隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用越來越普及。為了確保分布式網(wǎng)絡(luò)化的終端能夠?qū)崿F(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)，需要整個(gè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的參考時(shí)間，并且應(yīng)該使所有分布式終端的本地時(shí)鐘與該系統(tǒng)時(shí)間保持同步。越來越多的工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的精度要求也越來越高，尤其是在大多數(shù)以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中，已經(jīng)對(duì)時(shí)鐘同步提出了微妙級(jí)的同步要求。特別是在分布式控制系統(tǒng)中，考慮到實(shí)時(shí)性的調(diào)度和控制，對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的要求就更為嚴(yán)格。傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network time protocol，NTP)已經(jīng)無法滿足這種精度要求，比如對(duì)時(shí)鐘同步精度要求非常苛刻的TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)就采用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行授時(shí)，雖然精度可以保證，但是GPS系統(tǒng)造價(jià)昂貴、安裝復(fù)雜、兼容性差的缺點(diǎn)使得運(yùn)營(yíng)商不得不考慮其替代方案。

為了徹底解決分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題，很多研究機(jī)構(gòu)和測(cè)控公司紛紛投入人力、物力進(jìn)行這方面的研究與實(shí)驗(yàn)。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)開發(fā)并發(fā)布了“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(Precision cloek synchronization Drotocol for networked measurement and control systems)”，即IEEE1588協(xié)議，簡(jiǎn)稱為精確時(shí)間同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)。IEEE15 88協(xié)議的發(fā)展和成熟提供了一種低成本高精度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步解決方案。IEEE1588定義了一種用于由網(wǎng)絡(luò)通訊、本地計(jì)算和分布式對(duì)象等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議。該協(xié)議支持系統(tǒng)范圍的時(shí)鐘同步，即可以用于廣域的以太網(wǎng)中，也可用于支持多點(diǎn)歡送的局域網(wǎng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微妙級(jí)的時(shí)間同步精度。IEEE1588協(xié)議采用了發(fā)布者和接收者的P/S模式，主時(shí)鐘擔(dān)當(dāng)時(shí)間發(fā)布者的角色，從時(shí)鐘擔(dān)當(dāng)接受者的角色。IEEE1588精確時(shí)鐘同步算法由于其高同步精度、低成本實(shí)現(xiàn)、方便安裝與維護(hù)等優(yōu)越性，在供電管理、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)通信等鄰域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 IEEE1588同步原理

IEEE1588通過交換報(bào)文來確定主時(shí)鐘Master和從時(shí)鐘Slave之間的時(shí)間偏差及報(bào)文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。首先，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)Master端周期性的發(fā)送同步報(bào)文(Sync消息)給從時(shí)鐘Slave端，Sync消息中包括其離開主時(shí)鐘時(shí)的時(shí)間t1，如果采用兩步機(jī)制，則將同步包文時(shí)間戳t1打包到跟隨報(bào)文(Follow Up消息)，緊接著發(fā)送Follow Up消息。Slave接收后記錄該消息到達(dá)時(shí)間戳t2;從時(shí)鐘發(fā)Delay_Req消息給主時(shí)鐘，并記錄Delay_Req的離開時(shí)刻t3;主時(shí)鐘記錄Delay_Req到達(dá)時(shí)間t4，并通過Delay_Resp把t4發(fā)回給從時(shí)鐘Slave。從時(shí)鐘Slave根據(jù)時(shí)間戳t1，t2，t3，t4來計(jì)算主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差及傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲，并用時(shí)間偏差調(diào)整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步，如圖1所示。

這里我們把主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差記作△toffset，而發(fā)送同步報(bào)文Sync消息傳輸需要的時(shí)間記作△tdelay12，發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時(shí)間記作△tdelay34，則它們有公式(1)關(guān)系。

從原理中可以看出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲嚴(yán)重影響時(shí)鐘同步精度。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲包含協(xié)議棧、存貯轉(zhuǎn)發(fā)及物理網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)延。物理網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的線路延時(shí)一般是穩(wěn)定的，而協(xié)議棧及存貯轉(zhuǎn)發(fā)在運(yùn)行過程中由于受不確定因素影響會(huì)產(chǎn)生較大的抖動(dòng)，這對(duì)同步的精度有較大的影響。為此IEEE1588協(xié)議提出了一種基于軟件和硬件相結(jié)合的時(shí)間同步方法，將時(shí)間戳的標(biāo)記點(diǎn)下移到MAC層和PHY層之間，即圖2中的A點(diǎn)，降低協(xié)議棧及業(yè)務(wù)流量對(duì)同步時(shí)間的影響，使同步過程中的主要延時(shí)為物理層延時(shí)，目前已經(jīng)有很多Switch芯片、PHY芯片都支持硬件打時(shí)間戳。

2 時(shí)鐘同步算法的改進(jìn)

只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸是完全對(duì)稱的，即△tdelay=△tdelay12=△tdelay34時(shí)，才能夠保證同步的精確性。但在現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中這只能是一種理想情況，在網(wǎng)絡(luò)上有較大負(fù)載的情況下，這種假設(shè)很難保證。為了有效減小遠(yuǎn)程末端的串?dāng)_，目前使用網(wǎng)絡(luò)電纜在設(shè)計(jì)時(shí)就采用了一些非對(duì)稱的設(shè)計(jì)，而許多收發(fā)器采用的也是不對(duì)稱的傳送和接收路徑。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，不同傳輸方向上延遲Delay越不可能相等，這樣就會(huì)使計(jì)算出的延時(shí)與實(shí)際的主從延時(shí)相差較大。另外，如果主時(shí)鐘和從時(shí)鐘使用的收發(fā)器的時(shí)間特性不同，這種不對(duì)稱性將是無法補(bǔ)償?shù)模瑥亩鴩?yán)重影響時(shí)鐘同步精度?，F(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲肯定是非對(duì)稱的，根據(jù)IEEE1588的規(guī)定，上文中給出的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲的式(3)可在必要時(shí)作出修改，以滿足實(shí)際情況的需要。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的不對(duì)稱性，以及發(fā)送同步報(bào)文Sync消息傳輸需要的時(shí)間△tdelay12和發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時(shí)間△tdelay34具有不同的更新周期，可以考慮一種基于加權(quán)平衡的同步改進(jìn)算法，所以若將網(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay取為△tdelay12和△tdelay34的加權(quán)平均值，則可具有較好的精確度。不妨標(biāo)記傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay34為網(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay12的w倍(w的測(cè)量計(jì)算不在本文討論，文獻(xiàn)給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法)

在時(shí)間源穩(wěn)定運(yùn)行下，主從時(shí)鐘間的時(shí)間偏差△toffset測(cè)量值在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論上符合正態(tài)分布，或者分布近似高斯分布。根據(jù)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)同步算法計(jì)算得出的時(shí)間偏差測(cè)量值△toffsset，若簡(jiǎn)單認(rèn)為就是主從時(shí)鐘間的相位差而直接進(jìn)行相位的調(diào)整，由于時(shí)間偏差△toffset符合正態(tài)分布，則會(huì)出現(xiàn)從時(shí)鐘相位的正負(fù)矢量方向上的無間歇運(yùn)動(dòng)，時(shí)鐘的運(yùn)行將很不穩(wěn)定，不但起不到適中同步的效果，反而可能使系統(tǒng)的時(shí)間發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)亂。故在實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步算法的時(shí)間同步系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等不可確定因素的影響，計(jì)算得出的主從時(shí)鐘偏差測(cè)量值與理論值存在一定誤差，為進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度，一般運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算大量主從時(shí)鐘偏差樣本的算術(shù)平均值，無限逼近主從相位偏差的數(shù)學(xué)期望值，即式(7)。不足的是當(dāng)采集到的△toffset測(cè)量值不夠理想時(shí)，計(jì)算出的算術(shù)平均值可能會(huì)遠(yuǎn)離其期望值，或者在主時(shí)鐘源時(shí)間發(fā)生跳變時(shí)，通常的調(diào)相操作可能會(huì)使得從時(shí)鐘相位發(fā)生較大位移，降低同步精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。