专利名称：基于ptp协议实现亚微秒级同步精度的方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的 方法。
背景技术：
IP化是未来网络业务的发展趋势，以太网以其优越的性价比、广泛的应用及完善 的产品支持，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。目前，分组网络的同步需求有两个方面一、分组网 络需要可以承载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、分组网络需要可以像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。为了满足上述同步需求，同步以太网(SyncE)就是最新的标准解决方法。在SyncE 中，采用与S0NET(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 的一级基准时钟信号来同步其位时钟。2006年，国际电信联盟在其G. . 8261标准中提供了 SyncE概念，2007年，在G. 8262标准中对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。此外，在2002年，IEEE发布了 IEEE 1588标准， 该标准定义了一种精确时间同步协议(PTP，Precision Time ftOtocol)，并于2005年又制 定了新版本的IEEE 1588标准，即IEEE1588v2标准，目前，基于IEEE 1588标准的同步校准 技术正受到各方面的关注。然而，大多数情况下，基于NTP协议的同步系统仅能达到毫秒级的精度，PTP协议 在理论上可以达到亚微秒级，但实现起来比较难，难点在于网络报文收发的时间戳无法准 确的得到，而通过CPU(中央处理器)获取时间戳误差又太大，偏差能达到微秒级，这就无法 做到亚微秒级的精度而在芯片级实现PTP产品的现有的技术中，包括IMSYS公司采用芯片级的实现方 案，将处理器核、收发报文时间戳处理外设装备等集成到一起，来构成硬件系统，然后集成 操作系统，实现TCP/IP协议栈以及PTP协议栈，进而形成了整个同步系统，据介绍，该系统 能够达到200ns级别的同步精度，尽管其同步精度效果良好，但由于实现该系统的成本非 常高之高，而且其系统封闭性过强，并非通用设备，因而难以在更大范围内流通。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术中无法兼得同步效果与价格成本 的问题，如何在获得高精度同步效率的同时，节约硬件投入的成本。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的 方法，所述方法基于亚微秒级同步系统来实施，所述亚微秒级同步系统包括时间源、以太网收发器、微处理器以及FPGA单元；所述时间源用于提供秒脉冲和时间报文信息；所述以太 网收发器用于产生、传输以及接收时间戳，并生成秒脉冲信号；所述FPGA单元用于对以太 网报文进行过滤，过滤掉与PTP协议无关的时间报文信息；所述微处理器用于与卫星时钟 同步，执行PTP协议栈；所述方法具体通过如下步骤来实现亚微秒级的同步精度Sl 在主钟发出同步消息之前，主钟将以太网收发器的时钟与时间源的时钟同步。S2 对以太网报文进行过滤，过滤掉与PTP协议无关的时间报文信息；S3:根据延迟请求信息包延时测量机制或者对等延迟信息包延时测量机制来计算 得到链路的平均路径时延；S4 根据所述链路的平均路径时延计算得到主钟和从钟之间的时钟偏差；S5 根据所述时钟偏差对链路进行异步修正，实现亚微秒级的同步精度。所述以太网收发器为DP83640精密时间协议收发器。所述微处理器为基于ARM9的AT91RM9200微处理器。所述步骤Sl中将以太网收发器的时钟与时间源的时钟同步的过程具体包括根 据时间源的秒脉冲的间隔来调整以太网收发器的频率，再根据秒脉冲与以太网收发器的脉 冲差值调整其相位；所述步骤S2具体通过所述FPGA单元在物理层芯片的输出流中，搜索特定的IP、端 口号、MAC地址以及1588报文类型，进而过滤掉不符合IEEE1588标准的时间报文信息。所述步骤S3在通过延迟请求信息包延时测量机制来测量得到链路的平均路径时 延的情况下，具体包括S301 主钟首先发出同步报文，此时以太网收发器获取该时刻的第一硬件时间戳 、；然后从钟获取所述同步信息，此时以太网收发器获取该时刻的第二硬件时间戳t2 ；从钟 在获取所述同步报文之后，发送延迟请求报文时，以太网收发器获取该时刻的第三硬件时 间戳t3 ；主钟获取所述延迟请求报文时，以太网收发器获取该时刻的第四硬件时间戳t4 ；S302 计算第二硬件时间戳t2与第一硬件时间戳、之间的第一时间差tms ；S303 计算第四硬件时间戳t4与第三硬件时间戳t3之间的第二时间差tsm ；S304 根据所述第一时间差tms以及第二时间差tsm计算得到链路的平均路径时 延。所述步骤S302中，首先根据非对称异步机制计算出主钟到从钟方向传输的非对 称时延，并从第二硬件时间戳、中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时 延之后的第二硬件时间戳t2与所述第一硬件时间戳、之间的第一时间差tms ；所述步骤S303中，首先根据非对称异步机制计算出从钟到主钟方向传输的非对 称时延，并从第四硬件时间戳、中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时 延之后的第四硬件时间戳t4与所述第三硬件时间戳t3之间的第二时间差tsm ；所述步骤S304中，取所述第一时间差tms与所述第二时间差tsm的平均值，即为链 路的平均路径时延。所述步骤S4中，通过从所述第一时间差tms减去所述平均路径时延，即得到所述主 钟和从钟之间的时钟偏差。
所述步骤S3在通过对等延迟信息包延时测量机制来测量得到链路的平均路径时 延的情况下，具体包括S301’ 第一节点首先发出对等延迟请求报文，此时以太网收发器获取该时刻的第 一硬件时间戳t/ ；然后第二节点获取所述对等延迟请求报文，此时以太网收发器获取该时 刻的第二硬件时间戳t2’ ；第二节点在获取所述对等延迟请求报文之后，发送对等延迟请求 响应报文时，以太网收发器获取该时刻的第三硬件时间戳t/ ；第一节点获取所述对等延迟 请求响应报文时，以太网收发器获取该时刻的第四硬件时间戳t/ ；S302’ 计算第二硬件时间戳t2，与第一硬件时间戳t/之间的第一时间差tms’ ；S303’ 计算第四硬件时间戳t/与第三硬件时间戳t/之间的第二时间差tsm’ ；S304’ 根据所述第一时间差tms’以及第二时间差tsm’计算得到链路的平均路径 时延。所述步骤S304’中，取所述第一时间差tms’与所述第二时间差tsm’的平均值，即为 链路的平均路径时延。在所述S301’之前，主钟预先发出同步报文，此时以太网收发器获取该时刻的同步 报文发送时间戳、；然后从钟获取所述同步信息，此时以太网收发器获取该时刻的同步报 文接收时间戳t2 ；并根据非对称异步机制计算出主钟到从钟方向传输的非对称时延，从同 步报文接收戳t2中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时延之后的同步报 文接收时间戳t2与所述同步报文发送时间戳、之间的同步报文时间差tms ；所述步骤S4中，通过从所述同步报文时间差tms中减去所述平均路径时延，即得到 所述主钟和从钟之间的时钟偏差。所述非对称异步机制具体包括在进行E2E时钟的异步修正时，仅将报文从E2E时钟的一个端口进入的时间戳到 从另一个端口发出的时间戳的差值作为修正数据来进行累加计算得到所述非对称时延；在进行P2P时钟的异步修正时，除了报文从E2E时钟的一个端口进入的时间戳到 从另一个端口发出的时间戳的差值作为修正数据以外，还将报文进入时钟入口时的链路延 迟也附加到修正数据中来进行累加计算得到所述非对称时延。(三)有益效果本发明技术方案中采用DP83640以太网收发器，因而可以准确的获得网络报文时 间戳，并在AT91RM9200平台上实现PTP协议，就能实现亚微秒级的同步精度，经过测试，可 以达到IOOns的同步精度。此外，整个硬件系统成本低廉，并且具备良好的开放性以及扩展 性，容易实现。
图1为本发明技术方案所涉及的亚微秒级同步系统的模块示意图；图2为本发明技术方案所涉及的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法的流 程图；图3为本发明技术方案所涉及的延迟请求信息包延时测量机制的时序示意图；图4为本发明技术方案所涉及的对等延迟信息包延时测量机制的时序示意图；图5为本发明技术方案所涉及的进行E2E时钟的异步修正的时序示意图6为本发明技术方案所涉及的进行P2P时钟的异步修正的时序示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。为了克服现有技术中无法兼得同步效果与价格成本的问题，在获得高精度同步效 率同时，节约硬件投入的成本，本发明技术方案提供了一种基于PTP协议实现亚微秒级同 步精度的方法，所述方法基于亚微秒级同步系统来实施，如图1所示，所述亚微秒级同步系 统包括时间源、微处理器、FPGA单元、以太网收发器及RJ45接口 ；所述时间源由北斗时间源 或GPS提供，用于提供秒脉冲和时间报文信息；所述微处理器采用AT91RM9200，是一个ARM 处理器，用于与卫星时钟同步，运行uCOS-II、LWIP、PTP协议栈，控制以太网收发器，调整其 频率和相位；所述FPGA单元主要用于进行以太网络报文过滤，过滤掉不符合IEEE1588标 准、与PTP无关的时间报文信息，减少ARM处理器的处理负担，避免影响处理实时的PTP报 文；所述以太网收发器采用DP83640，主要用于产生、传输以及接收时间戳，并生成秒脉冲 (PPS_0UT)信号，GPIO上同步事件的触发和捕获，以及进行时钟调整。如图2所示，所述方法具体通过如下步骤来实现亚微秒级的同步精度Sl 在主钟(Master time)发出同步消息Sync之前，主钟将以太网收发器的时钟 与时间源的时钟同步；S2 对以太网报文进行过滤，过滤掉与PTP协议无关的时间报文信息；S3:根据延迟请求信息包延时测量机制或者对等延迟信息包延时测量机制来计算 得到链路的平均路径时延；S4 根据所述链路的平均路径时延计算得到主钟和从钟之间的时钟偏差；S5 根据所述时钟偏差对链路进行异步修正，实现亚微秒级的同步精度。所述以太网收发器为DP83640精密时间协议收发器。所述微处理器为基于ARM9的AT91RM9200微处理器。所述步骤Sl中将DP83640以太网收发器的时钟与时间源的时钟同步的过程具体 包括根据时间源的秒脉冲的间隔来调整DP83640以太网收发器的频率，再根据秒脉冲与 DP83640以太网收发器的脉冲差值调整其相位；所述步骤S2具体通过所述FPGA单元在物理层芯片的输出流中，搜索特定的IP、端 口号、MAC地址以及1588报文类型，进而过滤掉不符合IEEE1588标准的时间报文信息。该部分内容具体包括在主钟发出同步消息前，应将DP38640的时钟同步于系统 的时间源。时间源提供的一般是北斗时间源或是GPS的秒脉冲和时间报文信息，主钟根据 秒脉冲的间隔来调整DP83640的频率，然后再根据秒脉冲和DP83640的脉冲差值调整相位， 以达到DP83640与时间源同步的目的。并且，本发明采用了低成本的AT91RM9200芯片，主频为180MHz，为了能够支持更 多的从钟设备，增强处理能力，并采用了 FPGA硬件过滤报文的方式，过滤的基本思想是通 过FPGA单元在物理层芯片的输出流中，搜索特定的IP，端口号，MAC地址以及1588报文类 型，进而过滤掉不符合IEEE1588标准的时间报文信息；这些字符串见下表1 表1. FPGA单元过滤报文方式中所搜索的字符串
权利要求
1.一种基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述方法基于亚微 秒级同步系统来实施，所述亚微秒级同步系统包括时间源、以太网收发器、微处理器以及 FPGA单元；所述时间源用于提供秒脉冲和时间报文信息；所述以太网收发器用于产生、传 输以及接收时间戳，并生成秒脉冲信号；所述FPGA单元用于对以太网报文进行过滤，过滤 掉与PTP协议无关的时间报文信息；所述微处理器用于与卫星时钟同步，执行PTP协议栈；所述方法具体通过如下步骤来实现亚微秒级的同步精度51在主钟发出同步消息之前，主钟将以太网收发器的时钟与时间源的时钟同步；52对以太网报文进行过滤，过滤掉与PTP协议无关的时间报文信息；S3:根据延迟请求信息包延时测量机制或者对等延迟信息包延时测量机制来计算得到 链路的平均路径时延；54根据所述链路的平均路径时延计算得到主钟和从钟之间的时钟偏差；55根据所述时钟偏差对链路进行异步修正，实现亚微秒级的同步精度。
2.如权利要求1所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 以太网收发器为DP83640精密时间协议收发器；所述微处理器为基于ARM9的AT91RM9200微处理器。
3.如权利要求1所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤Sl中将以太网收发器的时钟与时间源的时钟同步的过程具体包括根据时间源的秒 脉冲的间隔来调整以太网收发器的频率，再根据秒脉冲与以太网收发器的脉冲差值调整其 相位；所述步骤S2具体通过所述FPGA单元在物理层芯片的输出流中，搜索特定的IP、端口 号、MAC地址以及1588报文类型，进而过滤掉不符合IEEE1588标准的时间报文信息。
4.如权利要求1所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤S3在通过延迟请求信息包延时测量机制来测量得到链路的平均路径时延的情况下， 具体包括5301主钟首先发出同步报文，此时以太网收发器获取该时刻的第一硬件时间戳、 ’然 后从钟获取所述同步信息，此时以太网收发器获取该时刻的第二硬件时间戳t2 ；从钟在获 取所述同步报文之后，发送延迟请求报文时，以太网收发器获取该时刻的第三硬件时间戳 t3 ；主钟获取所述延迟请求报文时，以太网收发器获取该时刻的第四硬件时间戳t4 ；5302计算第二硬件时间戳t2与第一硬件时间戳、之间的第一时间差tms ；5303计算第四硬件时间戳t4与第三硬件时间戳t3之间的第二时间差tsm ；5304根据所述第一时间差tms以及第二时间差计算得到链路的平均路径时延。
5.如权利要求4所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤S302中，首先根据非对称异步机制计算出主钟到从钟方向传输的非对称时延，并从第 二硬件时间戳t2中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时延之后的第二硬 件时间戳t2与所述第一硬件时间戳、之间的第一时间差tms ；所述步骤S303中，首先根据非对称异步机制计算出从钟到主钟方向传输的非对称时 延，并从第四硬件时间戳t4中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时延之 后的第四硬件时间戳t4与所述第三硬件时间戳t3之间的第二时间差tsm ；所述步骤S304中，取所述第一时间差tms与所述第二时间差的平均值，即为链路的平均路径时延。
6.如权利要求5所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤S4中，通过从所述第一时间差tms减去所述平均路径时延，即得到所述主钟和从钟之间 的时钟偏差。
7.如权利要求1所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤S3在通过对等延迟信息包延时测量机制来测量得到链路的平均路径时延的情况下， 具体包括S301’ 第一节点首先发出对等延迟请求报文，此时以太网收发器获取该时刻的第一硬 件时间戳t/ ；然后第二节点获取所述对等延迟请求报文，此时以太网收发器获取该时刻的 第二硬件时间戳t2’ ；第二节点在获取所述对等延迟请求报文之后，发送对等延迟请求响应 报文时，以太网收发器获取该时刻的第三硬件时间戳t3’ ；第一节点获取所述对等延迟请求 响应报文时，以太网收发器获取该时刻的第四硬件时间戳t/ ；S302’ 计算第二硬件时间戳t2’与第一硬件时间戳t/之间的第一时间差tms’ ；S303’ 计算第四硬件时间戳t4’与第三硬件时间戳t3’之间的第二时间差tsm’ ；S304’ 根据所述第一时间差tms’以及第二时间差tsm’计算得到链路的平均路径时延。
8.如权利要求7所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，所述 步骤S304’中，取所述第一时间差tms’与所述第二时间差tsm’的平均值，即为链路的平均路 径时延。
9.如权利要求8所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特征在于，在 所述S301’之前，主钟预先发出同步报文，此时以太网收发器获取该时刻的同步报文发送时 间戳、；然后从钟获取所述同步信息，此时以太网收发器获取该时刻的同步报文接收时间 戳t2 ；并根据非对称异步机制计算出主钟到从钟方向传输的非对称时延，从同步报文接收 戳、中扣除所述非对称时延，然后再计算扣除了所述非对称时延之后的同步报文接收时间 戳t2与所述同步报文发送时间戳、之间的同步报文时间差tms ；所述步骤S4中，通过从所述同步报文时间差tms中减去所述平均路径时延，即得到所述 主钟和从钟之间的时钟偏差。
10.如权利要求5或9任一项所述的基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，其特 征在于，所述非对称异步机制具体包括在进行E2E时钟的异步修正时，仅将报文从E2E时钟的一个端口进入的时间戳到从另 一个端口发出的时间戳的差值作为修正数据来进行累加计算得到所述非对称时延；在进行P2P时钟的异步修正时，除了报文从E2E时钟的一个端口进入的时间戳到从另 一个端口发出的时间戳的差值作为修正数据以外，还将报文进入时钟入口时的链路延迟也 附加到修正数据中来进行累加计算得到所述非对称时延。
全文摘要
本发明涉及一种基于PTP协议实现亚微秒级同步精度的方法，属于通信技术领域，为了在获得高精度同步效率的同时，节约硬件投入的成本，所述方法包括在主钟发出同步消息之前，将以太网收发器的时钟与时间源的同步；通过延迟请求信息包延时测量机制或者对等延迟信息包延时测量机制来测量得到链路的平均路径时延；对链路进行异步修正，实现亚微秒级的同步精度。该方法采用DP83640以太网收发器，可以准确地获得网络报文时间戳，在AT91RM9200平台上实现PTP协议，能实现亚微秒级的同步精度，经测试，可达到100ns的同步精度，此外整个系统成本低廉，并具备良好的开放性以及扩展性，容易实现。
文档编号H04L29/06GK102098155SQ201110066689
公开日2011年6月15日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者杜光耀, 王宝峰 申请人:北京国智恒电力管理科技有限公司