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PTP协议在电力系统中的实际应用及基本概念

时间:2018-11-26发布者:泰福特浏览次数:59次

  以太网实现同步时钟的协议有NTP、SNTP以及IEEE1588协议。但是NTP、SNTP协议同步精准度只能达到毫秒级别,其原因是它只是运行于IP协议和UDP协议之上的应用层协议,主要基于软件实现,受到网络环境的限制。而IEEE1588协议通过稍微修改MAC环节实现了硬件标注与技术时钟,大大提高了同步精度。

1、精准时间同步协议

  Ieee1588是一种精确时间同步协议,也称之为PTP。PTP更为简单因此占用的网络和计算机的资源也更少,是针对更稳定和更安全的网络环境设计的。另外PTP更多面向相对本地化、网络化的系统,特别适合工业自动化和测量环境,现在也逐步在通信领域应用。精准时间同步协议是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议,也称为IEEE1588, IEEE1588目前为止是有两个版本分别是1588v1和1588v2,1588v1只能达到亚毫秒级的时间同步精度,而1588v2可以达到亚微妙级。1588v2不仅只是最开始用于设备直接的高精度时间同步了,同时具备了频率同步的功能。因此现在1588v1基本已经被1588v2取代,下文中提到的PTP即表示1588v2。

  IEEE1588v2的基本思想是通过硬件和软件将网络设备的内时钟与主控机的主时钟实现同步,提供亚微妙级的同步精度,与未执行PTP协议的以太网毫秒级的延迟相比,整个网络时间同步性能有显著的改善。

  IEEE1588标准界说了一个在测量和控制系统中实现高精度时间同步的协议,PTP协议集成了网络通信、本地计算机和分布式对象等多项技术范畴,适用于所有通过支持多播的局域网进行通信的分布式系统,适合于以太网、但并不局限于以太网。PTP协议目前在电力系统内主要用于数字化或智能变电站的准确对时。

2、PTP基本概念

  (1)PTP域

   PTP域是指应用了PTP协议的网络,PTP域内有一个同步时钟,域内的所有需要授时的设备都与该时钟保持同步。一个域包括一个或多个PTP设备,设备按PTP协议规定互相通信。域规定了PTP报文通信、状态、操作、数据集以及时间标尺的范围。PTP设备可能属于多个域,但除非另外说明,在不同的域中协议和时间标尺的运行是互相独立的。域由一个整数来识别,即域值,其变化范围是0-255,域值的值将根据PTP配置集限制要求来配置。

  (2)PTP端口

   PTP端口从字面上不难理解其实就是指设备上运行了PTP协议的端口。从角色层面划分PTP端口可以分为以下三种。

   从某个端口发布同步时间,这个端口就称之为主端口。一般边界时钟(boundary clock,BC)或普通时钟(ordinary clock,OC)上会有主端口;

   从端口:接收同步时间的端口,可存在于BC或OC上;

   被动端口:只存在于BC上的端口既不接收也不对外发布时间同步。

(3)时钟节点

时钟节点是指PTP域中的节点,PTP协议将时钟节点分为以下三种:

   普通时钟(OC):在同一个ptp域内该时钟节点只有一个PT  P端口参与时间同步,同时从上游时钟节点同步时间也是通过该端口。此外,当时钟节点作为时钟时,可以只通过一个PTP端口向下游时钟节点发布时间。

   边界时钟(BC):该时钟节点在同一个PTP域内拥有多个PTP端口参与时间同步。它通过其中一个端口从上游时钟节点同步时间,并通过其余端口向下游时钟节点发布时间。此外如果时钟节点作为时钟源,可经过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间。

   透明时钟(TC):TC和BC/OC不一样,它不需要与其他时钟节点保持时间同步。虽然TC有多个PTP端口,但它不会通过任何一个端口同步时间,只会在这些端口之间转发 PTP协议报文并对其进行转发延时校正。

(4)PTP时间同步主从关系

PTP域中的时钟主从关系是相对而言的,对于不相互同步的一对时钟节点来说,存在以下主从关系:                                                        发布同步时间的节点称为主节点,而接收同步时间的节点则称为从节点;

  主节点上的时钟称为主时钟,而从节点山的时钟则称为从时钟;

  发布同步时间的端口称为主端口,而接收同步时间的端口则称为从端口;

(5)最优时钟

  PTP域中所有的时钟节点都按层次结构组织在一起,整个域的参考时间就是最优时钟,即最高层次的时钟,通过各时钟节点间PTP协议报文的交互,最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中,因此也称其为时钟源。


  3、PTP同步机制:

PTP协议正常执行包括两个阶段:建立主从体系和同步化时钟。

  最优主时钟算法:最优主时钟算法,用于决定PTP域中,哪个时钟是最优时钟,描述在本地时钟端口接收到的广播报文中。它也被用于决定新发现的时钟(外部的主时钟)是否比本地时钟更优。外部主时钟的数

  据被包含在广播报文的最高级主时钟字段中。描述本地时钟的数据包含在时钟的defaultDS数据集中。最优主时钟算法由两钟组成:数据集比较算法和状态决定算法。

  数据集比较算法,决定两个时钟端口哪个更优,从而决定时钟端口的状态。

  状态决定算法,端口协议引擎基于协议状态机的当前状态评估建议的状态,决定端口的下一个状态

主从体系:

  主从体系的建立实质上就是在子网中寻找最优主时钟。最优主时钟既可以通过手工设置静态指定,也可以通过最优主时钟(BMC)算法即动态选举算出,这里动态选举的过程如下:

  各时钟节点之间通过交互广播报文最终选出一个节点作为PTP域的最优时钟,报文中所携带的信息有时钟优先级、时间等级、时间精度等信息,与此同时,各节点之间的主从关系以及各节点上的主从端口也确定下来。通过这个过程,整个ptp域中建立起了一颗以最优时钟为根的生成树,无环路、全连通。

  主节点会定期发送广播报文给从节点,如果在一段时间内,从节点没有接收到主节点发送来的广播报文,便会认为该主节点失效,于是重新进行最优时钟的选择。

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