时钟（Slave）。

BC（Boundary Clock）为边界时钟，PTP设备通过网络彼此通信，PTP协议在一个叫做域的逻辑范围内运行。

IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现IEEE1588，也被称为精确时间协议（PTP），是一种用于网络中实现高精度时间同步的协议。

它在各种工业应用和通信系统中被广泛采用，因为它可以提供微秒级甚至亚微秒级的精度，满足了许多应用的实时性要求。

首先，IEEE 1588协议需要在网络中选择一个主时钟（Master Clock），作为时间同步的源头。

主时钟拥有最高的时间精度，并将其时间信息通过数据包广播给其他时钟节点。

其他节点被称为从时钟（Slave Clock），它们通过接收到的时间数据来调整自身的时钟，并与主时钟保持同步。

在主时钟启动时，它会周期性地发送特殊的数据包，称为同步事件（Sync Event）。

这些数据包包含了主时钟的当前时间戳，从时钟接收到这些数据包后，会记录接收时间戳。

当从时钟收到一定数量的同步事件后，它会计算出与主时钟的相对时间差，并根据这个时间差来调整自身的时钟。

为了确保时间同步的准确性，IEEE 1588采用了两个重要的概念，即时钟同步和时间戳校准。

时钟同步通过周期性的同步事件来实现，从而减小网络延迟带来的时间误差。

而时间戳校准则通过周期性地发送延迟请求（Delay Request）和延迟响应（Delay Response）数据包来估计网络延迟，并相应地调整时间戳。

在实际的实现中，IEEE1588通常使用硬件支持或软件实现的方式。

硬件支持一般通过专用的电路芯片或FPGA来实现，它们能够提供更高的时间精度和更低的延迟。

而软件实现则是在通用的计算机上运行，通过操作系统和网络协议栈来实现时间同步功能。

在软件实现中，IEEE1588通常依赖于操作系统的时钟服务和网络协议栈。

操作系统的时钟服务提供了计算机系统的时间信息，并提供了时间戳的功能。

网络协议栈则负责封装和发送数据包，并处理收到的数据包以提取时间戳信息。

在实现中，需要考虑以下几个关键问题：1.时间同步精度：在实现中，需要根据具体应用的要求选择合适的时钟源和自适应算法，以达到所需的精度。

GPON系统1588时间同步技术的研究与应用汪坤;刘华【摘要】GPON作为移动通信的基站回传方案需要支持高精度的时间同步, 本文首先简单介绍了IEEE 1588v2协议基本机制,然后分析了在GPON系统中实现1588的几大难点,并介绍了烽火GPON特殊系统框架下的时间同步实现方案架构,给出了可靠的测试数据,最后针对GPON系统时间同步还存在的问题提出了针对性的建议.%As the solution of wireless backhaul, GPON has to support high accuracy time synchronization. This paper briefly introduces the basic mechanism of IEEE 1588v2 protocol firstly. Secondly, it analyzes several major difficulties of realizing 1588 in GPON system. Then it describes the time synchronization implementation schema of Fiberhome's special GPON system frame, and provides reliable experimental data. At last, this paper makes specific recommendations for existence problem of time synchronization in GPON system.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)020【总页数】4页(P56-59)【关键词】基站回传;时间同步;IEEE1588v2;GPON;内部同步机制【作者】汪坤;刘华【作者单位】武汉邮电科学研究院湖北武汉 430074;烽火通信科技股份有限公司湖北武汉 430073【正文语种】中文【中图分类】TN929.11近年来，随着3G技术的普及和4G时代的来临，无线业务出现了爆炸式的增长。

IEEE1588精密时钟同步协议的研究与实现的开题报告一、选题背景：随着信息技术的不断发展，计算机、通信、控制等领域对精确时间同步的需求越来越高。

例如，在通信领域，VoIP、视频会议等实时应用需要保证网络中的各节点时间同步，以保证通信质量。

而在控制领域，多个设备需要协同工作，需要同步时钟，否则就会导致系统崩溃。

此外，金融、无线电通信等领域对时间同步的要求也日益严格。

传统的时间同步方法主要依靠网络中的网络时间协议(NTP)或者数字钟同步协议(DCF77)等，但是它们在精度、可靠性、抗干扰性等方面存在一定的局限性。

因此，IEEE1588精密时间协议应运而生。

二、选题意义：IEEE1588是一种精密时间同步协议，其特点是精度高、可靠性强、可扩展性好和自适应性等。

该协议已经广泛应用于工业自动化、电力系统、通信和交通等领域，成为了实时应用的首选。

本课题旨在研究IEEE1588协议的相关技术，并结合具体应用场景，实现一个可靠高效的IEEE1588精密时间同步系统，以满足实时应用对时间同步的需求。

三、研究内容：（1）IEEE1588协议的相关技术研究，包括协议架构、时钟模型、时钟同步算法等方面的内容。

（2）IEEE1588精密时间同步系统的设计和实现，考虑到各种实际应用情况，应该充分考虑各种能影响系统稳定性的因素，如时延、抖动、同步误差等。

（3）对系统进行实验验证，比较不同因素对系统影响的情况，优化系统的性能和稳定性。

四、研究方法：（1）文献调研法：对IEEE1588协议的相关领域进行查找和学习，对相关论文进行调研和分析，逐步建立自己的知识体系。

（2）实验法：通过开发一个IEEE1588精密时间同步系统的实现，探究和验证系统的可靠性、精度和效率等方面的因素。

（3）对比分析法：在实验中，结合其他同步算法进行对比分析，以进一步优化IEEE1588的效能和稳定性。

五、预期成果：完成一个基于IEEE1588精密时间同步协议的实时同步系统，能够完整演示各个环节的功能和算法，对系统性能和稳定性进行评估和优化，为实现更高效的精密时间同步应用提供可行的方案。

ieee1588ptp授时原理及应用ieee1588因授时精度高，广泛应用在实验室、工业自动化、电力系统、导弹发射的遥控遥测系统和舰船雷达系统等通信行业。

本文将就ptp授时原理和特点进行简单说明。

ptp必须有硬件电路支持才可以使用，也就是说必须有主从搭配才能正常授时。

其工作原理是主时钟和从时钟之间周期性的交换时间同步信息。

同时精确的捕获信息包的发出和接受的时间，加盖时间戳信息。

从时钟通过接收主时钟发的同步信息、解析出时戳信息，通过某种算法计算出与主时钟的时间误差以及和网络中的传输延时，以此为依据将本地时钟信息进行校正。

PTP授时方式分为广播和单播，一般ieee1588主时钟多播可以带约200个客户端，单播最多100台，越多精度下降的越厉害。

如果使用高级ptp模块，性能指标各方面比较好的例如SYN2411型IEEE1588主时钟单播模式下最多带256台从时钟，一般建议200台即可，广播模式下，一路ptp可带约1千台从时钟。

同步精度小于等于30ns主时钟相对于外部参考，背靠背测试环境提的精度指标。

ptp授时精度从理论上来说主要受两方面的影响，一方面是打时间戳的位置另外是软件同步的算法。

打时间戳目前可以在物理层、数据链路层和应用层上进行，同时精度会依次降低。

一般来讲硬件单元包括UDP用户数据包协议传输层、网络连接协议IP传输层、MAC数据链路层、传输层和PHY物理层。

除了机箱式的ptp主从时钟以外，如在实际使用环境中对设备体积要求比较小，且单位有1588时钟模块的集成能力，可选择采购各种1588ptp板卡，体积小巧，性价比极高，做主做从都可以使用。

例如SYN2407C型授时模块使用时建议搭配SYN2306C型接收机同时使用，不然后期调试比较麻烦。

ieee1588ptp设备在实际的应用当中首先需要在网络的某个节点处部署一台ptp主时钟，然后将所有被授时的设备配置成ptp从节点，从节点不断地和主节点交换同步时间的报文，获得准确的时间信息从而校正本地时间，实现与主节点的同步，最终实现整个系统节点之间时间的高精度同步。

• 35•随着网络控制技术水平的不断提升，分布式控制系统也提出对时钟同步精度的更高标准，本文以IEEE1588精密时钟同步协议为例，对该高精度时钟的同步机制与校正原理阐述说明，并对IEEE1588协议的BMC（最佳主时钟）、LCS（本地时钟同步）两大核心算法进行分析，并以技术开发角度提出了IEEE1588精密时钟同步协议，应用于数字化通信机房的应用方案，通过系统测试发现了数字化通信机房内IEEE1588的高精度时间同步实现可行性。

IEEE1588作为一种精密时钟同步协议标准，主要应用于网络测量及控制系统中，作为新一代测控纵向LXI标准关键组成，为了可以更好的满足工业控制、仪器测量相关领域中微秒级标准的时间同步需求，IEEE1588标准自提出得以广泛应用。

IEEE1588标准代称网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，该标准原理就是经同步信号周期性，能够校正网络内的全部节点时钟达到同步，并基于以太网分布式系统，精准同步亚纳秒时钟。

IEEE1588标准较现阶段的GPS、NTP/SNTP达到配置简单优化、高精度且快速收敛，以及较小资源消耗与网络带宽特点。

对于时钟同步精度方面也要求更加严格，譬如运用于电力自动化系统、工业以太网、移动通信网等领域，引发人们的广泛关注。

1 IEEE1588时钟同步协议机制1.1 PTP时钟状态机PTP时钟同步系统作为包括主时钟、从时钟这样两部分之间构成主从关系的网络层次结构，以单个或多个PTP子域共同组成，并且每一个子域内都含有按个或多个彼此通信时钟。

在网络内每一个PTP时钟，都极有可能存在两种不同状态，具体状态主要取决于BMC算法，在主时钟状态下设备为精确时钟，能够与从时钟的时间同步，但是一个主时钟只能存在1个通信子域内。

对于PTP网络内每一个时钟设备，经周期性交换带有时间信息同步报文，能够计算主时钟和从时钟之间存在的偏差与网络延时，对偏差进行纠正，对延时进行补偿处理，能够做到主时钟和从时钟之间同步亚纳秒级。

IEEE1588时钟（PTP时钟系统）介绍展开全文1、 IEEE1588介绍IEEE1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，简称PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。

一个PTP系统是一个分布式的网络系统，它是由PTP设备和一部分非PTP设备组成。

PTP设备包括普通时钟（ordinary clocks），边界时钟（boundary clocks），端对端时钟（end-to-end transparent clocks），点对点时钟（peer-to-peer transparent clocks）和管理节点。

非PTP设备包括网桥，路桥及其他基础结构设备，也可能包括计算机，打印机和其他应用设备。

1.1 PTP设备分类1）Ordinary clock 普通时钟一个普通时钟通过基于一个物理端口上的两个逻辑接口在网络上通信。

事件接口用于发送和接收事件报文，通用接口用于发送和接受通用报文。

在一个PTP的域内，普通时钟只能处于唯一的一种状态，可以是主钟，也可以是从钟。

一个普通时钟维护两种类型的数据集：时钟数据集和端口数据集。

协议引擎负责：发送和接受PTP报文，维护数据集，执行与端口关联的状态机，根据接收到的PTP时间报文和产生的时间戳计算主机时间（如果端口处于从状态）。

2）Boundary clock 边界时钟边界时钟通常会有多个物理端口，每个物理端口有两个逻辑接口：时间和通用。

边界时钟的每个端口与普通时钟基本一致。

边界时钟所有的端口的时钟数据集是公用的，公用一个本地时间。

每个协议引擎会有额外的功能来解析所有端口的状态，从而决定哪个端口用来提供时间信号来同步本地时钟。