IEEE1588精确时间同步协议浅析

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摘要：本文研究了IEEE 1588精确时间同步协议的基本原理、核心算法和技术特点。该协议主要解决传统网络时间同步技术
精度不高和安全性差等问题。相比已有的基于网络时间协议(NTP)或CPS的时间同步技术，基于IEEE 1588协议的时间同步
技术具有很高的精确性、安全性和可控性，能够较好地满足通信网同步、电力系统、工业控制、高精密测量等应用领域的时间
同步要求。
关键词：时间同步；IEEE 1588协议；NTP; GPS
中图分类号：TN911.6    文献标识码：A
Abstract: The principles, core algorithms and technical features of IEEE 1588 protocol  (Precision Time Synchronization Protocol) are
introduced. The IEEE 1588 protocol can solve?the problem of low time?synchronization?accuracy of networks and?poor?security per-
formance. Compared to the two existing?network time synchronization technologies,?NTP based and CPS?based technologies, IEEE
1588 based time synchronization technology can provide higher?accuracy, security and controllability, and meet the time synchroniza-
tion requirement of communication network, power systems,?industrial control and high precision measurement?applications.
Key words:吐me synchronization; IEEE 1588 protocol; NTP; GPS
  1引言
  随着现代信息技术的飞速发展，各种应用控制设备逐步走
向分布化、智能化、网络化，不准确的计算机时钟对于网络结构
以及其中的应用程序的安全性会产生较大的影响，因而网络的
时间同步能力日益受到广泛的重视，在很多网络系统研发中都
是关键技术之一。为提高网络时间同步能力，计算机和网络业
界开发出一种网络时间协议(NTP)，用以提高各网络设备之间
的同步能力，其时间同步精度可达ms级。但在许多应用领域如
TDMA通信网、电力系统、工业控制和高精密测量中，要求非常
精准的时间同步，某些电力系统业务甚至要求时间同步误差小
于IILS（例如线路行波故障测距、雷电定位等），而这通常会超出
NrIP协议所能提供的精度范围。此外在无线通信网络中，高精
度的时间同步能够有效提高无线空间频谱利用率，已成为未来
所有无线基站需要采用的基本技术之一。传统的解决方案是为
每个基站配备一个CPS模块，但由于CPS存在着安装勘测难、
馈线铺设困难、维扩和安装成本高、存在安全隐患、投资风险高
等一系列问题[1]，TD-CDMA、WI-MAX和LTE等网络的运营商
均迫切期待新的、实用的地面高精度时间同步方案出台。
    在此情况下一种为满足高精度授时需求的网络时间协议
IEEE Std 1588TM(全称《网络测量和控制系统的精确时钟同步
协议》)应运而生。2002年网络精确时钟同步委员会获IEEE仪
器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)支持，起草IEEE
1588标准；而后IEEE组织对1588 vl进行了重新修订，修订后
版本在2006年6月份出台，2007年又完成了对v2版本的修
订。1588 v2协议对vl进行了完善，进一步提高了时间同步的
陈姝：讲师硕士
精度。2009年12月，浙江移动携手华为在杭州移动TD-SCD-
MA传送网络中采用OTN+PI'N的IEEE 1588 v2传送组网方案
并进行了实验，各种模式下端到端全网长期误差仅80 ns左右
(TD-SCDMA时间同步精度要求为3000ns)，达到了GPS级别的
时间同步和频率同步传送精度，表明IEEE 1588v2技术完全可
以独立提供时间同步和频率同步传送功能，标志着该技术正逐
步走向成熟。精确的IEEE 1588仍议可以利用以太网使终端设
备同步，精度可达亚s级；同时它对资源的要求非常低，易于高
中低端设备之间的兼容；此外它还是一个自适应系统，能够自
我管理系统内的时钟节点，大大减少人工参与。但为确保高精
度，IEEE 1588协议需要硬件支持，系统升级改造成本较高，制
约了IEEE 1588协议的大范围应用。
    本文主要研究1EEE1588时间同步技术基本原理、核心算法
和技术特点，与现有的两种基于NTP和CPS的时间同步技术
进行对比，基于IEEE 1588协议的技术具有很高的精确性、安全
性和可控性，完全符合电力系统、工业控制、高精密测量等应用
领域的时间同步要求。
    2 IEEE 1588协议的基本原理
    IEEE 1588协议的全称为“网络测量和控制系统的精密时
钟同步协议标准”，是通用的提升网络定时同步能力的规范，可
使分布式通信网络具有严格的定时同步能力。它的实现原理与
思想是：通过主从设备间消息传递，计算时间和频率偏移，达到
主从频率和时间同步。具体说来，由主时钟周期性发布prIP时
间同步协议及时间信息，从时钟接收主时钟端口发来的时间戳
信息，系统计算出主从时间差并利用时间差调整本地时间，使
设备保持与主设备时间一致的频率与楣位。PrP协议(precision
time protocol精密时钟协议)为IEEE1588 v2协议中定义的重要
-126- 120元，年邮局订阅号：82-946匿两蓬霹醺酾丽塑亘羹圈    网络与通信
协议，它的核心算法包括最佳主时钟(BMC)算法和本地时钟同    LCS算法的关键假设是报文往返的路径时延相等，或者说
步(LCS)算法。    网络的往返传输时延是对称的。此时设报文往返的路径时延为
    BMC算法用于在成千上百的互连设备中选择一台最合适  Td，则有：
的设备充当主时钟，这种算法需要连接在IEEE 1588网络上的
每台设备提供一个描述其本地时钟性质、质量、稳定性、唯一识
别符和首选设置的数据集。当一台设备加入IEEE 1588网络
时，它会广播其时钟数据集并接收其他所有设备的数据集，而
后利用所有参与设备的数据集，在每台设备上均运行同- BMC
算法，以确定最佳主时钟及自身未来的状态（主时钟或从时
钟）。
    BMC算法由数据集比较算法和状态决策算法两部分组成。
数据集比较算法负责比较两个数据集，并将比较结果返回，为
状态决策算法设置本地时钟的状态提供依据。具体步骤如下：
算法首先确定待比较两数据集的超主时钟是否为同一时钟，若
不是则通过比较超主时钟的时钟特性来确定较好数据集。时钟
特性包括时钟属性（例如是否指定主、从时钟）、时钟等级( IEEE
1588协议用于标识时钟精度)、时钟类型（IEEE 1588访议标识
的时钟源类型，例如时钟源来自铷钟、铯钟等）、时钟方差以及超
主时钟的MAC地址；若是同一时钟则对超主时钟到本地时钟
的通路长度进行比较，通路长度最短的时钟或能更近地接收超
主时钟消息的时钟为较好时钟；若以上比较结果都相同，则再
对数据集的接收端口号进行比较，端口号小的是较好数据集；
若接收端口号仍相同．则比较超主时钟的sequence ID值，值大
的为较好数据集。而状态决策算法负责在数据集比较算法的基
础上决定本地时钟端口的状态，即用数据集比较算法比较收到
的同步报文是否优于本地时钟的默认数据集，如果比本地时钟
的默认数据集优，则将本地时钟设为从时钟，否则将本地时钟
设为主时钟。因此每当本地时钟的时钟端口接收到网络中的同
步报文时便会运行BMC算法，将本地时钟的时钟特性与接收
到的同步报文相比较，按照比较结果设置本地的时钟状态，并
对当前数据集、父数据集和全球时间数据集进行修正，根据本
地时钟的状态决定程序的流向，进而产生拓扑结构。IEEE 1588
协议会生成树形拓扑结构，将一些竞争失败的节点端口定义为
禁用(disabled)状态、被动(passive)状态等，避免生成回路。由于
网络中的所有时钟端口竭按相同的BMC算法进行本地时钟状
态的设置，所以结果也将会相同，设备之间不需要进行任何的
协商，便可选出网络中的最优时钟。
    LCS算法主要用来计算主时钟设备与从时钟设备的时间
差并调整和补偿此时间差。图l所示为主从时钟同步流程。要
计算得到主从设备时间差Tms和从主设备时间差Tsm，需要两
个重要的计算因子，分别是主从通信路径时延Tmsd和从主通
信路径时延Tsmd。由图l(a)可得：
    k=It．’+k)一‘，’    (l)
    由图l(b)可得：  L．=L，，一(‘j+k)    (2)
圭-J~p嚣HH A/l/  AUN    臀嚣iink眷嚣
(a)主时钟向从时钟发送Syne报立  (b)从时钟向主时钟发送DclayReq报文
    图1主从时钟同步流程
    L=乒k+k）=Ⅱ（‘．，一Lj）+(Lj—t珈    (3)
    将式(3)代入式(1)和式(2)即可计算出：
    r埘=瓦一（t．’-‘，’）    (4)
    乙=（乙j—t?）-L(5)
  需要注意的是若计算得到的主从或从主设备时间差过大，例
如超过1秒，则须应用绝对时间调整，即从时钟设备需要加上时
间差以调整绝对时间，使其时间在此刻与主时钟完全一致；而
若时间差Tms较小，则可使从时钟的频率改变某一百分比，使
其与主时钟的频率保特一致。
    3 IEEE 1588协议的技术特点及优势
    IEEE 1588协议的主要技术特点包括硬件时间戳、边界时
钟、透明时钟等，可以较好地解决同步精度、非对称性和网络抖
动等问题。
3.1硬件时间戳
    时间戳
    (a)    (b)
    图2 IEEE 1588v2和NTP协议时间戳处理对比
    传统的NTP时间同步技术是在软件上打时间戳，如图2(a)
所示．它的时间戳处理在C点(见图2(b))，A点至C点的不确定
时延会导致NTP的误差达到几十毫秒，严重影响时间恢复的精
度。而IEEE1588技术由于有硬件支持，可利用以太网媒体访问
控制(MAC)层打硬件时间戳，如图2(b)所示，它的时间戳处理在
A点，因此可很好的解决NTP技术中设备响应时间同步报文的
不确定延时问题，大幅度提高时间同步的精度。
  3.1边界时钟(BC)
  如果主从时钟之间距离较长，受网络波动等因素影响消息
传输延迟相差可能会很大，足以引入很大的非对称性误差，将
严重影响同步的精度。相对于普通时钟只有一个物理端口，边
界时钟多个物理端口，每个端口可处于不同的状态，可看作多
个普通时钟的集成。若在距离较长的主从时钟之间布置若干个
边界时钟，逐级同步，即可降低非对称性的影响。
    3.3透明时钟(TC)
    逶明时钟用于在距离较长的主从时钟之间，减少网络抖动
的影响，做非对称校正，减少大型拓扑中的积聚误差【9]。透明时
钟与边界时钟不同的是，透明时钟没有主从状态，也不需要做
逐级同步。透明时钟分为E2E端到端透明时钟和P2P点对点透
明时钟。E2E透明时钟用于在主从时钟之间像路由器那样转发
消息；驻留时间桥会测量IyIP事件消息的驻留时间（即PTP消
息穿越透明时钟所需要的时间）；再将此时间写入到此PTP事
件消息或其后续消息(FollowUp消息)的特定字段；从时钟会根
据特定字段中的值做同步校正修改时间，从而提高时间同步的
精确度。P2P透明时钟与E2E透明时钟类似，只是不同之处在
于E2E透明时钟只可测量驻留时间，而P2P透明时钟不仅可测
（爹嗣自拽罔邮局订阅号：82-946 120元／年一127-网络与通信《微it算机信息》2012年第28卷第2期
量PTP消息的驻留时间，还可通过各端口的额外模块，计算每止舅t第144页）
个端口和与它分享这条链接的另一端（也支持P2P透明时钟）的  案中，每个参与者产生一个私钥，然后协同产生秘密份额。在密
链路延迟。    钥产生阶段，所有的成员协同产生用于验证签名的系统公钥；
    4结语
    精确的时间同步技术在很多领域的网络系统中成为必要
的关键性技术，具有十分重要的研究意义，IEEE 1588-协议是报
文同步方式中最新的解决方案。IEEE1588时间同步技术可同
时实现频率同步和时间同步，精度可达到亚s级，最新版本
IEEE1588v2协议在提高同步精度上做出很多改进，降低了网络
抖动延迟引起的非对称性影响。已有实验测试结果表明，基于
IEEE1588协议的传送网络达到了GPS级别的时间同步和频率
同步传送精度，也就是说1EEE 1588技术完全可以独立提供时
间同步和频率同步传送。其在时间同步精度上的优异表现，使
精确时间同步不再单纯依靠GPS技术，为要求高精度和高安全
性的应用领域提供了新的时间同步方案。
    本文作者创新点：1．相比已有的基于网络时间协议(NTP)
或GPS的时间同步技术．基于IEEE 1588协议的时间同步技术
具有很高的精确性、安全性和可控性，能够较好地满足通信网
同步、电力系统、工业控制、高精密测量等应用领域的时间同步
要求。2．研究了IEEE 1588精确时间同步协议的基本原理和实
现方法、核心算法和技术特点。
    作者对本文版权全权负责，无抄袭。
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作者简介：陈姝(1983.07-)，女（汉），江苏人，解放军理工大学理学
院基础电子学系讲师，硕士，主要从事无线授时技术研究。
Biography: CHEN Shu(1983.07-), female(the Han nationality),
Jiangsu Province, Institute of Science, PLA University of Science
and Technology, lectuer, Master, Research area: Radio Con-
trolled Technology.
遁讯地址：(211101江苏省南京市中华门外双龙街60号解放军
理工大学理学院电子系1陈姝
    (收稿日期：2011.03.28)(修稿日期：2011.06.28)
在签名的产生及发布阶段，t个或t个以上诚实的签名者利用秘
密份额计算出并提供正确的信息，能够产生私钥的影子，即间
接地产生私钥，产生并发布一签名。该方案无需一个可信中心
来处理共享的秘密，只是在秘密产生阶段需要秘密通信，每个
成员需保留的秘密信息只有一个自己的私钥和一份秘密份额；
即使存在着超过门限值的成员协同作用，也无法将其他成员的
私钥恢复；在数字签名产生阶段无需秘密通信，具有良好的安
全性和执行效率。
    作者对本文版权全权负责，无抄袭。
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作者简介：郑芳芳(1986 -)，女，汉族，硕士研究生，计算机系统结
构专业，主要研究方向：密码学，信息安全；侯整风(1958 -)，男，汉
族，教授，合肥工业大学信息与计算机学院任教，主要研究方向：
计算机网络，信息安全。
Biography: ZHENC Fang-fang (1986 -),Female, Master, Re-
search area are cryptography and information security.
(230009合肥合肥工业大学计算机与信息学院)郑芳芳
侯整风朱晓林
(School of Computer and Informahon, Hefei University of
Technology, Hefei 230009,China) ZHENG Fang-fang
HOU Zheng-feng ZHU Xiao-Iin
通讯地址：(230009合肥合肥工业大学计算机与信息学院)
郑芳芳
    (收稿日期：2011.03.28)(修稿日期：201 1.06.28)
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2014-10-1 07:41 上传

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