CN103378993A

CN103378993A - 基于ptp的从时钟监测方法

Info

Publication number: CN103378993A
Application number: CN2012101167188A
Authority: CN
Inventors: 陈建民; 邱智勇; 胡宏; 桂强; 韩学军; 朱炜; 杜光耀; 王宝峰
Original assignee: East China Grid Co Ltd
Current assignee: East China Grid Co Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-30

Abstract

本发明涉及一种基于PTP协议的从时钟监测方法，该方法采用组播方式发出从时钟接口上收发的E2E、P2P延迟测量机制所涉及的全部时间戳，增加了同步确认信息包、延迟请求确认信息包和对等延迟确认信息包以使第三方的监测设备可以独立计算PTP主从时钟的时间偏差和平均路径时延，自动计算出从时钟当前的对时状态，包括时间精确度、同步与否等，这就完全解决的上述被授时设备同步状态的监测问题。通过以太网收发器，可以准确地获得网络报文时间戳，能实现亚微秒级的同步精度；第三方监测系统只要能够接收网络报文即可，整个系统结构简单，并具备良好的开放性以及扩展性，容易实现。

Description

基于PTP的从时钟监测方法

技术领域

本发明涉及同步时钟的监测方法，更具体而言，涉及基于PTP的从时钟监测方法。

背景技术

电力系统中尤其是数字化变电站中存在大量的需要精准时间的设备，比如合并单元、行波测距设备、向角测量仪PMU等，这些设备长时间运行后，由于器件的老化、程序的稳定性等因素会出现不同步的现象，影响电网系统正常工作。而要想检测与时间源是否同步没有简单实用的办法，一般需要人工采用示波器测量时间源和被授时设备的秒脉冲，以决定偏差的大小。这种方式的缺点很明显，没有快速自动化的检测设备的时间精确度，且浪费人力。

在电力系统规模的扩大以及电力系统控制技术的发展，对各调度系统以及发电厂和变电站的时间基准都提出了新的要求。实际上，电力系统内部信息交换量大、状态改变快，只有满足一定的时钟同步精度，才能对相位比较、故障记录、事件顺序启动等功能给予保障。因此，为了进一步提高电力系统运行管理水平，满足电力系统快速发展的要求，并提高对系统的控制能力和故障分析能力，首先必须提供一个统一的系统时钟，使整个控制系统内部各个站点的时钟保持同步。

在电信领域中IP化是未来网络业务的发展趋势，而以太网以其优越的性价比、广泛的应用及产品支持，成为以IP为基础的承载网的主要发展方向。在部署电信级以太网时，如何解决时钟同步问题是一个要考虑的方面。对分组网络的同步需求有两个方面：一是，分组网络可以承载TDM业务，并提供TDM业务时钟恢复的机制，使得TDM业务在穿越分组网络后仍满足一定的性能指标；二是，分组网络可以像TDM网络一样，提供高精度的网络参考时钟，以满足网络节点或终端的同步需求。

同步以太网(SyncE)就是最新的标准解决方法。在SyncE中，以太网采用与SONET(同步光纤网络)/SDH(同步数字系列)相同的方式，通过高品质、可跟踪一级基准时钟信号同步其位时钟。2006年，国际电信联盟在其G.8261中描述了SyncE概念。2007年，在G.8262中对SyncE的性能要求进行了标准化，规定了同步以太网网络设备中使用的时钟的最低性能要求。

IEEE在2002年发布了IEEE 1588标准，该标准定义了一种精确时间同步协议(PTP)，2005年又制定了新版本的IEEE 1588，即IEEE1588v2。随着众多厂商的PTP产品的出现，PTP从时钟的对时准确性的监测问题也逐渐提上行业用户日程。

现在的监测方式基本上是人工的对比秒脉冲的方式，没有实现自动化处理，对于海量的被测设备，工作量就非常巨大。

发明内容

本发明基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的监测方法，该方法采用组播方式发出从时钟接口上收发的E2E、P2P延迟测量机制所涉及的全部时间戳，增加了同步确认信息包、延迟请求确认信息包和对等延迟确认信息包以使第三方的监测设备可以独立计算PTP主从时钟的时间偏差和平均路径时延，自动计算出从时钟当前的对时状态，包括时间精确度、同步与否等，这就完全解决的上述被授时设备同步状态的监测问题。通过以太网收发器，可以准确地获得网络报文时间戳，能实现亚微秒级的同步精度；第三方监测系统只要能够接收网络报文即可，整个系统结构简单，并具备良好的开放性以及扩展性，容易实现。

本发明基于IEEE 1588协议，在E2E和P2P两种延时测量中，引入了确认报文，将从时钟设备或节点所接收到事件报文的收发时间写入确认报文，然后采用组播方式发出。

而采用本发明所述方法，就可以自动便捷的完成时钟监测的任务。

附图说明

图1为实现本发明的基于PTP的从时钟监测方法的检测设备的网络布局图；

图2为PTP协议中报文的公用消息头header的格式；

图3为E2E延时测量机制中相关报文的逻辑关系图；

图4为P2P延时测量机制中相关报文的逻辑关系图。

具体实施方式

由图1可见，本发明的基于PTP的从时钟的监测方法实现在检测设备上，该检测设备布局在以太网中，通过交换机与一个主时钟设备和多个从时钟设备进行通信，在该以太网中，数据以组播方式传输。主时钟设备和从时钟设备采用PTP标准进行同步，该监测设备用于通过以太网络监视PTP从时钟的对时情况，而无需人工到现场测量。监测设备可以是台式机、笔记本电脑、工作台等能够实现PTP协议的设备。

1、E2E延时测量机制

在E2E的延时测量机制中，所述监测设备实现了一种改进的请求应答机制，本发明提出了两个新的确认报文：对应于同步报文Sync的同步确认报文Sync_Ack，以及对应于延迟请求报文Delay_Req的延迟请求确认报文Delay_Ack，同步确认报文Sync_Ack和延迟请求确认报文Delay_Ack的格式如下表1和2所示。

表1：同步确认报文Sync_Ack消息格式

其中，SyncSendTime是PTP主时钟的master端口发送Sync报文时的时间戳；SyncRecvTime是PTP从时钟的slave端口接收Sync报文时的时间戳。

表2：延迟确认报文Delay_Ack消息格式

其中，ReqSendTime是slave端口发送Delay_Req报文时的时间戳；ReqRecvTime是master端口接收Delay_Req报文时的时间戳。

下面参照图2详细描述E2E延迟测量中，改进的请求应答机制的处理流程，即Sync、Delay_Req时间报文和相应的本发明提出的同步确认报文Sync_Ack、延迟请求确认报文Delay_Ack的逻辑关系图。

(1)主时钟设备首先发出同步报文Sync，该时刻的第一时间戳是t₁；从时钟设备得到同步报文Sync，获取该时刻的第二时间戳t₂。

(2)若主时钟设备是双步时钟(Two Step Clock)，在发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有第一硬件时间戳t₁的跟随报文Follow_up给从时钟设备。

(3)从时钟设备发出同步确认报文Sync_Ack，并且从时钟设备在获取所述同步报文Sync之后，发送延迟请求报文Delay_Req，该时刻为第三时间戳t₃。

(4)主时钟设备获取所述延迟请求报文Delay_Req后，得到该时刻的第四时间戳t₄，然后发出延迟响应报文Delay_Resp，将第四时间戳t₄传回到从时钟设备；从时钟设备然后发出延迟确认报文Delay_Ack。

表1给出了同步确认报文Sync_Ack的消息格式：

请求应答机制分为单步模式和双步模式两种：

图3显示了PTP公用消息头header的格式。对于Sync_Ack报文的发送处理，当PTP从时钟的Slave端口接收到Sync报文后，记录接收时间戳，其中：

当flagField中的twoStepFlag＝FALSE(假)时，即表示该Sync报文为单步报文，则监测设备将Sync报文的头header复制到Sync_Ack报文的头header中，并修改messageType和messageLength。将Sync报文中的originTimestamp复制到SyncSendTime域，将Sync报文接收时间戳复制到SyncRecvTime域。然后通过general接口将报文发出。

当flagField中的twoStepFlag＝TRUE(真)时，即表示该Sync报文为双步报文，则监测设备在接收到Follow_Up报文后，将Follow_Up报文的头header复制到Sync_Ack报文的头header中，并修改messageType和messageLength。将Follow_Up报文中的preciseOriginTimestamp复制到Sync_Ack的SyncSendTime域，将Sync报文接收时间戳复制到SyncRecvTime域。然后通过general接口将报文发出。

对于Delay_Ack的发送处理，PTP从时钟的Slave端口发送Delay_Req时会记录发送时间戳，当Slave端口接收到Delay_Resp报文后，将Delay_Resp报文的头复制到Req_Ack报文的头中，并修改messageType和messageLength。将Delay_Req发送时间戳复制到Delay_Ack的ReqSendTime域，将Delay_Resp报文中receiveTimestamp复制到Delay_Ack的ReqRecvTime域，然后通过general接口将报文发出。

对于监测设备，确认报文接收处理过程如下：当接收到Sync_Ack和Delay_Ack报文后，可以根据延迟请求响应机制算出平均线路延时(meanPathDelay)和从时钟偏移(offsetFromMaster)：

meanPathDelay＝((SyncRecvTime-SyncSendTime)+

(ReqRecvTime-ReqSendTime))/2 (1)

offsetFromMaster＝(SyncRecvTime-SyncSendTime)-

meanPathDelay (2)

(用这个公式计算偏移，不用下面等式，这是为了方便和messageType为4，6出现时计算公式统一)

offsetFromMaster＝((SyncRecvTime-SyncSendTime)-

(ReqRecvTime-ReqS endTime))/2 (3)

由此，通过第三方监测设备可以获取每个从时钟设备的同步状态，并将状态汇报给远程监控中心，从而工作人员能够无需到现场，在远程获知从时钟设备的同步状态。

2、P2P延时测量机制

在P2P的延时测量机制中，所述监测设备实现了一种改进的对等延时机制，本发明提出了一个新的确认报文：对应于对等延迟请求报文PDelay_Req和对等延迟请求响应报文PDelay_Resp的对等延迟请求确认报文PDelay_Ack，其格式如下表3所示。

表3：对等延迟请求确认报文PDelay_Ack的格式

其中，pReqSendTime是Requestor发送PDelay_Req报文时的时间戳；pReqRecvTime是Responder接收PDelay_Req报文时的时间戳；pRespSendTime是Responder发送PDelay_Resp报文时的时间戳；pRespRecvTime是Requestor接收PDelay_Resp报文时的时间戳。

下面参照图4详细描述P2P延迟测量中，改进的对等延时机制的处理流程。

(1)节点A首先发出对等延迟请求报文PDelay_Req，获取该时刻的第一硬件时间戳t₁’；

(2)节点B获取所述对等延迟请求报文PDelay_Req，此时网卡物理层(例如网卡物理层芯片DP83640)获取该时刻的第二硬件时间戳t₂’；

(3)节点B在获取所述对等延迟请求报文PDelay_Req之后，发送对等延迟请求响应报文PDelay_Resp时，DP83640以太网收发器获取该时刻的第三硬件时间戳t₃’；

(4)节点A获取所述对等延迟请求响应报文PDelay_Resp时，DP83640以太网收发器获取该时刻的第四硬件时间戳t4’；同时，节点B要将发送PDelay_Resp的时间戳t₃’通过对等延迟响应跟随报文PDelay_Resp_Followup发给节点A。

(5)节点A发出PDelay_Ack报文。

PDelay_Ack的发送处理过程如下，节点A发送PDelay_Req时会记录发送时间戳，当节点A依次接收到PDelay_Resp和PDelay_RespFollow_Up_报文后，记录PDelay_Resp的接收时间戳，将PDelay_Resp_Follow_Up的头复制到PReqResp_Ack报文的头中，并修改msgType和messageLength。将PDelay_Req发送时间戳复制到pReqSendTime域，将PDelay_Resp报文中RequestReceiptTimestamp复制到pReqRecvTime域，将PDelay_Resp_Follow_Up报文中的ResponseOriginTimestamp复制到pRespSendTime域，将PDelay_Resp接收时间戳复制到pRespRecvTime域。然后通过general接口将报文发出。

当接收到Sync_Ack和PDelay_Ack后，可以照对等延迟机制算出平均线路延时(meanPathDelay)和主从时钟误差(offsetFromMaster)：

meanPathDelay＝((pReqRecvTime-pReqSendTime)+

(pRespRecvTime-pRespSendTime))/2 (4)

offsetFromMaster＝(SyncRecvTime-SyncSendTime)-

meanPathDelay (5)

Claims

1.一种基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，在部署了主时钟设备、从时钟设备和监测设备的以太网中，对于请求响应路径延迟机制，包括步骤：

1)主时钟设备发出同步报文，该发出时刻为第一时间戳，若同步报文为单步报文，则从时钟设备收到所述同步报文后，获取接收时刻的第二时间戳；如果同步为双步报文，则从时钟设备等接收到主时钟设备的跟随报文后，获得所述第一时间戳；

2)从时钟设备发出同步确认报文，该同步确认报文包括所述第一时间戳和所述第二时间戳；

3)从时钟设备发出延迟请求报文，并记录发出时刻的第三时间戳；

4)主时钟设备接收到从时钟设备的所述延迟请求报文，记录接收时刻的第四时间戳，并通过延迟响应消息发出；

5)从时钟设备接收到延迟响应报文后，发出延迟确认报文，该延迟确认报文包括所述第三时间戳和所述第四时间戳；

6)检测设备根据所述第一时间戳、所述第二时间戳、第三时间戳和第四时间戳计算出主从时钟设备的平均线路延时和从时钟偏移量。

2.如权利要求1所述的基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，所述监测设备为实现了精密时间协议的以太网收发器。

3.如权利要求2所述的基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，所述监测设备包括基于ARM9的AT91RM9200微处理器。

4.一种基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，在部署了主时钟设备、从时钟设备和检测设备的以太网中，对于对等路径延迟机制，包括步骤：

1)从时钟设备发出对等延迟请求报文，并记录发出时刻的第一时间戳；

2)主时钟设备接收到从时钟设备的所述对等延迟请求报文，记录接收时刻的第二时间戳；并发出包含该第二时间戳的对等延迟响应报文，并记录发出时刻的第三时间戳，然后发出包含该第三时间戳的同步对等延迟响应跟随报文；

3)从时钟设备接收到所述对等延迟响应报文和所述对等延迟响应跟随报文后，发出对等延迟确认报文，该对等延迟确认报文包含所述第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳和第四时间戳。

4)检测设备根据所述第一时间戳、所述第二时间戳、第三时间戳和第四时间戳计算出主从时钟设备的平均线路延时和从时钟偏移量。

5.如权利要求4所述的基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，所述监测设备为实现了精密时间协议的以太网收发器。

6.如权利要求5所述的基于PTP的从时钟监测方法，其特征在于，所述监测设备包括基于ARM9的AT91RM9200微处理器。