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《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期

1時(shí)間同步原理及分析

1.1時(shí)間同步關(guān)鍵技術(shù)

時(shí)間同步關(guān)鍵在于保證時(shí)間記錄的精確性和消息傳遞路徑的對稱性。1)時(shí)間戳技術(shù)時(shí)間戳技術(shù)主要用于記錄時(shí)間信息，是實(shí)現(xiàn)消息時(shí)間監(jiān)測的有效方法，圖2標(biāo)示了在時(shí)間同步消息傳遞路徑中時(shí)間戳標(biāo)記點(diǎn)的可能位置［3］［4］。時(shí)間戳獲取得主要位置有應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層以及媒體獨(dú)立接口MII(MAC層和PHY層之間);在同步消息報(bào)文傳遞的過程中，時(shí)間同步方法的不同，時(shí)間戳獲取的位置也不同，但所有時(shí)間戳的提取和打包均在應(yīng)用層。應(yīng)用層獲取時(shí)間戳的方法簡單，但容易受協(xié)議棧和負(fù)載的影響，會(huì)引起較大的消息處理延時(shí)，在該層生成時(shí)間戳將會(huì)產(chǎn)生最大的不確定性延時(shí)抖動(dòng)，同步精度低。驅(qū)動(dòng)層獲取時(shí)間戳需考慮網(wǎng)卡中斷服務(wù)程序的調(diào)用和運(yùn)行，時(shí)間獲取的準(zhǔn)確性受操作系統(tǒng)計(jì)時(shí)特性和負(fù)載的影響。在發(fā)送路徑上，可在報(bào)文接近MAC層時(shí)記錄時(shí)間戳;在接收時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)程序，將系統(tǒng)時(shí)間保存為接收報(bào)文的時(shí)間戳。驅(qū)動(dòng)層時(shí)間戳標(biāo)記方式可以最大限度的減小由軟件方式生成時(shí)間戳所引起的抖動(dòng)誤差。由于數(shù)字信號在物理介質(zhì)中傳播延遲的不確定性幾乎可以忽略，所以時(shí)間戳的獲取點(diǎn)越靠近傳輸介質(zhì)，獲取時(shí)間的穩(wěn)定性就越高。因此，最準(zhǔn)確的方法是使用底層硬件檢測報(bào)文時(shí)間戳:當(dāng)報(bào)文經(jīng)過MII時(shí)，能夠容易的將其捕捉和解碼，進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。2)路徑對稱處理消息傳遞路徑的穩(wěn)定性則主要受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，傳輸延時(shí)會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粚ΨQ性，式(2)假設(shè)將不成立，同步精度將大大降低。消息傳遞路徑可由兩部分組成:操作系統(tǒng)與協(xié)議棧部分和網(wǎng)絡(luò)鏈路部分;在確定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，操作系統(tǒng)與協(xié)議棧部分的時(shí)間抖動(dòng)更嚴(yán)重，越接近物理層的時(shí)間戳技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式越能有效減小該部分的延時(shí)抖動(dòng);網(wǎng)絡(luò)鏈路部分延時(shí)抖動(dòng)主要受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、傳輸線路、網(wǎng)絡(luò)路由等影響。

1.2時(shí)間同步協(xié)議同步協(xié)議主要用于節(jié)點(diǎn)間時(shí)間信息的交換，目前，主要用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的協(xié)議有NTP、SNTP、IEEE1588(也稱為PTP)。NTP、SNTP的時(shí)間戳技術(shù)主要在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，目的是在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間［2］。NTP為保證同步精度，具有一系列的復(fù)雜算法對時(shí)間進(jìn)行過濾、補(bǔ)償，一般具有毫秒級的同步精度，在以太網(wǎng)中，NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)甚至可以達(dá)到亞毫秒的量級。在一些應(yīng)用中秒級的同步精度即可以滿足要求，SNTP協(xié)議作為NTP協(xié)議的簡化版本，無須復(fù)雜的時(shí)間控制算法，在保證一定的同步精確度的前提下，使得對網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的開發(fā)和應(yīng)用變得容易。PTP協(xié)議主要用于工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)測試系統(tǒng)中［2］，一般對精度要求較高。該協(xié)議可以采用純軟件實(shí)現(xiàn)或硬件支持方式實(shí)現(xiàn)，硬件支持的方式即是通過支持該協(xié)議的時(shí)間芯片在物理層對同步消息進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)一般可達(dá)到毫秒級甚至亞毫秒級的精度，驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)可達(dá)到微秒級精度，硬件時(shí)間戳的方式可達(dá)到亞微米或納秒級的同步精度，并且PTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘具備很高的自穩(wěn)定性，任何時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的移出或添加不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。由此可見，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，時(shí)間戳技術(shù)從根本上決定了時(shí)間同步的精度，也決定了不同協(xié)議的不同應(yīng)用范圍，同步協(xié)議則主要決定了同步網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

2時(shí)間同步在地面信息系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

在某地面信息化處理設(shè)備中，采用應(yīng)用層時(shí)間戳的時(shí)間同步服務(wù)，應(yīng)用于各類終端同步控制，如圖3所示。時(shí)間同步服務(wù)器能夠從外部時(shí)統(tǒng)模塊獲取GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并通過以太網(wǎng)完成對客戶端的校時(shí)，該同步網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN總線數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，完成對CAN網(wǎng)絡(luò)上客戶端的校時(shí)

2．1同步精度測試服務(wù)器端和IP客戶端分別模擬生成1PPS信號，利用示波器檢測該信號，從而獲取兩者時(shí)鐘的相對偏移量，即為實(shí)際的同步精度。圖4為在千兆以太網(wǎng)下兩時(shí)鐘在同步時(shí)刻發(fā)出的1PPS信號，通過示波器測得兩者的時(shí)鐘偏差為1.98μs，同步精度較高。該時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了獲取高分辨率的時(shí)間，采用獲取計(jì)算機(jī)時(shí)鐘晶振和頻率的方式計(jì)算時(shí)間，同樣利用晶振進(jìn)行守時(shí)計(jì)算，分別對守時(shí)1min、3min、5min后的時(shí)鐘偏差進(jìn)行測試，如圖5所示，守時(shí)偏差分別為55.1μs、121.7μs、241.7μs。影響守時(shí)偏差的主要因素為晶振的穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的推移，守時(shí)偏差逐漸增大，經(jīng)過20分鐘后，偏差可達(dá)到毫秒的量級。對于單個(gè)時(shí)鐘提高守時(shí)精度需專業(yè)守時(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用較高，一般采用提高同步時(shí)間頻率的方式保持與主時(shí)鐘的一致，在主時(shí)鐘采用高精度守時(shí)設(shè)備。

2．2最大同步誤差統(tǒng)計(jì)在服務(wù)器和IP客戶端之間進(jìn)行同步時(shí)，利用同步信息的時(shí)間戳計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，即為最大同步誤差。通過模擬多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對時(shí)間同步誤差的影響，分別統(tǒng)計(jì)了千兆、百兆網(wǎng)絡(luò)無負(fù)荷和滿負(fù)載下的最大同步誤差，如圖6所示。無論是百兆網(wǎng)還是千兆網(wǎng)，滿負(fù)荷時(shí)的誤差曲線波動(dòng)遠(yuǎn)大于無負(fù)荷的情況，同步精度受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況影響較明顯;同時(shí)，千兆網(wǎng)絡(luò)同步誤差遠(yuǎn)小于百兆網(wǎng)，表明了同步精度受網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的影響比較顯著。對于較大的網(wǎng)絡(luò)，消息在網(wǎng)絡(luò)傳遞中一般會(huì)經(jīng)過多個(gè)交換設(shè)備，為了說明交換機(jī)對同步精度的影響，統(tǒng)計(jì)了在千兆網(wǎng)無負(fù)荷情況下服務(wù)器和客戶端之間分別通過一級交換機(jī)和兩級交換機(jī)互聯(lián)的最大同步誤差，如圖7所示:對于千兆網(wǎng)在空閑狀態(tài)下，消息多通過一級交換設(shè)備會(huì)帶來15μs左右的同步誤差。

2．3同步性能分析通過對某信息系統(tǒng)同步精度和最大同步誤差的測試，可以看出該信息系統(tǒng)的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)具有較高的同步精度，可滿足亞毫秒級的同步要求，然而該系統(tǒng)也存在較多的缺陷:1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，規(guī)模有限:系統(tǒng)的主從節(jié)點(diǎn)關(guān)系固定，當(dāng)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘無同步;2)時(shí)鐘穩(wěn)定性差，無補(bǔ)償機(jī)制:各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的守時(shí)性能較差，由晶振引起的守時(shí)誤差無補(bǔ)償機(jī)制，隨著時(shí)間的偏移，若從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘不能得到及時(shí)的同步將導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的不可信;3)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備對同步精度影響較大:數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生處理延時(shí)，當(dāng)消息經(jīng)過多個(gè)交換設(shè)備后，同步精度將大大降低;對于同步網(wǎng)絡(luò)中的不同類型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(如圖3中的轉(zhuǎn)換模塊)會(huì)引入更大的誤差;4)系統(tǒng)的適應(yīng)性能差:同步網(wǎng)絡(luò)采用自定義的協(xié)議，不利于廣泛應(yīng)用。

3高精度的時(shí)間同步服務(wù)在地面信息系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳技術(shù)的同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本低，開發(fā)便捷，可滿足同步精度要求不高的應(yīng)用;同步精度受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、負(fù)載情況影響較大，局限了該同步方式的使用。對于地面信息系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求高的場合，一般需采用基于物理層硬件時(shí)間戳技術(shù)進(jìn)行時(shí)間同步定時(shí)觸發(fā)，甚至直接采用物理連接實(shí)現(xiàn)硬件信號觸發(fā)。

3．1高精度的時(shí)間同步應(yīng)用地面信息系統(tǒng)為武器信息系統(tǒng)的重要組成部分，檢測武器狀態(tài)信息，收集戰(zhàn)場態(tài)勢信息，為作戰(zhàn)提供全面的作戰(zhàn)指揮、作戰(zhàn)保障等信息。時(shí)間同步服務(wù)在地面信息系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:提供統(tǒng)一的時(shí)空信息和實(shí)現(xiàn)地面儀器設(shè)備LXI總線自動(dòng)測試功能。在作戰(zhàn)過程中，保持作戰(zhàn)時(shí)空的一致性是作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，只有在統(tǒng)一的環(huán)境下才能保證正確的作戰(zhàn)時(shí)序，做到作戰(zhàn)行動(dòng)的一致。如在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，為待發(fā)射的導(dǎo)彈下達(dá)最終的發(fā)射指令，各節(jié)點(diǎn)需保持高度的一致性，時(shí)間同步技術(shù)可為其提供微秒甚至納秒級別的同步精度，滿足作戰(zhàn)需求。又如在收集戰(zhàn)場信息時(shí)，信息的時(shí)序客觀反映了戰(zhàn)場態(tài)勢，時(shí)序的混亂將導(dǎo)致信息的不可判讀甚至表達(dá)錯(cuò)誤的戰(zhàn)場信息，時(shí)間同步技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一時(shí)間空間，保證數(shù)據(jù)的可靠融合。在地面測試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路在導(dǎo)彈中大規(guī)模的應(yīng)用，提高了導(dǎo)彈的可靠性和制導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，也增加了裝備測試的復(fù)雜性。在對導(dǎo)彈的綜合參數(shù)進(jìn)行測試時(shí)，一般需要開展兩方面工作［5］:一方面是通過激勵(lì)/響應(yīng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一方面是應(yīng)用數(shù)字信號進(jìn)行功能測試。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常需要激勵(lì)響應(yīng)間能夠獲得最佳的握手關(guān)系;當(dāng)進(jìn)行功能測試時(shí)，則需要數(shù)字信號能夠符合數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)亩〞r(shí)和相位關(guān)系。因此在導(dǎo)彈測試系統(tǒng)的構(gòu)建中，必須考慮時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)對組網(wǎng)儀器的同步控制。如果測試數(shù)據(jù)在時(shí)間上能夠保持相關(guān)性，那么就有助于現(xiàn)場對導(dǎo)彈故障進(jìn)行定位，有助于對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析和處理，也就有助于進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)彈的性能。LXI總線技術(shù)是基于局域網(wǎng)技術(shù)的模塊自動(dòng)化測試平臺，為簡化導(dǎo)彈測試提供了有效的解決方案;該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對組網(wǎng)儀器設(shè)備的嚴(yán)格同步控制，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)的自動(dòng)測試，關(guān)鍵原因在于實(shí)現(xiàn)了PTP高精度時(shí)鐘同步協(xié)議。

3．2高精度時(shí)間同步系統(tǒng)構(gòu)建在地面信息系統(tǒng)不同的應(yīng)用環(huán)境中對時(shí)間同步的精度要求不同，PTP協(xié)議的可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境下組建不同精度、不同分辨率和高穩(wěn)定性的混合時(shí)鐘系統(tǒng)，即保證了系統(tǒng)的繼承性和可擴(kuò)展性，同時(shí)也節(jié)約了系統(tǒng)構(gòu)建的成本。針對目前時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的缺陷，采用如圖8所示的方式構(gòu)建基于PTP協(xié)議的地面信息系統(tǒng)的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。1)搭建PTP主時(shí)鐘模塊:主時(shí)鐘模塊為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時(shí)鐘源，時(shí)鐘需具備高分辨率、穩(wěn)定等特性。主時(shí)鐘接受衛(wèi)星信號保持與衛(wèi)星系統(tǒng)(北斗、GPS)時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，具備很高的守時(shí)性能，支持硬件模式的PTP協(xié)議，可對外提供各種同步信號，通過LAN口接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘也可通過最優(yōu)時(shí)鐘算法自動(dòng)產(chǎn)生，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘故障時(shí)仍可保證系統(tǒng)能正常工作。2)建立透傳時(shí)鐘:對于網(wǎng)絡(luò)中使用的中繼器、交換機(jī)、路由器在處理信息包時(shí)，由于設(shè)備對數(shù)據(jù)處理的方式不同，同步消息在網(wǎng)絡(luò)傳時(shí)會(huì)造成一定的傳輸延時(shí)，設(shè)備類型不同引入的誤差也不同［6］［7］:中繼器誤差在納秒級，交換機(jī)在微秒級(與圖7結(jié)果一致)，路由器則在毫秒級。透傳時(shí)鐘通過校正字段將消息通過交換機(jī)的時(shí)間進(jìn)行累加獲得整個(gè)路徑的圖8地面系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示意圖駐留時(shí)間，通過該字段校正主從時(shí)鐘間的偏差。高精度的透傳時(shí)鐘需硬件支持。3)建立邊界時(shí)鐘:隨著網(wǎng)絡(luò)連接的逐漸龐大，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘間的距離會(huì)逐漸增大，受網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)的影響越大，對計(jì)算結(jié)果就會(huì)引入較大的非對稱性誤差，影響同步精度。PTP邊界時(shí)鐘可建立起逐級的同步機(jī)制，邊界時(shí)鐘即是上級時(shí)鐘的從時(shí)鐘又是下級時(shí)鐘的主時(shí)鐘，可有效降低非對稱性的影響。4)實(shí)現(xiàn)普通時(shí)鐘:對于不同的同步精度要求，各個(gè)終端可實(shí)現(xiàn)不同方式的PTP時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。主時(shí)鐘模塊為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供可靠的時(shí)鐘源，透傳時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘可在滿足精度的前提下實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，普通時(shí)鐘可根據(jù)精度需要部署不同實(shí)現(xiàn)方式的PTP時(shí)鐘。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型的不同引入的傳輸延時(shí)也不同，所以在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)需根據(jù)需要選擇使用不同的物理設(shè)備，或則使用具備透傳時(shí)鐘功能的設(shè)備降低誤差。PTP底層通信網(wǎng)絡(luò)也可通過無線的方式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)束語

信息化建設(shè)在軍事領(lǐng)域已占據(jù)十分重要的地位，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)等概念提出增強(qiáng)了對作戰(zhàn)信息系統(tǒng)時(shí)空一致性的要求，時(shí)間同步服務(wù)作為武器信息系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間，構(gòu)建高精度、高穩(wěn)定性的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)為地面信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)測提供高效、準(zhǔn)確的信息。

作者：左軍濤朱恩成付建川單位：北京控制與電子技術(shù)研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室