[发明专利]一种基于PTPd2协议的精确时钟同步实现方法

说明书

本发明涉及一种基于PTPd2协议的精确时钟同步实现方法，属于通信技术及计算机网络领域。本发明通过主从时钟设备交互通信报文实现精确时钟同步，PTPd2协议可获取报文到达主从时钟设备的网络驱动层的精确时间戳，相比于NTP协议在应用层获取的时间戳，可有效避免协议栈的干扰，同时通过捕获报文到达主从时钟设备的MAC层的时间，并在主从时钟设备中补偿报文从网络驱动层传输到MAC层所产生的延时和抖动，可提高时钟同步精度。测试表明，当主从时钟设备通过网线直接连接时，合理设置参数并补偿出边界时间，时钟同步精度可达19μs，并且通用性强，容易实现。

技术领域

本发明涉及通信技术以及计算机网络领域，具体涉及一种基于PTPd2协议的精确时钟同步实现方法。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，时钟同步技术成为分布式测控系统中的关键技术，并且很多场合对时钟同步精度的要求越来越高。传统的NTP(Network Time Protocol)协议在2000公里范围的广域网内同步精度在10毫秒级，局域网内的同步精度在1毫秒级，这种毫秒级的精度已经无法适用于对精度要求更高的场合；GPS虽然同步精度达100ns，但是GPS的接入设备昂贵、难于选址和安装，并且存在政治风险，因此不适合大规模使用。而IEEE 1588标准定义了一种精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)，可以基于现有网络结构实现时钟同步且同步精度在亚微秒级，因此更能满足需求。

PTP协议主要由三种实现方式，分别为：(1)基于支持PTP协议的芯片在物理层获取时间戳的硬件实现方式，如DP83640；(2)基于支持PTP协议的微控制器在媒体独立接口(Media Independent Interface，MII)处获取时间戳的硬件实现方式；(3)基于PTPd2(Precision Time Protocol daemon)协议的软件实现方式。软硬件实现的区别在于获取时间戳的方式不同，硬件实现是在底层获取时间戳，需要硬件辅助，精度较高，但在实际应用中需要改变原有网络中的硬件设备，增加了成本；软件实现则是在协议栈获取时间戳，精度稍低，但是实现简单，节约成本，因此更易被广泛使用。

PTPd2协议可在协议栈的网络驱动层获取时间戳，而越靠近协议栈底层获取时间戳，能达到的时钟同步精度越高，在进行时钟同步时，报文在时钟设备中从网络驱动层传输到媒体访问控制(Media Access Control，MAC)层会受到操作系统和协议栈的干扰产生延时和抖动，误差在几微秒甚至几十微秒，严重影响时钟同步的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PTPd2协议的精确时钟同步实现方法，以解决报文在主从时钟设备中从网络驱动层传输到MAC层受操作系统和协议栈的干扰而影响时钟同步精度的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于PTPd2协议的精确时钟同步实现方法，包括以下步骤：

(1)主从时钟设备分别运行PTPd2协议，确定各时钟设备的端口状态，并启动定时器，当定时器超时时，主从时钟设备开始发送通信报文；

(2)分别在主从时钟设备中捕获通信报文，提取报文在主从时钟设备中到达MAC层的时间，并提取相应报文字段中记录的报文到达主从时钟设备的网络驱动层的时间，定义出边界时间Δt为报文在主从时钟设备中从网络驱动层传输到MAC层的时间，分别计算主从时钟设备的出边界时间Δt；

(3)分别在主从时钟设备中补偿出边界时间Δt，主从时钟设备重新运行PTPd2协议，确定各时钟设备的端口状态并交互报文信息；

(4)从时钟设备根据本地时钟同步算法校正本地时钟，与主时钟设备保持同步。

上述方案中，所述步骤(2)中，计算主从时钟设备的出边界时间Δt，具体包括以下步骤：