1588時間同步協議

2021-07-10 21:15:11 字數 2662 閱讀 8859

乙太網在2023年成為ieee802.3標準後,在2023年將資料傳輸速度從10mb/s提高到100mb/s的過程中,計算機和網路業界也在致力於解決乙太網的定時同步能力不足的問題,開發出一種軟體方式的網路時間協議(ntp),提高各網路裝置之間的定時同步能力。2023年ntp版本的同步準確度可以達到200μs,但是仍然不能滿足測量儀器和工業控制所需的準確度。為了解決測量和控制應用的分布網路定時同步的需要,具有共同利益的資訊科技、自動控制、人工智慧、測試測量的工程技術人員在2023年底倡議成立網路精密時鐘同步委員會,2023年中獲得ieee儀器和測量委員會美國標準技術研究所(nist)的支援,該委員會起草的規範在2023年底獲得ieee標準委員會通過作為ieee1588標準。

ieee1588的全稱是「網路測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準」,ieee1588標準的草案基礎來自惠普公司的1990至2023年的有關成果,換句語說,安捷倫科技對ieee1588標準作出重要貢獻。安捷倫實驗室的資深研究員john eidson被網路業界視為專家,他的「ieee1588在測試和測量系統的應用」,以及「ieee1588:在測控和通訊的應用」兩篇**對ieee1588協議有精闢和全面的介紹。ieee1588協議是通用的提公升網路系統定時同步能力的規範,在起草過程中主要參考乙太網來編制,使分布式通訊網路能夠具有嚴格的定時同步,並且應用於工業自動化系統。基本構思是通過硬體和軟體將網路裝置(客戶機)的內時鐘與主控機的主時鐘實現同步,提供同步建立時間小於10μs的運用,與未執行ieee1588協議的乙太網延遲時間1,000μs相比,整個網路的定時同步指標有顯著的改善。

在這裡簡要說明ieee1588的特點:

·早期的網路時間協議(ntp)只有軟體,而ieee1588既使用軟體,亦同時使用硬體和軟體配合,獲得更精確的定時同步;

·gpib匯流排沒有同步時鐘傳送,依靠並行電纜和限制電纜長度(每器件距離)不超過5m來保證延遲小於30μs;

·gpib的資料線與控制線是分開的,vxi和pxi兩種匯流排分別在vme和pci計算機匯流排上擴充套件,都要增加時鐘線。ieee1588無需額外的時鐘線,仍然使用原來乙太網的資料線傳送時鐘訊號,使組網連線簡化和降低成本;

·時鐘振盪器隨時間產生漂移,需要標準授時系統作校準,校準過程要縮短和安全可靠。目前常用的有gps(全球定位系統)和irigb(國際通用時間格式碼),irigb每秒傳送乙個幀脈衝和10mhz基準時鐘,實現主控機/客戶機的時鐘同步。ieee1588採用時間分布機制和時間排程概念,客戶機可使用普通振盪器,通過軟體排程與主控機的主時鐘保持同步,過程簡單可靠,節約大量時鐘電纜;

·ieee1588推出的時間尚短,還有待完善和修正。例如,對集線器和開關的透明網路可提供很好的定時同步,但還未克服裝有路由器的帶有不決定性的網路定時。目前正在設計和試產可測量引入延時和自動補償延時的網路開關晶元。還有,ieee1588完整晶元還未推出,只有fpga基的代用晶元,intel公司已聲稱盡快生產可支援奔騰處理器的ieee1588完整晶元。

在工業自動化方面更早採用ieee1588,發表的文章也比較多,特別是在自動控制和資料採集方面有所收穫。專門**網路時間伺服器的symmetricom公司介紹一種渦輪機控制系統,前端的各種感測器連線到資料採集板,板上安裝的精確時鐘通過ieee1588協議的乙太網與系統主時鐘同步,使感測器的同步時間發生在1μs內,每秒鐘內要執行200次測量,測量間隔5ms,感測器的輪換時間是1μs。控制系統內的多種測量儀器在時間對準後,按本地時鐘捕捉資料和分析資料,清除了觸發產生的延遲。這種利用ieee1588協議的乙太網資料採集系統,節省大量分別連線每個感測器的線纜,達到精確定時同步,便於遠控測量,成本降低,已引起業界的重視。當前工業自動化使用irigb格式時間碼,具有每天時間準確度小於1μs。應該看到,ieee1588具有潛力,再將控制系統的每天時間準確度推進到100ns。原因在於irigb時間碼要每秒傳送1個時鐘脈衝至每個測量裝置,並且隨該脈衝傳送每天的時戳,而ieee1588協議可直接將每天時間資訊從主控時鐘傳送到客戶時鐘,更具有優勢。從發展趨勢來看,採用ieee1588協議的乙太網將在工業自動化系統中占有市場。

同樣,採用ieee1588協議 的乙太網,解決了通用乙太網延遲時間長和同步能力差的瓶頸,顯然在測量儀器系統的應用中將發揮更大作用。事實上,乙太網的儀器擴充套件介面lxi就是以採用ieee1588協議的乙太網作為骨幹的儀器應用,再配備測量儀器系統所需的其它條件,組成吸收了gpib到vxi和pxi的特點而構建的新一代測量儀器介面。

ieee1588是乙個主要執行於乙太網的網路時鐘同步協議,主要目標是在區域網範圍內實現高於微秒級的同步精度。與常見的時鐘同步協議ntp相比,區別在於下面幾點:

2.  ieee1588使用廣播或組播傳遞協議包,這就限制了1588只能用在支援廣播或組播的網路上。

3.  ieee1588沒有專門的時間伺服器,但存在著主從層次結構。網路上執行該協議的裝置通過協議包的交換確立主從層次結構,並在網路拓補發生改變時重新確立主從層次。

ieee1588協議有兩個版本,分別是早期的1588-2002和最新的1588-2008。協議包不相容。不過現在支援該協議的裝置都使用了新版協議,所以相容性基本上不是問題。

該協議也被接納為iec標準:iec-61588。

我們國家有該協議的翻譯稿:

gb/t 25931-2010 網路測量和控制系統的精確時鐘同步協議

在後面的介紹中,若不作特別說明,均針對1588-2008。

實際上,1588本身並不限制僅用於乙太網,只要是支援廣播或組播的網路(比如can/485等),理論上都可以執行該協議。不過目前市場上能看到的支援該協議的硬體幾乎都是乙太網的,所以我們的介紹也將以ethernet為例子。

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