隨著數字網絡的不斷發展,基于互聯網協議(IP)的技術由于其無處不在,靈活性和可擴展性而日益得到實施.局域網(LAN),廣域網(WAN)或甚至蜂窩網絡是IP網絡的常見示例.當它們在工業控制,測試和測量,甚至是傳輸語音,視頻或數據的數據中繼應用中實現時,時序是一個關鍵的設計考慮因素.例如,語音和視頻質量對非確定性延遲和抖動敏感,并且裝配線上的機器人機器需要彼此同步.下面康比電子介紹一些相關知識.
IP網絡和以太網最初并未設計為同步,如今所需.那么當您的產品具有時序同步要求時,這會如何影響實施？可以采取幾種方法.在這里,我們討論四種常見的實現:網絡時間協議(NTP),簡單網絡時間協議(SNTP),精確時間協議(PTP),以及來自全球定位系統(GPS)等導航系統的定時.幸運的是,從架構的角度來看,這些不同的實現有很多共同之處.

圖1:齒輪的數字式例證幫助同步時間

主時鐘源
同步網絡通常具有主時鐘,其基于地球圍繞其軸和公歷的旋轉來源于協調世界時(UTC),該公歷基于地球圍繞太陽的旋轉.1UTC與國際原子時(TAI)有固定的關系.這兩次之間的固定關系是基于定期添加到UTC的閏秒來解釋地球自轉的減速.UTC目前比TAI大36秒.另一個衡量標準是UT1,它基本上是0°經度的平均太陽時.UTC和UT1之間的關系保持在.9秒內.
世界各地都有時間服務器,但在美國,最常用的可能是國家科學技術研究所(NIST).NIST根據UTC,UTC1和網絡時間協議(NTP)服務器提供時間,其他計算機和其他網絡中的主時鐘32.768K基于這些服務器進行計時.但是,存在數百個輔助服務器,并且定時信息也可以來自導航衛星.
時間考慮因素
網絡設計中有異步和同步時鐘方案.所有同步方法都需要有凝聚力的分層計時解決方案網元(NE)同步需要參考時鐘.NE通常需要壓控晶體振蕩器(VCXO),鎖相環(PLL)或時鐘發生器,其被調整以實現同步狀態.流行的選擇包括Abracon的超低相位噪聲VXCO振蕩器或IDT的82P33814-1NLG同步管理單元,它支持多種同步模式.
無論選擇何種解決方案,設計都需要能夠提供適量的抖動衰減和相位噪聲消除,并能夠以適當的同步容差與網絡中的所有其他NE同步.時序設計還必須包括保持功能.保持是NE在主或時鐘出現故障時將時鐘維持在最后已知同步狀態的能力.
通用同步解決方案
網絡時間協議(NTP)和簡單網絡時間協議(SNTP)
在公共Internet上最常見的時間同步方法是NTP,其簡單版本是SNTP.公共NTP子網的服務器位于所有大陸,太空,甚至海底,支持全球互聯網上的數百萬臺計算機.2個NTP服務器的時間基于UTC,但NIST現在有一個基于UT1的NTP服務器.3
NTP使用軟件時間戳來實現時間同步,因此精度在10μs到100ms或更長的寬范圍內變化.許多因素導致差異,但通常是由于網絡傳播,硬件和操作系統中的延遲變量,環境溫度變化引起的石英晶體振蕩器漂移以及定時更新之間的時間間隔1.
在確定需要對客戶端本地時鐘進行的時序調整時,需要考慮往返傳播延遲.NTP和SNTP使用相同的過程來確定校正因子.假設延遲在兩個方向上相同,進行計算.因此,在客戶端和服務器之間進行四分組交換.
NTP和SNTP之間的主要區別在于SNTP客戶端定期直接從單個SNTP服務器同步其時序.因此,SNTP用于不需要高精度的應用中.4NTP具有復雜的基于狀態的算法以提高準確性.

圖2:前三個階段的同步路徑

NTP可以在多播/任播,客戶端-服務器或對等模式下運行,而SNTP通常以客戶端-服務器模式運行.用于分發定時信息的NTP系統是分層的并且被建立為級別,其中級別被分配稱為層的數量.Stratum1服務器是最低級別,與國家時間服務同步,而較高級別服務器同步到較低級別服務器.2(NetworkTimeFoundation5是進一步研究的一個很好的實用信息源,它為Unix和Windows操作系統提供了一個名為NTPd的參考實現.)
IEEE1588精確時間協議(PTP)
PTP正迅速成為以太網分組網絡中首選的定時同步解決方案,特別是在工業控制,電信和測試和測量應用中,因為它比NTP更精確,更具確定性.PTP在很多方面與NTP類似,但存在一些關鍵差異.6首先,客戶端的時間戳是使用硬件而不是軟件實現的,并且盡可能靠近網絡接口,以消除與客戶端軟件相關的不規則延遲,這有助于提高納秒范圍內的準確性.第二個區別在于PTP網絡主時鐘石英晶振選擇過程的穩健性.
同步機制和延遲計算-偏移校正=ó

圖3:同步機制和延遲計算-偏移校正=ó

利用PTP,定時信息以一種主從架構在整個網絡中分層分布.定時源的根是基于TAI的.稱為最佳主數字時鐘晶振(BMC)算法的軟件從所有可用時鐘中選擇"主時鐘"時鐘.然后,定時向下流過每個PTP子域.
還使用BMC方法選擇PTP子域的主時鐘.多播傳輸是時鐘分配的主要方式,但終端客戶端可以使用直接通信與主時鐘同步,以單播方式啟動定時請求.網絡交換機也可能實現"透明時鐘",以便在將PTP消息傳遞給PTP子域之前修改其中的時間戳.此修改用作通過本地設備計算的延遲,以提高接收子域的時間戳的準確性.7
存在良好的PTP解決方案,但選擇歸結為在微控制器或基于微控制器的解決方案和協議棧中采用謹慎的收發器解決方案與PTP軟件堆棧相結合.NetworkTimeFoundation有一個開源PTP堆棧實現調用PTPd,可以免費下載.8最值得注意的分立解決方案是德州儀器(TI)DP83640;這是一個非常通用的部分,在其他工作模式中,輸出一個從屬節點時鐘,該時鐘在頻率和相位下降到亞納秒范圍內同步到GrandMaster時鐘.它還執行NTP時間戳.TI具有出色的應用筆記,可以解釋器件配置以及如何實現高精度.9
全球定位系統(GPS)
基于空間的導航系統

圖4:基于空間的導航系統包括環繞地球的一組衛星.這些系統提供非常精確的時間和位置.

基于空間的導航系統包括環繞地球的一組衛星.這些系統提供非常精確的時間和位置.美國系統被稱為"全球定位系統"(GPS).俄羅斯的"GLObalNAvigationSatelliteSystem"(GLONASS),中國的"北斗導航衛星系統"(BeiDou-2),以及印度的"印度區域導航衛星系統"(IRNSS)存在,其他國家正在開發自己的系統.
GPS衛星具有板載原子鐘,彼此同步,并且周期性地調整以與地時鐘同步.基于由最少4個衛星中的每一個給出的周期性時間戳傳輸來計算時間,從而分解傳輸延遲.延遲的計算相對簡單,因為信號以光速傳播,衛星傳輸它們的位置.
與NTP和PTP不同,可變延遲問題不是GPS的問題,因為定時信息直接來自衛星.唯一的限制是接收器必須有無障礙的視線.VCXO晶振與衛星相對于接收器的位置相關的大氣變量和問題也會影響精度.由于在每個網絡元件上都有一個接收器很昂貴,因此通常會明智地加以控制成本.盡管如此,GPS時間變得更加實惠,產生的實際同步精度低至100ns.
一個很好的功能是GPS接收器可以在沒有連接到互聯網的封閉網絡中使用.他們還為PTP網絡提供了一個經濟實惠的大師.
結論
除了提到的定時同步方法之外,還有其他如同步以太網(SyncE)和范圍間儀表組時間碼(IRIG時間碼),值得進一步研究.這兩種方法都分配信號以促進同步,但需要專門的硬件.隨著傳統時分多路復用型網絡演進到基于IP的交換和多路復用實現,同步以太網正變得越來越流行.有關進一步探索,請參閱管理標準:ITU-TRec.來自國際電信聯盟的G8261,62和64.11可以使用所提到的方法的組合來實現聯網的定時同步解決方案.例如,基于PTP的工業控制網絡可以從GPS接收器獲得其主時鐘.grandmaster的其他選項可以從NTP派生的服務器派生.許多可行的方法和組合可以一起工作,最終通過網絡產生非常準確的時間同步,但每個方法和組合都是獨一無二的,特別是當網絡和技術以及一些晶振電子元器件都能滿足現代世界的需求時.

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