以太網(wǎng)技術(shù)由于其開(kāi)放性好、價(jià)格低廉和使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度也從早期的10M提高到100M,GE,10GE.40GE,100GE正式產(chǎn)品也將于2009年推出。

　　以太網(wǎng)技術(shù)是"即插即用"的，也就是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò)上就可以隨時(shí)使用其提供的業(yè)務(wù)。但是，只有"同步的"的IP網(wǎng)絡(luò)才是一個(gè)真正的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)，才能夠?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)傳送各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。目前，電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步要求十分嚴(yán)格，對(duì)于一個(gè)全國(guó)范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般要求控制在50ms之內(nèi)，現(xiàn)行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（Network Time Protocol），簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP（Simple Network Time Protocol）等不能達(dá)到所要求的同步或收斂速度。基于以太網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用通道仿真技術(shù)（TDM over Ethernet）作為一種過(guò)渡技術(shù)，具有一定的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步概念，可以部分解決現(xiàn)有終端設(shè)備用于以太網(wǎng)的無(wú)縫連接問(wèn)題。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)則特別適合于以太網(wǎng)，可以在一個(gè)地域分散的IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)高的時(shí)鐘同步。

　　1 IEEE 1588實(shí)現(xiàn)原理

　　IEEE1588的全稱是"網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)",IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的草案基礎(chǔ)來(lái)自惠普公司的1990至1998年的有關(guān)成果，換句語(yǔ)說(shuō)，安捷倫科技對(duì)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)作出重要貢獻(xiàn)。安捷倫實(shí)驗(yàn)室的資深研究員John Eidson被網(wǎng)絡(luò)業(yè)界視為，他的"IEEE1588在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用",以及"IEEE1588:在測(cè)控和通信的應(yīng)用"兩篇論文對(duì)IEEE1588協(xié)議有精辟和全面的介紹。IEEE1588協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，在起草過(guò)程中主要參考以太網(wǎng)來(lái)編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議的工作原理說(shuō)明如下:

　　（1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A發(fā)送一個(gè)PTP包給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B,并記錄下數(shù)據(jù)包離開(kāi)A的時(shí)間，該時(shí)間戳為t1.

　　（2）當(dāng)此PTP包到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B加上自己接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為T(mén)S1.

　　（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A發(fā)送一個(gè)Follow Up消息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B,通知B時(shí)間t1.

　　（4）當(dāng)此PTP包離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B時(shí)，并記錄下數(shù)據(jù)包離開(kāi)B的時(shí)間t2.

　　（5）當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A接收到該響應(yīng)包時(shí)，加上一個(gè)新的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為T(mén)m2,整個(gè)同步過(guò)程如圖1所示。

　　（6）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A再發(fā)送Follow Up消息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B,通知B時(shí)間Tm2.

　　至此，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B己擁有足夠的信息來(lái)計(jì)算2個(gè)重要的參數(shù)：一是PTP數(shù)據(jù)包來(lái)回一個(gè)周期的時(shí)延，二是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B的時(shí)鐘差。于是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B能夠設(shè)定自己的時(shí)鐘與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A同步。

　　可以根據(jù)下面公式算出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B之間的時(shí)間差和延時(shí)：

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 支持PTP協(xié)議嵌入式接口板設(shè)計(jì)

　　根據(jù)PTP協(xié)議框架，支持PTP協(xié)議的嵌入式接口板硬件框圖如圖2所示。

　　DP83640高PHYTER收發(fā)器芯片內(nèi)置高IEEE 1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送的信息包印上時(shí)間標(biāo)記。DP83640的特色在于將IEEE 1588高時(shí)間協(xié)議（PTP）功能設(shè)于芯片的物理層之內(nèi)，因此可以在靠近網(wǎng)線的位置記錄時(shí)間標(biāo)記，而且分辨度達(dá)8 ns,不但可為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的高控制功能，也確保采集回來(lái)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)少的抖動(dòng)。

　　DP83640預(yù)載4個(gè)時(shí)鐘更新算法，用戶可以利用任何一個(gè)算法調(diào)節(jié)電路板上的PTP時(shí)鐘，而且偏差率保證不超過(guò)10億分之一（即1ppb[8]的準(zhǔn)確度）。

　　DP83640也可與部分符合IEEE 1588規(guī)定的處理器搭配一起使用，為測(cè)試及測(cè)量?jī)x表等設(shè)備提供更準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步功能。其系統(tǒng)連接后時(shí)鐘關(guān)系圖如圖3所示。

　　2.2 具體電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)電路主要包含如下部分：處理器ARM9200;存儲(chǔ)電路，其中包含了SDRAM和ROM兩部分的電路設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)接口電路，其中使用DP83640通過(guò)RMII接口總線與ARM9處理器相連，把PTP報(bào)文的時(shí)間戳信息和當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)發(fā)送給ARM9處理器，同時(shí)接收來(lái)自ARM9處理器的時(shí)鐘調(diào)整值來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘。DP83640通過(guò)RMII總線來(lái)獲取以太網(wǎng)報(bào)文比特流而不是直接從物理層獲取，從而實(shí)現(xiàn)10 Mb/s和100 Mb/s兩種速率的自適應(yīng)處理。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.1 PTP協(xié)議狀態(tài)機(jī)模塊

　　PTP協(xié)議狀態(tài)機(jī)主要負(fù)責(zé)管理設(shè)備上電時(shí)的初始化狀態(tài)、出現(xiàn)異常情況下的故障狀態(tài)、通常情況下的偵聽(tīng)狀態(tài)、主時(shí)鐘狀態(tài)、從時(shí)鐘狀態(tài)和未校準(zhǔn)狀態(tài)，以及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。

　　3.2 主時(shí)鐘選擇模塊

　　主時(shí)鐘算法模塊主要用于選擇本地網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，同時(shí)決定本地時(shí)鐘應(yīng)處的狀態(tài)。

　　實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘的方法包括兩個(gè)步驟：（1）從本地時(shí)鐘系統(tǒng)通信端口中選出一個(gè)質(zhì)量的同步報(bào)文；（2）根據(jù)上述結(jié)果，比較此時(shí)的主時(shí)鐘和本地時(shí)鐘屬性，決定本地設(shè)備PTP協(xié)議引擎所處的狀態(tài)。步驟（1）采用數(shù)據(jù)集比較算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，步驟（2）采用狀態(tài)決斷算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。該模塊定義了STATE_DECISION_ALGORITHM（）函數(shù)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)的決斷和數(shù)據(jù)集的更新。在缺省數(shù)據(jù)集的層數(shù)是1或2的前提下，調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊來(lái)判定本地時(shí)鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和較好時(shí)鐘Erbest的數(shù)據(jù)集哪個(gè)更好。

　　通過(guò)比較，如果是缺省數(shù)據(jù)集D0更好，則根據(jù)狀態(tài)決斷代碼M1,調(diào)用函數(shù)CreateMasterClock（）根據(jù)缺省數(shù)據(jù)集D0的屬性值來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，并且將D0狀態(tài)更改為PTP_MASTER,這代表D0是目前的主時(shí)鐘；否則，調(diào)用函數(shù)CreateSlaveClock（），根據(jù)Erbest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，Erbest的狀態(tài)則是PTP_SLAVE.

　　在主時(shí)鐘的層數(shù)大于2的情況下，調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊，以對(duì)本地時(shí)鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和時(shí)鐘Ebest進(jìn)行判定。通過(guò)比較，如果是缺省數(shù)據(jù)集D0更好，則調(diào)用CreateMasterClock（），根據(jù)狀態(tài)決斷代碼M2,根據(jù)缺省數(shù)據(jù)集D0的屬性值來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，并且更改D0狀態(tài)為PTP_MASTER;否則，將調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊將Ebest與Erbest進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相同，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼S1,根據(jù)Ebest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，更改Ebest狀態(tài)成PTP_SLAVE.如果經(jīng)過(guò)比較Ebest有更好的屬性值，則根據(jù)狀態(tài)決斷代碼M3,根據(jù)Erbest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，并設(shè)置它的狀態(tài)為PTP_SLAVE;否則，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼P2,根據(jù)Ebest的屬性來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，改變它的狀態(tài)為PTP_MASTER.

　　主時(shí)鐘選擇模塊示意圖如圖5所示。

　　3.3 時(shí)鐘調(diào)整模塊

　　本地時(shí)鐘同步算法是PTP協(xié)議中十分關(guān)鍵的部分，主要用來(lái)調(diào)整本地時(shí)間，與主時(shí)鐘的基準(zhǔn)時(shí)間保持一致性。主時(shí)鐘被選擇出來(lái)后，就開(kāi)始調(diào)用同步報(bào)文發(fā)送函數(shù)PTP_Send_PTP_SYNC_MESSAGE（），構(gòu)造同步報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，再調(diào)用udp_send（）將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。

　　調(diào)用跟隨報(bào)文發(fā)送函數(shù)PTP_Send_PTP_FOLLOW_MESSAGE（），構(gòu)造跟隨報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，然后調(diào)用udp_send（）將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。

　　從時(shí)鐘udp_rcve（）設(shè)置接收緩沖區(qū)分別先后接收了同步報(bào)文和跟隨報(bào)文，記錄下接收的時(shí)間打上時(shí)間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS（）判斷接收的是哪種報(bào)文，如果是同步報(bào)文，則調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_SYNC（），然后對(duì)報(bào)文解包，取出報(bào)文從主時(shí)鐘發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間。如果是跟隨報(bào)文，則調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_FOLLOWUP（）對(duì)報(bào)文解包，取出報(bào)文從主時(shí)鐘發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間。

　　在這個(gè)函數(shù)，調(diào)用了PTP_Send_Delay_Req（）函數(shù)，它構(gòu)造延遲請(qǐng)求報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，然后調(diào)用udp_send（）將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送；而主時(shí)鐘的緩沖區(qū)一旦有報(bào)文，則主時(shí)鐘立即調(diào)用udp_rcve（）記錄下接收的時(shí)間打上時(shí)間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS（）判斷接收的是哪種報(bào)文，如果是延遲請(qǐng)求報(bào)文，則函數(shù)PTP_RECV_DELAY_REQ（）立即調(diào)用PTP_Send_PTP_REQ_RESP（），從時(shí)鐘根據(jù)收到的4個(gè)報(bào)文收發(fā)時(shí)間，計(jì)算出主從偏差，對(duì)自己的時(shí)間進(jìn)行校正。

　　整個(gè)程序流程如圖6所示。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

　　系統(tǒng)測(cè)試將兩片DP83640連接到1 Hz信號(hào)輸出，利用DP83640捕獲上升沿時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)，在Linux系統(tǒng)中，利用MII總線讀取DP83640時(shí)間戳寄存器，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明利用DP83640達(dá)到了10 ns級(jí)別的同步，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　IEEE 1588提供的時(shí)間同步在理想條件下（網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)稱），能夠達(dá)到極高的同步，為通信系統(tǒng)同步建設(shè)提供了更完美的解決方案。