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IEEE1588高精度网络时钟同步研究与实现

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IEEE1588高精度网络时钟同步研究与实现

作者：何一航华中科技大学

学位级别：硕士

随着网络系统的应用不断的深入到人们工作的方方面面,高精度网络时钟同步系统的研究也越来越受到重视。而在众多的网络时钟同步协议中,同步精度最高的IEEE 1588协议更是具有巨大的发展潜力。基于IEEE 1588的网络时钟同步系统,必将成为... 详细信息

随着网络系统的应用不断的深入到人们工作的方方面面,高精度网络时钟同步系统的研究也越来越受到重视。而在众多的网络时钟同步协议中,同步精度最高的IEEE 1588协议更是具有巨大的发展潜力。基于IEEE 1588的网络时钟同步系统,必将成为网络时钟同步领域未来的发展方向。本文在对实现IEEE 1588协议的多种方案进行深入研究后,选择了Nios II处理器作为系统的微处理器,并使用美国国家半导体公司的DP83640芯片来实现对IEEE 1588协议的硬件支持,完成了IEEE 1588高精度网络时钟同步系统的硬件设计。在对DP83640的内部时钟进行了深入分析后,本文提出了一种使主时钟与GPS接收机提供的精确绝对时间获得高精度同步的方法,该方法利用DP83640的外部事件时间标记的功能来估算主时钟与GPS接收机输出的精确绝对时间的速率误差;利用GPS接收机串口输出的精确绝对时间与当前DP83640内部时钟的时间值的差来估计DP83640内部时钟与精确绝对时间之间的相位误差。以这两个误差为依据,利用DP83640提供的灵活的时钟调节机制,对主时钟的相位和速率进行精细调节,从而使主时钟同步于GPS接收机输出的精确绝对时间。为了实现从时钟与主时钟间的高精度同步,本文提出了一种在主从时钟之间实现高精度同步的方法。该方法使用相邻的同步报文的时间标记来估计主从时钟之间的速率误差。使用PTP协议来估算网络延时和主从时钟间的相位误差。最终依据这两个误差并结合DP83640的时钟调节机制,来调节从时钟的相位和速率,最终实现主从时钟间的高精度时间同步。经过对本文设计的网络时钟同步系统的测试,主时钟经过GPS接收机的同步之后,平均相位误差为39纳秒;从时钟经过主时钟的同步之后,在10M速率的网络环境下,与主时钟的平均相位误差为25纳秒;在100M速率的网络环境下,与主时钟的平均相位误差为207纳秒。两种同步方法均达到了较高的同步精度,从而实现了同步精度为纳秒级的高精度网络时钟同步系统,为今后在该领域的研究打下了良好的基础。

关键词： IEEE1588协议 DP83640 SOPC 网络时钟同步

基于IEEE1588协议的高精度网络时钟同步软件设计

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南京师范大学学报（工程技术版） 2013年第4期13卷 64-69页

作者：吕青松吴宁南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016

在分析IEEE 1588原理以及影响同步精度因素的基础上,设计了基于Windows平台的时间同步方法,为分布式网络系统的时钟精确同步提供了一种有效可行的解决办法.目前,Windows平台下直接在应用层获取的时间戳精度在10 ms级左右,系统的同步精度... 详细信息

在分析IEEE 1588原理以及影响同步精度因素的基础上,设计了基于Windows平台的时间同步方法,为分布式网络系统的时钟精确同步提供了一种有效可行的解决办法.目前,Windows平台下直接在应用层获取的时间戳精度在10 ms级左右,系统的同步精度为ms级.针对Windows平台下获取更高精度1588时间戳的困难,设计了基于SharpPcap的时间戳处理模块,得到高精度的数据链路层时间戳,从而提高了应用层的时间戳精度.实验结果表明,采用该方法系统主从时钟的同步精度达到亚ms级,满足电力系统中同步精度在ms级以内的时钟同步需求.

关键词：网络时钟同步 IEEE 1588 时间戳亚ms级 IEEE 1588

IEEE-1588协议时钟同步报文的精确时间标记方法研究

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仪器仪表学报 2009年第1期30卷 162-169页

作者：魏丰孙文杰华中科技大学控制科学与工程系武汉430074

采用专用硬件在物理层标记(time stamping)时钟同步报文发出和到达的时刻是实现高精度网络时钟同步的基础。本文分析了IEEE-1588协议中Sync和Delay_Req报文的数据帧结构,提出了一种在以太网物理层(PHY)和MAC层之间的介质无关接口(MII)... 详细信息

采用专用硬件在物理层标记(time stamping)时钟同步报文发出和到达的时刻是实现高精度网络时钟同步的基础。本文分析了IEEE-1588协议中Sync和Delay_Req报文的数据帧结构,提出了一种在以太网物理层(PHY)和MAC层之间的介质无关接口(MII)处检测同步报文的策略和实现精确时间标记的方案。并根据此方案采用Altera公司的CycloneⅠ系列FPGA芯片EP1C12Q240研制了相关的测试平台。在此平台上对10Mbps以太网环境中的时间标记精度进行了初步实测,标记精度优于500nS。

关键词： IEEE 1588协议网络时钟同步时间标记介质无关(MII)接口

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基于FPGA的同步时钟报文检测电路的设计

计算机测量与控制 2010年第11期18卷 2485-2487,2490页

作者：关世友刘魁桂林电子科技大学电子工程学院广西桂林541004

时钟同步技术是解决基于网络的分布式测控系统完成同步测控任务的关键技术,IEEE-1588协议是一种应用于分布式测量和控制系统中的精准时钟同步协议。提出了一种基于IEEE-1588协议在以太网物理层和MAC层之间的介质无关接口(MII/RMII)处检... 详细信息

时钟同步技术是解决基于网络的分布式测控系统完成同步测控任务的关键技术,IEEE-1588协议是一种应用于分布式测量和控制系统中的精准时钟同步协议。提出了一种基于IEEE-1588协议在以太网物理层和MAC层之间的介质无关接口(MII/RMII)处检测同步报文的策略和实现精确时间标记方案[1],在此硬件支持方案和方法的基础之上,充分利用FPGA宏模块资源采用较为简便实用的方法设计实现了同步报文检测电路,该部分电路的设计是采用硬件时间标记方案实现IEEE1588高精度时钟同步的基础。在QuartsII 7.2平台下对设计电路进行优化综合和时序仿真,通过在线实时检测验证了电路设计的正确性。初步验证结果表明设计达到课题要求,应用性能良好。

关键词： IEEE1588协议 MII接口网络时钟同步同步报文检测

基于IEEE-1588协议的高精度时钟对时设计

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电子技术应用 2014年第4期40卷 48-51页

作者：刘见靳绍平李敏李东江聂方明黄建钟丘宏烈国网江西省电力科学研究院江西南昌330096 深圳星龙科技有限公司广东深圳200240

针对分布式控制系统的时间同步精度要求,基于ADI公司的BF518高性能DSP芯片,对IEEE-1588协议的P2P对时进行了阐述。通过芯片中关于IEEE-1588协议的TSYNC模块检测PTP事件消息,并提供事件消息的硬件时间戳以提高时间标记的精度,从而降低计... 详细信息

针对分布式控制系统的时间同步精度要求,基于ADI公司的BF518高性能DSP芯片,对IEEE-1588协议的P2P对时进行了阐述。通过芯片中关于IEEE-1588协议的TSYNC模块检测PTP事件消息,并提供事件消息的硬件时间戳以提高时间标记的精度,从而降低计算主从时钟时延时间的误差。分析了时钟晶振固有稳定性对时钟同步精度的影响,通过设置加数寄存器值调整本地时钟的频率,并对IEEE-1588协议高精度时间同步过程的软件实现进行了详细阐述。实验测试结果表明,该方法很大程度上提高了同步精度,达到了高精度同步系统的要求。

关键词： IEEE-1588 网络时钟同步硬件时间戳 P2P

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网络时间同步及其安全性研究

网络时间同步及其安全性研究

作者：洪锡联北京化工大学

学位级别：硕士

时钟同步问题是分布式操作系统中的一个经典问题,是分布式计算中的核心技术之一。随着计算机技术和网络通信技术的迅猛发展,异步网络环境中各节点的时钟同步问题变得越来越重要,同时,时钟同步问题也被赋予了新的内涵。时钟同步的安全性... 详细信息

时钟同步问题是分布式操作系统中的一个经典问题,是分布式计算中的核心技术之一。随着计算机技术和网络通信技术的迅猛发展,异步网络环境中各节点的时钟同步问题变得越来越重要,同时,时钟同步问题也被赋予了新的内涵。时钟同步的安全性就是其一。客户端需要通过对服务器的认证来确认其是否可信,以避免有意或无意的恶意攻击。本论文主要分为三个部分:第一部分介绍了时钟同步的相关内容,包括物理时钟、逻辑时钟、世界协调时间和原子秒等概念。第二部分介绍了时钟同步系统的同步源、同步方法、同步模型,及其工作模式。接着对时间同步协议(Network Time Protocol)的工作原理、实现方式进行分析,同时在此基础上开发基于Java语言的时间同步客户端软件,并对客户端核心代码进行了分析。第三部分是对时间同步安全性进行讨论。除了介绍时间同步协议具有的抵抗机制、可能遭遇的恶意攻击及需要满足的假设条件,还对数字证书用于时间同步的可行性作出了分析。最后,对自动钥的特征及认证能力作了介绍。

关键词：网络时间协议网络时钟同步网络时间服务自动钥

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千兆以太网IEEE 1588协议的实现

千兆以太网IEEE 1588协议的实现

作者：赵东兴哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着网络技术的蓬勃发展,以太网以其协议通用性、远距离传输、灵活的网络拓扑以及不断发展的网络带宽等诸多优势,被广泛应用到测试领域。网络化自动测试系统主要针对分布式测试任务,与以太网普通应用相比,需实现控制操作的精确性和采集... 详细信息

随着网络技术的蓬勃发展,以太网以其协议通用性、远距离传输、灵活的网络拓扑以及不断发展的网络带宽等诸多优势,被广泛应用到测试领域。网络化自动测试系统主要针对分布式测试任务,与以太网普通应用相比,需实现控制操作的精确性和采集数据的时序关联性。IEEE 1588协议标准是网络化自动测试系统中实现测试设备及测试数据精密同步的重要方式。随着被测目标的测试复杂度和测试内容的持续增长,百兆以太网已很难适应系统对数据传输的需求,千兆以太网接口已成为未来网络化测试设备的重要形式。本文在总结当前主流的PTP(Precision Time Protocol)硬件支持方式的基础上,以Xilinx Zynq-7000 SOC作为硬件设计平台,深入分析比较了基于该硬件平台的三种PTP硬件支持方案,以通用性和可扩展性为主要考量因素,设计了一种基于PL(Programmable Logic)自研IP核实现千兆以太网下IEEE 1588协议的方案框架。本方案为搭建网络通信链路,设计了基于FMC接口的千兆以太网PHY硬件电路和屏蔽底层影响的速率选择与数据优化IP核,并开发相应的通信测试工程测试了PHY与PS(Processing System)之间的通信功能。为完成PTP硬件支持,本方案在可编程逻辑器件中设计可配置实时时钟和时间戳模块,为上层设计提供了完备的时钟调节接口,完成IEEE 1588实现亚微秒级同步精度所需的硬件支持,不要求在通信链路中配备支持硬件时间戳功能的PHY或MAC器件。上层设计采用在Linux操作系统中移植并优化PTPd开源软件并开发IP核设备驱动程序实现IEEE 1588状态机和硬件时间戳获取功能,本方案可以直接移植到包含可编程逻辑器件和支持Linux的微处理器的仪器控制架构中。在本方案的测试中,利用主从时钟输出秒脉冲信号(PPS),精确测试网络节点设备的时钟同步精度,本文从功能性和应用性两方面对本方案同步精度进行测试,分析设备时钟频率偏移、分布时钟节点数、交换机转发次数以及网络背景流量对同步精度的影响,验证了在经多次交换机转发并存在一定背景流量下的网络化测试系统中保持各网络节点设备亚微秒级同步精度的可行性。

关键词：网络化测试 PTP IEEE 1588 网络时钟同步

基于VisualC++的DCS系统时间同步软件的开发

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电力信息化 2011年第4期9卷 34-38页

作者：朱敬华孙晓峰神华国华徐州发电有限公司江苏徐州221166

在发电厂热工控制系统中,实现工程师站和各操作员站之间时钟同步的功能至关重要,它影响诸如报警监视和记录、数据收集、向控制系统采集和发送数据等功能,影响控制时序的准确性,是整台机组安全经济运行的基础。以往使用时间同步在同步时... 详细信息

在发电厂热工控制系统中,实现工程师站和各操作员站之间时钟同步的功能至关重要,它影响诸如报警监视和记录、数据收集、向控制系统采集和发送数据等功能,影响控制时序的准确性,是整台机组安全经济运行的基础。以往使用时间同步在同步时存在某些问题,为了彻底解决这些问题,采用全球卫星定位系统(GPS,Global Positioning System)作为标准时钟(当GPS信号丢失时,以工程师站时钟为标准时钟),以C++为开发平台,自行开发了控制系统时钟同步软件。该软件实际运行至今,可以显著减少工作量,简化操作,效果令人满意。

关键词： GPS 网络时钟同步 Visual C++

长距离数字化管输系统中精确时钟同步的设计方案

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武汉工程大学学报 2013年第2期35卷 83-86页

作者：刘睿中煤科工集团武汉设计研究院湖北武汉430064

针对各个站场内单独装设GPS接收器或其他精确时钟源的独立对时同步方式不能达到微秒级精度,成本较高的问题,提出通过长距离全线网络进行精确时钟同步的设计方案.从常用的多种网络对时方式中选择资源消耗最少且精确度最高的IEEE 1588网... 详细信息

针对各个站场内单独装设GPS接收器或其他精确时钟源的独立对时同步方式不能达到微秒级精度,成本较高的问题,提出通过长距离全线网络进行精确时钟同步的设计方案.从常用的多种网络对时方式中选择资源消耗最少且精确度最高的IEEE 1588网络精确时钟同步协议(IEEE 1588协议),实现从时钟偏移量的修正以及传输时延的修正,并通过一个精确的首端主时钟源周期性的对全线网络内所有从时钟进行校正.结合工程实际设计了时钟设备、交换设备和控制设备的具体架构、基本配置及其功能实现.通过德国赫斯曼公司的三层交换机MACH1140和美国罗克韦尔公司ControlLogix可编程逻辑控制器等行业内主流成熟设备的系统配置,完成整体架构对IEEE 1588协议的支持.在全线局域网络缓存负荷率不超过50%的前提下,使长距离数字化管输系统全线的自动化设备能够作为从时钟,与首端的主时钟源在100ns范围内实现精确时钟同步.

关键词： IEEE 1588协议网络时钟同步自动化调度工业以太网