基于PTP协议的网络时间同步方案设计
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作者: 吴昊 关晓旭 周鹏
【摘 要】 为实现网络数据在整个测控网的高可靠性实时传输及事后处理，对高可靠性高精度的时间同步网络要求越来越高，尤其在故障排查过程中，网络时钟错乱或同步精度偏低将导致所有待验证数据失效。本文针对某型测量船现用网络时间同步系统存在的缺陷，介绍了PTP协议的工作原理，提出了一种基于PTP协议和集群服务器架构的网络时钟同步系统设计方案，并探讨了外时钟源的确定、系统偏差及时延的具体计算方法，旨在为提高整个测控网络的健壮性提供时序支持。
【关键词】 PTP协议 时间同步 集群服务器
1 前言
某型测量船内所有终端的数据时标必须统一，同一时刻采集的数据必须打上相同的时间印章，才能进行数据处理。离开时间同步系统，数据采集不能反映整个网络的性能状况；各终端时间不同步，各处网络节点上的数据包存在较大时差，故障排查无法进行。高可靠高精度的时间同步系统成为决定网络性能的重要因素。
2 问题分析
该船使用的网络时间同步系统基本架构以最小化客户端配置为原则，利用试验IP网的传输通道，构建前端和后端两个独立的系统架构，通过SNTP时间同步协议实现全网时间同步。
NTP协议是当前使用最为广泛的国际互联网时间同步协议。通过端口号123封装成UDP格式的数据包在网络中传输，1个NTP协议包的大小为64byte或72byte。时间服务器与时间同步终端通过TCP/IP的客户/服务器方式交换NTP数据包。
对于对时间同步精度要求越来越高的试验IP网而言，满足其高精度对时需要的是2008年发布的IEEE 1588标准第2版定义的用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（precision time protocol，PTP），从目前国外的原型实验和应用来看，仅使用软件实现PTP时间同步的方案精度为微秒级，而采用硬件辅助的PTP时间同步的方案则可以实现纳秒级的精度。
3 PTP授时原理
PTP协议的整体思路是通过硬件和软件将网络中时间同步终端与时间服务器的主时钟实现同步，建立微秒级的同步运用。硬件单元由高精度的实时时钟和时间印章单元组成，软件部分通过与实时时钟和印章单元的联系来实现时钟同步。PTP协议实现时间同步过程分为偏移测量补偿阶段和延迟测量补偿阶段。
3.1 偏移测量补偿
偏移测量补偿是用来测量并补偿从时钟与主时钟的时间差。在偏移测量补偿阶段，主时钟周期性的发送确定的时间信息，其中包含有精确的时间印章，描述了数据包发出的预计时间。
主时钟在TA1时刻发送同步信息，其中包含数据包发出的预计时间T，从时钟在精确的TB1时刻收到该数据包。主时钟在数据包发出后，发送Followup信息，其中包含有主时钟发出同步信息的精确时刻。设从时钟相对于主时钟的时钟偏移为TBA，则
TBA=TB1-TA1-Tdelay
其中Tdelay为主从时钟的时间延迟。
主时钟相对于从时钟的时钟偏移为TAB，则
TAB=TA2-TB2-Tdelay
故，时钟偏移Toffset=（TBA-TAB）/2=（TB1+TB2-TA1-TA2）/2
则，时钟偏移的补偿为：T（从）=T（主）-Toffset
3.2 延迟测量补偿
延迟测量补偿是用来测量并补偿主从时钟间的时间延迟。PTP协议定义了延迟请求数据包。
从时钟在TB3时刻发出延迟请求数据包，主时钟在TA3收到数据包，并发送给从时钟，从时钟能精确的计算出从时钟到主时钟的时延，为DelayBA=TA3-TB3+TBA
同理，当主时钟在TA4时刻发送延迟请求数据包时，主时钟到从时钟的时延为：
DelayAB=TB4-TA4-TBA
故，网络时间延迟为：
Delay=（DelayBA+DelayAB）/2=（TA3-TB3+TB4-TA4）/2
则，从时钟延迟补偿为：T（从）=T（主）-Delay
4 方案设计
为建立高可靠性高精度的时间同步网络，需要解决两个问题：一是高精度的外时钟源系统，二是高可靠性的PTP服务器架构。
4.1 外时钟源的选择
考虑到时钟源的精度及特殊情况下的可靠授时，外时钟源最好选择GPS及北斗双授时系统，且本地配置铷频标或铷频标以上的频率标准。从节约成本及减少维护工作量的角度出发，外时钟源选择为船现有的SB-123站时统系统。
本时钟源系统具备同时接收解调GPS授时信息及北斗授时信息的能力，并配备高性能铷原子频标。经长期实际应用检验具有较高的可靠性和稳定性。
4.2 PTP集群服务器架构
考虑到终端较多和用户对时间同步系统的可靠性要求甚高，本系统拟采用集群服务器架构方案。
由于PTP采用多播通信，服务器发送数据包不存在瓶颈问题。但众多的PTP 客户机一起向服务器发送时延请求数据包时，服务器需要逐个对数据包处理并发送相应的返回数据包。为了减轻PTP服务单元的处理压力，通过对试验IP网时钟拓扑结构的分析，在网络机房和中心机机房分别设置PTP服务单元，构成集群服务架构。并可以通过故障处置机制，及时跳开故障服务单元并告警。
PTP服务单元可以通过数据集信息的计算确定各网络内时间同步终端PTP 端口状态，基本分为主时钟状态、从时钟状态、失效状态、预备主时钟状态、未校准状态等。当网络性能下降或主时钟发生故障时，也可以通过数据集信息计算产生新的PTP服务单元，并上报PTP服务分配单元。
5 结语
试验IP网对时间同步精度要求越来越高，本文通过PTP集群服务器架构，将网络中的数据包打上精确的时间印章，提供了高可靠高精度的时间平台。
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