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1588时钟

1588时钟


摘要:数据传输及处理的综合要?求使局域网在测?试测量领域尽显技术优势?,新一代测试总线LXI应运而生。在现有以太网基础上开展测试测量,首先需要解决的是实现不?同终端设备之间的精密时钟同步,LXI采用IEEE1588。本文主要包含3个部分:?IEEE15?88同步元件的软硬件组成、精密时钟同步的实现及其精?确度测试?。

关键词:LXII?EEE1588同步



Analysisofthe≧PreciseTimeSynchronizationof?IEEE1588

Hu∣angYunshuiFen﹤gYuguang

Abstract:Withtheimprovingreq♂uirementofdatatransfer?ring?andcomple$xp″rocessingintestandmeasurement,anovel㎎LXIbusstandardcameintobeingaccordingly.Torealize?networkedtestandmeasuremen?t﹥on∮currentEthernetnmoletwork,precisetimesynchronizationamongdif?ferentterminalsshouldbea?chieved.Thisarticlemainlyincludesthreepma<rts:hardwareandsoftwareformationofI?EEE1588s∶ynchr?onizationdevices,imp-lementationofprecisesync?hronizationandaccur℉at£etest.?

Keywords:LXI,IEEE1588,synchronization.



0引言 ?

测试与测量(TestandMeasurement,T&M)的?发展以测试总线的发展为标志。测试总线从GPIB到VXI再∷到PXI,测试仪器也由机架式发展到了插卡式。但是T&M对数据传输与处理综合要求1588时钟的逐步提高使得这种发展已经远远不能满足㎏人们的需求,⌒于是以太网以其优秀的传输性能开始?被广泛采用。

人们开始在测试与测量系统中直接接入以太网,然后使?用GPIB、VXI或者PX≥I总线连接仪器,达到向远程地点传输数据或者从远程地点接收命令的目的。去年9月,Agilent公司和VXI科技公司联合推出了LXI(LANb?ased℅eXtens≦ionsforInstruments),这是一种适用于测试系统?的新一代基于LAN的模块化平台标准。LXI总线不受带宽、软件和计算机背板体系结构的限制,而且能利用日益增长的Ethernet吞吐能力。

LXI?是一种基于网络的仪器接口规范,为实现各×种终端设备之间的同步控制,采用了?以太网的精密时※间协议(PrecisionTimeProtocol,PTP),即IEEE1588。IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中,与网络交流、本地计∴算和分配对象有关的精确同步时钟的协议(PTP)。下面介绍这种精密时钟协议的体系结构、工作原理以及它的精度分析。



1IEEE1588%体系结构

1?.1关于精密时钟

?一个1588精密时钟£(PTP)系统包括多个节点,每一个都代表一个时钟,?时钟之间经由网络连接。按工作原理,时钟可以?分为普通时钟㎡和边界时钟两种。二者的区别是普通时钟只有一个PTP端口,而边界时钟包括多个PTP端口。在网络中,每一个时钟都可能处于下面3种状态:从属时钟(S﹣LAVE)、主时钟(MASTER)和原主时钟(PASSIVE)。每个时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法决定的,图2IEEE15?88的三层结构这些状态随着网络构造的改变而改变。

1.2PTP参考体系结构

PTP体系结构的特别÷之处在于硬件部分与?协议的分离,以及软件部分与协议的分离,因此,运行时对处理器的要求很低。?事实?上,下面可以看到,PTP的体系?结构?⊙是一种?完全脱离操作系统的软件结构。

PT*P参考体系结构如图1所示。硬件单元由一个高⊿度精确的实时时钟和一个用来产生时间印章的时间印章单元(TSU)组成。软件部分通过与?实时时?钟和硬件时间印章单元的¬联系来?实现时钟同步。





图1同步元件组成框图

PTP这种体系结构的目的是为了支持一种完全脱离操作系统的?软件组成模型,如图2所示。?根据抽象程度?的不同,PTP可分为3层结构:协议层、OS抽象≡层和=OS层。

协议层包含完成?±网?络时钟同步的精密时钟协议,它能运用在不同的通信元件?中(如PC、集线?器、路由器等)。协议层?中使用的仅仅是ANSI/ISOC中的保角函数(Con?formalFunctions),因此无需对不同平台的接∧口功能函数有很深的了解,就能很容易地移植该协议。协议层与OS抽象层之间的通信是通过一?个序列和3个精?确定义的接口实现的。

OS抽象层∩包含了基于操作系统的功能函数,




因此,这一层操作者必须掌握。这一层中包含PTP的3个通信接?口:时间印章接口、时钟接口、端口接口。时间×印章接口通过对Sync和D?elayReq信号加盖时间印章来提供精密时钟协议,同时根据精度需要决定到底是硬件还是软件产生时2间印章№。产生“软件时间印章”的最好方法是依赖操作?系统的NIC网络接口卡驱动,并且要在传输媒介中∠取得越近越好。通过?时钟接口能够对本地时钟进行读和更改的操作,当然,这些操作是建立在熟知各类功能函数的基础上。该接口包含了与时钟同步质量(如精确度、稳定度等)密切相o关的¥控制算法。端口接口用来分配/接收PTP信息。

这种模块化的软件平台在Windows与Linux中的?应用是通过软件中的时间印章实现的。纯粹的软件实现也能达到?大约100μ㏒s﹣的精确度,而且m精确度很有可能达*到小于10μs?的精确度。

1.3IEEE1588与集线器

IEEE1588的精确度与所基于网络拓扑结构的偏移?抖动(late﹢ncyjitter)密切相关。测量时,点对点连接能提供最高的精确度,≠而Hub的使用会产生网络抖动(ji?tt?er)。当负载很低或者根本没有负载时第二层集线器(Layer2switches)的处理时间很短,一般是2μs~10μs外加信息包接‖收时间。但是,集线器是以序列的方式处理和储μ存数据,采取“存储-转发”方式进行数据交换的。因此仅仅一个序列的最大长度信息包∑就会给下面的信息包造成大约122μs㎞的延迟,而且在高负载条件下,往往不止存在一个序列。

该协议的精确度的第二个问题是,(在下面的分析中可以看出)当考?虑偏移(l?atency)的时候假设从主时钟到从属时钟以及从从属时钟到主时钟是完全对称的,很显然,在较高的网络负载中这一点几乎是无法保证的。

IEEE80?2.2D∫/p信息包的优先权(Prioritization)根本无法真正解决上∪述问题。因为在这种协议中,至少在同步信息包的前面必须?有一个%长信息包,因此?,在传·输的过程中就会产生122μs′的抖动,而且一般在优先程序(priorityscheduler)后面会存在一个有2到8个信息包的序列,而且还可能不≤止一个序列,这就意味㏕着在重负载的条件下,∞将会存在360μs到1ms的抖动。这个问题的解决方法是在集线器中使用IEEE1588边界时钟。这样就只存在点ml对点连接,在主?时钟和从属时钟之间几乎不存在抖动,而且,集线器内部序列的延迟§(抖动)(delay/∥jitter)也不会3有任?何关系了。在本文精度测试>的试验中就是接入了?边界时钟后进行的测试,如图3所示。





图3边界时钟的使用2¤IEEE1588的时间同步实现

同步¢过程分为两个阶段:偏移测量阶段和延?迟测量阶段。

2.1偏移测量

偏移?测量阶段用来修正主时钟和◎从属时钟的时间差=。在这个偏移修正过程中,主时钟周期性发出一个确定的同步信息?(简称Sync信?息)(一般为每两秒一次),它包+含了一个时间印章(timestamp),精确地描述了数据包发出的?预计时间。如图4所示∟,假设同?步之前主时钟的时间为Tm=1050s,而从属时钟的时间为Ts=1000∈s。主?时钟测量出发送的准确时间TM1,而∝〒从属时钟测量出接收的准确时间TS1。由于信息包含的是预计的发出≯时间而不是真实的发出时间,所以主时钟在Sync信息发出后发出一个Follow_Up信息,该信息加了一个时间印章,准确地记载了Sync信息的真实发出时间T1M1。这样一来,从属时钟使用Follow_Up信息中的真实发出时?间和接收方的真实接收时间,可以计∷算出从属时钟与主﹢时钟之间的偏移(offset):





图4偏移测量

Offset=TS1-T@?M1-Delay

这里要说明的是,上式中的Delay指的是主时钟与从属时钟之间的传输延?迟时间,它将在?下面的测量阶段测出,所以在这里是未知的,从偏移测量阶段就提供了一个修正⊕时间(AdjustTime),将从属时钟?修正为: ℃

AdjustTime=Ts-Offs°et

2.2延∏迟测量
?
延迟测量?(delaymeasurement)阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。为了测量网络∨的传输延时,IEEE1588定义了一个延迟请求信息包(DelayRequestP⊥acket),简称Delay_Req。





图5延迟测?量

如图5所示,从属时钟在收到Sync信息后在TS3时刻发出延迟请求信息包Delay㎜_Req,主时钟收到Delay_Req后在延迟响应信息包(DelayRequestPack?et,Delay∵_Resp)印章?出准确的接收时间TM3/,并发送给从属?时钟,因此从属时钟就可以非?常准确地计算出网络℡延时:

TM2 ?→TS2:De?lay1=T?S2-(TM2+Offset?)

TS3→TM3:Delay2=(TM3?+O♀ffset)-TS33

因为网络?延迟时间是对称相等的,所以: ?

Delay=Delay1+Delay22

与偏≌移测?量阶段不同的是,延迟?测量阶段的延迟请求信息包是随机发出的,并没有时间限制。需要说明的?是,在这?个测量过程中,假设传输介质是对称㈱均匀的。

2.3同步㏑实现

如图5所示,经过同步信息的交换,从属时钟与主时钟实现了精确同步。

3精确度测试

为保证测试结果能够最大限度地接近工程应用的实际情况,使主时钟和从属时钟之间的偏离数据具有说服力,在精确度测试中接入?一个以太网信息包?发生器加重网¥络负载,测试系统连接?如图6所示。主时钟和?从属时钟的PPS(PlusPerSe√con㎝d)输出连接到∽示波器,?通过示波器就能非常清楚地测量出两个信号之间的偏离,而且还可以≮描绘出这种偏离的频率分布情况。这次测量前后用时84个小时,图7㏄是示波器的显示?值。从图7可以?看出,≒最大抖动条件下的同步精确度落在
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