（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）
摘要：现用时统设备稳定性下降等因素，通过综合比较当今几种常用的同步技术的特点得出PTP技术的优势，简要描述了基于PTP协议的对时原理，最后提出了PTP技术作用于舰船时统的应用方案,并展望了基于PTP协议的船用时统的前景。
关键词：时统 IRIG NTP SNTP PTP
1前言
由于船舶震动、高湿度、高盐分等不利自然因素及厂修次数的减少，导致船内时统设备及线缆可靠性不断降低。为了提高时统灵活部署的能力，实现时间信息的全网分发，考虑船舶IP化改造已初步完成的现状，时间统一系统由硬时统向软时统的过渡势在必行。
2时间同步方式选择
目前时间同步方式主要分为三类，它们分别是硬时钟同步、软时钟同步和混合时钟同步。
2.1硬时钟同步
硬时钟同步是指接收GPS、北斗或GLONASS的UTC时间后，通过设备处理将时间信息转发，从而进行局部时间同步的过程。
2.2 软时钟同步
软时钟同步即网络授时，采用时钟同步算法来达到网络各个节点时钟之间同步的目的，一般不需要对节点的硬件时钟进行操作。
2.3 混合时钟同步
混合时间同步是一种将软硬时钟同步相结合的同步方式。它在网段间使用硬时钟同步，在各个网段之中使用软时钟同步，在网段相交处使用硬件设备，在保证系统方便灵活的同时确保了较高精度。
2.4 同步方式对比
对比可得到，硬时钟同步的优点是授时精度高，但架设专网需要铺设大量同轴电缆，增加大量成本，且增加用户需要额外铺设线缆，安装操作不便；软时钟同步构成系统方便灵活，成本低廉，但精度较低；混合时钟同步既保留了软时钟的优势，同时具有较高的精度。
3基于PTP协议的船载时统方案设计
3.1 PTP同步原理
在IEEE1588 V2标准中，定义了4种同步信息报文，分别为同步报文(Sync)、跟随报文(Follow_Up)、延迟请求报文(Delay_Req)和延迟应答报文(Delay_Resp)。报文分为一般报文和事件报文两种类型。跟随报文和延迟应答报文属于一般报文，一般报文中包含事件报文的发送或接收的时刻信息，其本身不进行时间戳处理。同步报文和延迟请求报文属于事件报文，而事件报文需要打上精确的时间戳。每间隔2秒钟，主时钟就发送一个同步消息Sync给从时钟，记录时刻为t1。从时钟接收到Sync消息，记录时间为t2。紧接着主时钟向从时钟发送一个包含了t1时刻数值的跟随消息Follow_Up。从时钟向主时钟发送延迟请求Delay_Req，记录时刻为t3，主时钟接收到Delay_Req消息，记录时刻为t4。最后，主时钟发送延迟响应Delay_Resp，打上时间戳t4传给从时钟。
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3.2 方案设计
3.2.1 平台选择
考虑到安全因素，任务网需与办公网隔离，而时统用户皆为参试设备，因此不便在办公网上架设PTP时统系统。本船已完成任务网IP化的建设，其分布式网络架构遍布全船重要节点机房，涵盖所有需要时间及频率信号的敏感点。因此本文设计将基于PTP协议的时统系统架设于任务IP网，通过现有的网络传递高精度的时间信息。
3.2.2 主节点架设
在PTP网络中，主时钟是通过BMC算法选定的。BMC算法流程如下。
1） 当一个时钟上线，它在系统指定的时间内监听来自主时钟的Sync消息。如果收到Sync消息，则根据最佳主时钟算法决定状态；如果这段时间内没有收到Sync消息，该时钟则假定自己为主时钟，状态为Pre_Master。时钟的端口表现为主时钟的状态，但是不发送某种特定的消息。
2）Pre_Master状态会保持一定的时间。如果在指定时间内没有收到Sync消息，则状态为主时钟，并发送Announce消息，Sync消息；如果在指定时间内收到Sync消息，则根据最佳主时钟算法决定状态；如果是主时钟，周期性地发送Sync消息；如果是从时钟，周期性地与主时钟交互，纠正本地时钟。
3）主时钟与从时钟的状态可能会不断转换，由最佳主时钟算法决定。
基于BMC算法自动对时钟源进行优选的原则，为了保证时钟源性能始终良好，提升时统系统的可靠性和精度，建议同时提供多个时钟源。在本文中，设置两个时间服务器，实现服务器的热备份。并采用多个时钟源分别接入两个服务器的方式降低风险，提高可靠性。
3.2.3 网络架构
作为混合同步方式，PTP的组网部署有着硬件同步方式没有的灵活性。即使是未安装1588协议的设备，PTP包也能通过，而不会被阻断，大大降低了部署PTP网络的难度。在各用户机房中均有试验IP网交换机，因此可直接部署PTP从节点。部署在时统机房的主节点通过BMC算法选取主时钟后，时钟服务器获得精确时间，并在网络中分发带有时间信息的PTP报文，报文经过网络中的边界时钟和透明时钟达到各个PTP从节点；从节点通过3.2所述的方式与主节点互发报文，从而得到时间信息并实时消除时差，实现与主节点的同步。
通过主从节点PPS信号的相位差，可以得知主从时钟的同步情况。之后根据试验任务的指标要求以及测试结果，可以逐步把PTP时间网中的没有安装IEEE1588协议的路由器、交换机等设备替换为边界时钟或透明时钟，逐步提高同步精度，并最终满足指标要求。
4结束语
本文提出的基于PTP协议的船用时统系统，旨在建立舰船内全网的时间同步，以试验IP网为平台，增强时统系统部署的灵活性，摆脱专网铺设对船内时统业务的限制，简化设备，增加可靠性，提高执行试验任务的能力，是未来船用时统技术的一个发展方向。
参考文献
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[2]周海华,边恩炯.下一代网络SIP 原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.
[3]谢昊飞等.面向测量与控制的精确时间同步实现方法[J].计算机工程,2008,5.
论文作者:张小龙
论文发表刊物:《知识-力量》2018年8月下
论文发表时间:2018/7/30
标签：时钟论文; 报文论文; 时间论文; 节点论文; 消息论文; 算法论文; 协议论文; 《知识-力量》2018年8月下论文;