基于IEEE1588协议的从时钟同步控制算法研究张城
《工业控制计算机》2012年第25卷第12期
IEEE1588是一种高精度的网络时钟同步协议，目前基于以太网的业务IP化和传送的分组化是通讯发展的趋势，这就要求在整个系统具有一个时钟精度较高的统一时间参考的标准。2002年IEEE标准委员会通过了IEEE1588协议的标准起草和发布，2008年IEEE1588协议第二个版本正式发布［1］。协议定义了一套带有时间戳标记的消息报文，可以使得网络中的各个节点通过这种报文进行时钟的校正，从而使整个系统同步运行。
1IEEE1588协议时钟同步原理
IEEE1588时钟同步协议是一套调整网络内各个系统时钟的协议，具有较高的精确度。在网络中，有时钟的发送者和时钟的接受者，主时钟承担发送准确时钟的功能，向从时钟不断发送携带时钟信息的报文，从时钟接受到了这些报文以后，按照报文的类型，做出相应的解析从而得到一个准确的时间，这个过程实现了整个网络系统的时钟同步的过程。在第一版中，时钟同步的过程可以分为两个阶段，偏移校正测量和传输延迟测量两个过程。在第一版协议中含有普通时钟和边界时钟两种类型，而在第二版中，又加入了端到端透明时钟和点到点透明时钟以及管理节点[1]。这些时钟的类型应用于网络中不同的拓扑结构中，以达到不同网络拓扑结构对同步时间的要求。
2偏移校正测量
偏移校正测量过程是为了校正主时钟和从时钟之间的时间偏差。因为对于一个网络内的不同设备，由于各自系统的计时精度有差异，这样会导致各个独立的系统之间存在时钟的偏差，偏移校正测量阶段的目的就是为了校正两个系统的时钟偏差［1］。主时钟首先会发送一个Sync报文给从时钟，报文中包含了当前主时钟的准确时间，从时钟收到这个报文后，解析出主时钟的时间值，进而对系统内的时钟做出相应的调节。如图1所示，t1时刻为主时钟端发送报文的时刻，t2为从时钟端接收到Sync 报文的时刻，从时钟端就得到了t1和t2两
个时刻，这种方法称为一步法。如果主时钟
在一个Sync报文里没有将t1时刻包含进
去，那么就需要一个Follow up报文紧随
Sync报文，向从时钟端指示主时钟发送
Sync报文的时刻，即t1，这种方法称为两步
法。由图1可知：
t2－t1＝t＿delay＋t＿offset（1）其中t＿delay为线路对报文的延迟时间，t＿offset为主时钟和从时钟之间的偏移时间值。
3传输延迟测量
偏移校正并不能完全修正从时钟和
主时钟之间的时间差。因为主时钟向从时
钟发送的报文在传输过程中也是需要一
定的时间的。所以，在时钟偏移校正阶段
之后就需要引入传输延迟的测量过程［1］。
从时钟端首先向主时钟端发送Delay
Request报文，并且在发出报文的时候记
下时间t3，主时钟端收到了报文的时刻，主时钟记下当前的时间t4。传输延迟要在从时钟端计算，所以主时钟发送Delay Re-sponse报文将t4时刻的值发给从时钟。
t4－t3＝t＿delay－t＿offset（2）结合图1与图2和式(1)与式(2)，在网络中传输的两个方向是对称的假设情况下，可以得到：网络线路延迟的值为：t＿delay＝[(t2－t1)＋(t4－t3)]／2（3）由(1)式可以得到时钟偏移量的值为：t＿offset＝t2－t1－t＿delay，将式(3)网络线路延迟值带入可得t＿offset＝[(t2－t1)－(t4－t3)]／2。
4时钟误差和同步算法实现的方式分析
（1）时钟晶振的漂移
主时钟一般是一个准确的时钟源，需要与之调整的从时钟往往由于各自独立的计时机制，会产生较大的偏移。从时钟通过自己的硬件时钟系统来更新本地的时钟计时，一般从时钟端的计时器依赖于系统的本地晶振，这些晶振都会有一定的误差存在，在时间的积累下会产生很大的误差［2］。通常使用的晶振会有几十甚至上百ppm的误差，比如，一个晶振如果标称为100pmm，即每百万个时钟周期内有100个时钟周期的误差存在，假设1s时间，该晶振最大可能存在100μs的误差。这样的误差对于同步精度较高的系统来说是不能容忍的，若不及时进行调整，误差会随着时间的累积到一个不容忽视的值。所以，需要一种机制，提高网络中各个不同系统的时钟质量［7－9］。
（2）时间戳标记的精度
根据IEEE1588报文的承载方式不同，报文中时间戳的标
基于IEEE1588协议的从时钟同步控制算法研究Research on Slave Time Synchronization Control Algorithm Based on IEEE1588Protocol 张城陈隆道文昊翔（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）
摘要
主要针对IEEE1588协议的原理给出了一种算法方案。结合PID控制算法和反向传播神经网络算法，实现了一种自适应调节从时钟频率的方法。Matlab仿真结果分析得出，该同步算法有较高的精度和自适应能力，应对复杂网络中的各种误差，可以有效的进行调节补偿，保证了从时钟同步的稳定性。
关键词：IEEE1588，BP神经网络，PID控制算法
Abstract
The main purpose for this paper is to give an algorithm based on IEEE1588protocol．Combined with PID control algo-rithm and back propagation propagation neural network algorithm,this paper propose an adaptive adjustment method to control the slave clock frequency．Matlab simulation results showed,the synchronization algorithm has higher precision and adaptive capacity to deal with the complex network error,which can effectively adjust compensation to ensure the stability of the slave clock synchronization．
Keywords:IEEE1588,back propagation neural network,pid control
algorithm 图1
时钟偏移校正图2传输延迟的测量
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