0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)在測控、航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，例如，時(shí)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(luò)等提供精確、可靠、統(tǒng)一的時(shí)間，同時(shí)，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ璧臅r(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的性能要求也越來越高^[1-2]。

    時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的主要功能是提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間和脈沖中斷信號，使其所處的信息系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。目前在時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的時(shí)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(yīng)用場景^[3-4]。并且，在NTP協(xié)議的條件下，系統(tǒng)主時(shí)鐘一般都是固定的，一旦系統(tǒng)中的主時(shí)鐘出現(xiàn)異常，整個(gè)系統(tǒng)的授時(shí)就會癱瘓，所以，提升時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的魯棒性也是一個(gè)亟需解決的問題。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度、高可靠性的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，提升時(shí)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(lǐng)域具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

2 基于PTP授時(shí)的雙機(jī)熱備的實(shí)現(xiàn)

    為了解決時(shí)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，且本系統(tǒng)采用兩臺時(shí)間服務(wù)器及BMC算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙機(jī)熱備功能。

2.1 PTP同步原理

    PTP協(xié)議的時(shí)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(dòng)，從而提高授時(shí)精度。PTP協(xié)議主要通過4種類型的報(bào)文來測量時(shí)鐘偏差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，分別是：Sync報(bào)文、Follow_Up報(bào)文、Delay_Req報(bào)文、Delay_Resp報(bào)文[5-7]。其具體的時(shí)間同步過程如圖2所示。

    具體原理如下：

    (1)主時(shí)鐘在t₁時(shí)刻發(fā)送Sync消息：如果為1588 one-step機(jī)制，則Sync消息包含有發(fā)送時(shí)間；如果為1588 two-step機(jī)制，則Sync消息僅發(fā)送發(fā)送時(shí)間值的估計(jì)值，即t₁的估計(jì)值，然后在Follow_Up消息中再發(fā)送精確的t₁值。

    (2)從時(shí)鐘記下收到Sync消息的時(shí)間t₂，然后在t₃時(shí)刻發(fā)送Delay_Req消息。

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

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

    計(jì)算過程如下：

    假設(shè)從時(shí)鐘超前主時(shí)鐘的值為Offset，則有：

則本地時(shí)間糾正值為本地時(shí)間值減去Offset值與Delay值之和。

2.2 雙機(jī)熱備實(shí)現(xiàn)原理

    在時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中，主時(shí)鐘的異常會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的授時(shí)癱瘓。在航天、測控、工業(yè)控制等領(lǐng)域，這種情況的出現(xiàn)對所需授時(shí)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(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的雙機(jī)熱備，并進(jìn)一步達(dá)到雙機(jī)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(jī)熱備原理圖如圖3所示。

2.2.1 雙機(jī)熱備工作模式

    在BMC算法的理論基礎(chǔ)上，為了防止算法運(yùn)行過程中受到無法預(yù)測的干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)授時(shí)出現(xiàn)故障，本系統(tǒng)共實(shí)現(xiàn)了兩種雙機(jī)熱備工作模式。兩種雙機(jī)熱備工作模式的實(shí)現(xiàn)原理如下：

    (1)手動(dòng)設(shè)置主時(shí)鐘

    根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)授時(shí)采用發(fā)送/接收組播數(shù)據(jù)包的模式進(jìn)行相關(guān)報(bào)文的交互，因此，PTP時(shí)間服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后（鎖定后），可將其中一臺設(shè)置為組播模式，其余的設(shè)置為單播模式，且將所有的PTP時(shí)間服務(wù)器設(shè)置為較高的同一優(yōu)先級。

    通過如上的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中只有一臺設(shè)備發(fā)包，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱備功能。其中，保持為組播模式的PTP時(shí)間服務(wù)器為主時(shí)鐘，單播模式的為備時(shí)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(wù)，保障了運(yùn)行的可靠性。

    (2)自動(dòng)選擇主時(shí)鐘

    ①正常工作情況

    首先，整個(gè)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)會選擇一臺PTP時(shí)間服務(wù)器作為主時(shí)鐘，該模式的工作原理為：當(dāng)PTP時(shí)間服務(wù)器開機(jī)并鎖定后，均從時(shí)統(tǒng)專網(wǎng)上獲取時(shí)間報(bào)文，并從中解析出所需的參數(shù)值，再根據(jù)BMC算法的相應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行判斷，符合相應(yīng)條件的即為主時(shí)鐘(Master)，其余的為從時(shí)鐘(Slave)。然后，主時(shí)鐘對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)。

    ②異常工作情況

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

2.2.2 最佳主時(shí)鐘算法

    BMC算法能夠?qū)φ麄€(gè)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)授時(shí)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(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中，每個(gè)協(xié)議節(jié)點(diǎn)定期向其他協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Announce報(bào)文中攜帶了該節(jié)點(diǎn)及其父節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(shí)鐘質(zhì)量信息和本地時(shí)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(shí)鐘質(zhì)量信息和本地時(shí)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(shí)鐘默認(rèn)數(shù)據(jù)（D0）、PTP端口最佳報(bào)文（Erbest）、最佳報(bào)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(bào)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(bào)文（Erbest）^[11-12]。然后，對每個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)源得到數(shù)據(jù)的比較以及對本地時(shí)鐘等級的判定，系統(tǒng)得出本地端口應(yīng)處的狀態(tài)，包括主時(shí)鐘狀態(tài)（M1、M2、M3）、從時(shí)鐘狀態(tài)（S1）、待機(jī)狀態(tài)（P1、P2）。端口狀態(tài)決策流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境由2臺PTP時(shí)間服務(wù)器和相應(yīng)的時(shí)統(tǒng)軟件組成，按照如圖1所示系統(tǒng)架構(gòu)圖進(jìn)行部署。根據(jù)PTP時(shí)鐘優(yōu)先級設(shè)置規(guī)則，PTP時(shí)間服務(wù)器為本系統(tǒng)內(nèi)主時(shí)鐘（設(shè)置為高優(yōu)先級），時(shí)統(tǒng)軟件為從時(shí)鐘（優(yōu)先級設(shè)置為255，無法被選擇為主時(shí)鐘）。

    完成整個(gè)系統(tǒng)的部署后，首先對本系統(tǒng)進(jìn)行精度測試。將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源的授時(shí)信號輸出到示波器上，再選擇本系統(tǒng)中一臺服務(wù)器，在服務(wù)器上利用時(shí)統(tǒng)軟件測試工具獲得的授時(shí)信號經(jīng)串口輸出到示波器上，調(diào)整示波器并進(jìn)行上升沿的對比，得出兩者的時(shí)延誤差。系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，測試結(jié)果如圖8所示。

    如圖8所示，本系統(tǒng)通過時(shí)統(tǒng)軟件獲取的穩(wěn)定時(shí)延誤差大概為710 ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行魯棒性測試。本系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)選擇一時(shí)刻（本測試中為7時(shí)59分59秒），將PTP時(shí)間服務(wù)器1與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)斷開連接，測試結(jié)果如表1所示。

    由表1可以看出，將PTP時(shí)間服務(wù)器1斷開連接，對系統(tǒng)的運(yùn)行并無影響，系統(tǒng)并未出現(xiàn)時(shí)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(wù)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(jié)果更加詳細(xì)，更能體現(xiàn)出本系統(tǒng)的授時(shí)精度情況，在進(jìn)行了上述兩項(xiàng)測試之后，對本系統(tǒng)中所使用的網(wǎng)卡進(jìn)行了自守時(shí)的測試，大概收集了16個(gè)小時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的增長，本系統(tǒng)所使用的專用網(wǎng)卡對系統(tǒng)的授時(shí)精度有一定的影響。

4 結(jié)論

    本文通過對基于PTP授時(shí)的高可靠時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行理論研究、設(shè)計(jì)論證，實(shí)現(xiàn)了一套基于PTP授時(shí)的、適用可靠性要求較高的雙機(jī)熱備時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，提出了手動(dòng)設(shè)置主時(shí)鐘與自動(dòng)選擇主時(shí)鐘兩種雙機(jī)熱備工作模式。本研究充分利用實(shí)際物理環(huán)境，篩選使用場景，并進(jìn)行了系統(tǒng)的搭建、系統(tǒng)的性能測試。結(jié)果表明，對比以往的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，本系統(tǒng)的時(shí)間同步精度為納秒級，大大提升了時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的授時(shí)精度；并且在雙機(jī)熱備自動(dòng)切換的基礎(chǔ)上，增加了人工主動(dòng)切換模式，進(jìn)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(jìn)行了自守時(shí)精度測試，也進(jìn)一步展示了本系統(tǒng)相比于以往時(shí)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(quán)，張志成

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083)