0 引言

    隨著計算機和通信技術的飛速發(fā)展，時間統(tǒng)一系統(tǒng)在測控,、航天,、工業(yè)控制等領域的應用越來越廣泛，例如,，時間統(tǒng)一系統(tǒng)為指揮控制系統(tǒng),、航空航天信息處理系統(tǒng),、工業(yè)控制網(wǎng)絡等提供精確、可靠,、統(tǒng)一的時間,，同時，各應用領域?qū)λ璧臅r間統(tǒng)一系統(tǒng)的性能要求也越來越高^[1-2],。

    時間統(tǒng)一系統(tǒng)的主要功能是提供標準的時間和脈沖中斷信號,，使其所處的信息系統(tǒng)有一個統(tǒng)一的時間標準。目前在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中應用最廣泛的時間同步協(xié)議是NTP協(xié)議,，但是該協(xié)議的同步精度為毫秒級,，無法滿足高精度要求的應用場景^[3-4]。并且,，在NTP協(xié)議的條件下,，系統(tǒng)主時鐘一般都是固定的，一旦系統(tǒng)中的主時鐘出現(xiàn)異常,，整個系統(tǒng)的授時就會癱瘓,，所以，提升時間統(tǒng)一系統(tǒng)的魯棒性也是一個亟需解決的問題,。因此,，設計并實現(xiàn)一個高精度、高可靠性的時間統(tǒng)一系統(tǒng),，提升時間統(tǒng)一系統(tǒng)的同步精度,、魯棒性，對于測控,、航天,、工業(yè)控制等領域具有重大現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)架構

    本文基于PTP協(xié)議構建了一個高可靠的時間統(tǒng)一系統(tǒng),，系統(tǒng)由時間服務器和時統(tǒng)軟件兩部分組成,。在本系統(tǒng)中，PTP時間服務器為整個系統(tǒng)的時間源,，時統(tǒng)軟件接收時間源的同步信號,，校正本地時間。PTP時間服務器通過網(wǎng)絡交換機連接服務器,，服務器配置專用網(wǎng)卡來接收網(wǎng)絡傳輸?shù)腜TP信號,；安裝于服務器上的時統(tǒng)軟件獲得網(wǎng)卡的時間信息，進行解碼并輸出對時信號和脈沖中斷信號,。系統(tǒng)架構圖如圖1所示,。

2 基于PTP授時的雙機熱備的實現(xiàn)

    為了解決時間同步精度較低、魯棒性較差等問題,，本系統(tǒng)采用PTP協(xié)議進行網(wǎng)絡授時,，且本系統(tǒng)采用兩臺時間服務器及BMC算法來實現(xiàn)系統(tǒng)的雙機熱備功能,。

2.1 PTP同步原理

    PTP協(xié)議的時間戳記錄在MAC層，消除了在NTP協(xié)議中一直存在的協(xié)議棧的延遲和抖動,，從而提高授時精度,。PTP協(xié)議主要通過4種類型的報文來測量時鐘偏差和網(wǎng)絡延時，分別是：Sync報文,、Follow_Up報文、Delay_Req報文,、Delay_Resp報文[5-7],。其具體的時間同步過程如圖2所示。

    具體原理如下：

    (1)主時鐘在t₁時刻發(fā)送Sync消息：如果為1588 one-step機制,，則Sync消息包含有發(fā)送時間,；如果為1588 two-step機制，則Sync消息僅發(fā)送發(fā)送時間值的估計值,，即t₁的估計值,，然后在Follow_Up消息中再發(fā)送精確的t₁值。

    (2)從時鐘記下收到Sync消息的時間t₂,，然后在t₃時刻發(fā)送Delay_Req消息,。

    (3)主時鐘記下收到Delay_Req消息的時間t₄，然后發(fā)送攜帶t₄值的Delay_Resp消息給從時鐘,。

    (4)假設主從時鐘之間的鏈路延遲是對稱的,，從時鐘根據(jù)已知的t₁、t₂,、t₃,、t₄值，計算出Offset值與Delay值,。

    計算過程如下：

    假設從時鐘超前主時鐘的值為Offset,，則有：

則本地時間糾正值為本地時間值減去Offset值與Delay值之和。

2.2 雙機熱備實現(xiàn)原理

    在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中,，主時鐘的異常會導致整個系統(tǒng)的授時癱瘓,。在航天、測控,、工業(yè)控制等領域,，這種情況的出現(xiàn)對所需授時的信息系統(tǒng)的影響是致命的，它可能會帶來無法挽回的損失,。因此,，在這些要求較高的應用領域中實現(xiàn)時間統(tǒng)一系統(tǒng)的雙機熱備，并進一步達到雙機切換的無縫銜接,，是十分有必要的,。對此問題的解決,，BMC算法提供了很好的理論依據(jù)。雙機熱備原理圖如圖3所示,。

2.2.1 雙機熱備工作模式

    在BMC算法的理論基礎上,，為了防止算法運行過程中受到無法預測的干擾而導致系統(tǒng)授時出現(xiàn)故障，本系統(tǒng)共實現(xiàn)了兩種雙機熱備工作模式,。兩種雙機熱備工作模式的實現(xiàn)原理如下：

    (1)手動設置主時鐘

    根據(jù)本系統(tǒng)實際工作環(huán)境,，網(wǎng)絡授時采用發(fā)送/接收組播數(shù)據(jù)包的模式進行相關報文的交互，因此,，PTP時間服務器運行狀態(tài)穩(wěn)定后（鎖定后）,，可將其中一臺設置為組播模式，其余的設置為單播模式,，且將所有的PTP時間服務器設置為較高的同一優(yōu)先級,。

    通過如上的設置，實現(xiàn)了當前網(wǎng)絡中只有一臺設備發(fā)包,，進而實現(xiàn)熱備功能,。其中，保持為組播模式的PTP時間服務器為主時鐘,，單播模式的為備時鐘,。另外，傳輸模式中單播與組播模式可無縫切換無需重啟服務,，保障了運行的可靠性,。

    (2)自動選擇主時鐘

    ①正常工作情況

    首先，整個時間統(tǒng)一系統(tǒng)會選擇一臺PTP時間服務器作為主時鐘,，該模式的工作原理為：當PTP時間服務器開機并鎖定后,，均從時統(tǒng)專網(wǎng)上獲取時間報文，并從中解析出所需的參數(shù)值,，再根據(jù)BMC算法的相應參數(shù)值進行判斷,，符合相應條件的即為主時鐘(Master)，其余的為從時鐘(Slave),。然后,，主時鐘對整個系統(tǒng)進行授時。

    ②異常工作情況

    主時鐘(Master)發(fā)生故障或物理鏈路波動導致授時精度下降時,，系統(tǒng)會根據(jù)BMC算法的判定結果選定新的主時鐘,，即主時鐘(Master)自動切換為數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的從時鐘(Slave)。

2.2.2 最佳主時鐘算法

    BMC算法能夠?qū)φ麄€時間統(tǒng)一系統(tǒng)進行自適應授時調(diào)整,，它包括數(shù)據(jù)集比較算法和端口狀態(tài)決策算法^[7-9],。

    (1)數(shù)據(jù)集比較算法

    在PTP時間統(tǒng)一系統(tǒng)中，每個協(xié)議節(jié)點定期向其他協(xié)議節(jié)點發(fā)送的Announce報文中攜帶了該節(jié)點及其父節(jié)點的時鐘質(zhì)量信息^[10]。數(shù)據(jù)集比較算法的比較對象是端口收到的時鐘質(zhì)量信息和本地時鐘default DS數(shù)據(jù)集^[11],。其需比較的具體信息及比較流程如圖4,、圖5所示，圖中A,、B分別代表端口收到的時鐘質(zhì)量信息和本地時鐘default DS數(shù)據(jù)集,。

    (2)端口狀態(tài)決策算法

    端口狀態(tài)決策算法的數(shù)據(jù)來源為：本地時鐘默認數(shù)據(jù)（D0）、PTP端口最佳報文（Erbest）,、最佳報文（Ebest）,。對于任一PTP端口r，對其收到的來自其他PTP端口的有效報文,，依次使用數(shù)據(jù)集比較算法,，就可以得到PTP端口最佳報文（Erbest）^[11-12]。然后,，對每個端口的Erbest依次使用數(shù)據(jù)集比較算法，就可以得到Ebest,。

    根據(jù)從這3個數(shù)據(jù)源得到數(shù)據(jù)的比較以及對本地時鐘等級的判定,，系統(tǒng)得出本地端口應處的狀態(tài)，包括主時鐘狀態(tài)（M1,、M2,、M3）、從時鐘狀態(tài)（S1）,、待機狀態(tài)（P1,、P2）。端口狀態(tài)決策流程圖如圖6所示,。

3 實驗結果

    本系統(tǒng)的實驗環(huán)境由2臺PTP時間服務器和相應的時統(tǒng)軟件組成,，按照如圖1所示系統(tǒng)架構圖進行部署。根據(jù)PTP時鐘優(yōu)先級設置規(guī)則,，PTP時間服務器為本系統(tǒng)內(nèi)主時鐘（設置為高優(yōu)先級）,，時統(tǒng)軟件為從時鐘（優(yōu)先級設置為255，無法被選擇為主時鐘）,。

    完成整個系統(tǒng)的部署后,，首先對本系統(tǒng)進行精度測試。將標準時鐘源的授時信號輸出到示波器上,，再選擇本系統(tǒng)中一臺服務器,，在服務器上利用時統(tǒng)軟件測試工具獲得的授時信號經(jīng)串口輸出到示波器上，調(diào)整示波器并進行上升沿的對比,，得出兩者的時延誤差,。系統(tǒng)測試結構圖如圖7所示，測試結果如圖8所示。

    如圖8所示,，本系統(tǒng)通過時統(tǒng)軟件獲取的穩(wěn)定時延誤差大概為710 ns,，遠遠低于NTP協(xié)議的毫秒級誤差，滿足本系統(tǒng)自身的高精度要求,。

    然后,，對本系統(tǒng)進行魯棒性測試。本系統(tǒng)正常運行時,，隨機選擇一時刻（本測試中為7時59分59秒）,，將PTP時間服務器1與網(wǎng)絡交換機斷開連接，測試結果如表1所示,。

    由表1可以看出,，將PTP時間服務器1斷開連接，對系統(tǒng)的運行并無影響,，系統(tǒng)并未出現(xiàn)時間斷續(xù),、跳變等異常情況，滿足本系統(tǒng)自身的高魯棒性要求,。

    另外,，在本系統(tǒng)中，服務器接收PTP信號需配置專用網(wǎng)卡,，為了使系統(tǒng)性能測試結果更加詳細,，更能體現(xiàn)出本系統(tǒng)的授時精度情況，在進行了上述兩項測試之后,，對本系統(tǒng)中所使用的網(wǎng)卡進行了自守時的測試,，大概收集了16個小時的數(shù)據(jù)，使用MATLAB將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線圖,，得出了如圖9所示的自守時精度及其一階擬合情況,。

    由圖9可得本系統(tǒng)所使用網(wǎng)卡的每秒時間漂移大概為80 ns（由圖中直線斜率得出），即隨著系統(tǒng)使用時間的增長,，本系統(tǒng)所使用的專用網(wǎng)卡對系統(tǒng)的授時精度有一定的影響,。

4 結論

    本文通過對基于PTP授時的高可靠時間統(tǒng)一系統(tǒng)進行理論研究、設計論證,，實現(xiàn)了一套基于PTP授時的,、適用可靠性要求較高的雙機熱備時間統(tǒng)一系統(tǒng)，提出了手動設置主時鐘與自動選擇主時鐘兩種雙機熱備工作模式,。本研究充分利用實際物理環(huán)境,，篩選使用場景，并進行了系統(tǒng)的搭建,、系統(tǒng)的性能測試,。結果表明，對比以往的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，本系統(tǒng)的時間同步精度為納秒級,，大大提升了時間統(tǒng)一系統(tǒng)的授時精度,；并且在雙機熱備自動切換的基礎上，增加了人工主動切換模式,，進一步提高了系統(tǒng)的魯棒性,。此外，在性能測試中,，對本系統(tǒng)中所使用的專用網(wǎng)卡進行了自守時精度測試,，也進一步展示了本系統(tǒng)相比于以往時間統(tǒng)一系統(tǒng)的性能優(yōu)化情況。

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作者信息:

馬  昭，葛文雙,，胡愛蘭,，張瑞權，張志成

(華北計算機系統(tǒng)工程研究所,，北京100083)