网络冗余系统中精确时钟同步方法

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第８期　仪　器　仪　表　学　报　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｖ０ｌ＿２９　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２００８　２００８年８月　网络冗余系统中精确时钟同步方法术　章涵，冯冬芹，褚健　杭州３１００２７）　（工业控制技术国家重点实验室摘浙江大学先进控制研究所要：精确时钟协议ＩＥＥＥ１５８８在分布式控制系统中应用广泛。但是在基于并行化网络冗余的分布式控制系统中，ＩＥＥＥ１５８８　协议由于在状态机设计中没有考虑网络冗余的情况，由于同步线路延时计算偏差，造成网络冗余系统的时钟同步存在切换扰　动，导致系统在冗余网络切换过程中出现同步偏差。本文在深入分析了ＩＥＥＥ１５８８协议在网络冗余系统中造成切换扰动的原　因。并且，在兼容ＩＥＥＥ１５８８协议基础上，提出了网络冗余时钟同步方式，以及基于该方法的冗余同步优化算法，解决了冗余网　络切换过程中时钟同步的偏差。　关键词：网络冗余；时钟同步；线路延时　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５１０．５０　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｚｈａｎｇ　Ｈａｎ，Ｆｅｎｇ　Ｄｏｎｇｑｉｎ，Ｃｈｕ　Ｊｉａｎ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆＡｄｖｏａｎｃｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃｌｏｃｋ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ＩＥＥＥ１５８８　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｇ　ｉｎ　ｐｒｏ—　ｔｏｃｏｌ　ｓｔａｔｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ＩＥＥＥ１５８８　ｃａｕｓｅｓ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｉｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｄｅｅｐｌｙ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｓ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，ａｎｄ　ｒａｉｓｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＥＥＥ１５８８，ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ，ｗｈｉｃｈ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ；　Ｐ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｌａｙ　ｔｉｍｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，　Ｐ）应用最为广泛　。当前，　Ｐ协议在　１　引　言　１０　Ｍｂｐｓ以太网上，单纯的基于嵌人式软件的实现方法，　能够达到数个　ｓ的同步精度。但是，在ＩＥＥＥ１５８８协议　化工、机电等很多控制领域的实际工况下，设备所处　的环境相当复杂，控制系统的可靠性也得到广泛的重视。　中，没有考虑到精确时钟同步对于网络冗余控制系统的　支持，造成网络冗余系统的时钟同步存在切换扰动＂　。　针对该问题，Ｈｉｒｓｈｍａｎ等公司提出了基于ＲＳＴＰ等　环网冗余技术的　Ｐ容错方式。但是，这些方法都没有　从根本上解决冗余切换过程中线路延时变化对设备时钟　同步带来的影响，在冗余切换过程中均存在一定程度上　的时钟扰动　。本文深人分析了ＩＥＥＥ１５８８时钟同步的　在网络控制系统的现场设备层通信网络中，通信信道的　冗余是提高分布式网络控制系统可靠性的必然要求，目　前应用广泛的控制系统中一般采用环网冗余或者双总线　冗余的方式，达到提高系统可靠性的目的　。　同时，当前分布式网络控制系统普遍采用各种时钟　同步协议，实现对于构成系统的各个分布式设备的时钟　同步。其中以ＩＥＥＥ１５８８的精确时钟同步协议（ｐｒｅｃｉｓｅ　收稿日期：２００７－０４　Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｄａｔｅ：２００７－０４　原理，在遵循　Ｐ协议的基础上，深人分析　Ｐ在冗余　信道中的设计原则，通过对于　Ｐ协议状态机的充分利　｝基金项目：国家创新群体基金（ＮＣＲＧＳＦＣ：６０４２１００２）资助项目　维普资讯 http://www.cqvip.com １６４４　仪器仪表学报　第２　９卷　用，实现了网络冗余系统中的时钟同步，提出了基于该方　法的网络延时计算补偿算法，并在实验系统中得到验证。　２精确时钟同步在网络冗余系统中存在的　问题　２．１　网络冗余系统结构　双总线冗余是目前现场总线控制系统中可选用的冗　余方式，其控制系统结构如图１所示，指ＥＰＡ网络中的　所有节点都具有两个的物理端口和ＩＰ地址，并通过　这两个端口分别接入两个互为冗余的现场层网络，所有　需要通信链路传递的分组，都通过各自的网络协议　栈，进行协议处理，再经过不同的物理层发送到相互　的通信链路上，在单个现场层网络出现故障的情况下．由　另一个现场层网络的存在，保证了系统的可用性。　ｌ　Ｉ　ｌ　ＥＰＡ　ｌ２　竺竺３ｌ　冗奈网桥　１２８．１２８．３　＾＼ｌ２８．１２４．４．２０　Ｅ冗余控制稍　——　ＰＡ冗余　——　＆场层网络　ＥＦ　２８．１２８．３．　————　：　现　１２８　图１　双总线冗余系统架构　Ｆｉｇ．１　ｄｏｕｂｌｅ　ｂｕｓ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｙｓｔｅｍ　２．２标准时钟同步原理　如图２所示，ＩＥＥＥ１５８８协议综合采用了Ｐ／Ｓ（发布　者／接收者）和Ｃ／Ｓ（客户端／服务器）模式。在系统运行　过程中，主时钟担任着发布者的角色，每隔一段时间将本　地时间通过Ｓｙｎｃ消息发布到网络上，从时钟作为接收者　则根据自己的域和优先级进行时间的接收，并记录下接　收到Ｓｙｎｃ消息的本地时间　。之后，主时钟通过Ｆｏ１．　１ｏｗｕｐ消息将Ｓｙｎｃ消息在本地发送的准确时间　报告　给从时钟。而对于网络线路延时的计算，采用的是Ｃ／Ｓ　模式，从时钟间隔一定时间向主时钟发出线路延时请求，　并记录下该消息在本地发送的准时间　，而主时钟在接　收到线路延时请求后，通过线路延时请求响应回应从时　钟，其中包含了线路延时请求消息在主时钟端接收到的　准确时间　。从时钟通过一次Ｓｙｎｃ消息以及线路延时　请求计算出主从时钟间报文通过网络传输的延时。　主时钟到从时钟的线延时：　ＭａｓｔｅｒＴｏＳｌａｖｅＤｅｌａｙ：ｒｓｌ—Ｔｍ１　（１）　从时钟到主时钟的线延时：　ＭＡＳＴＥＲ　图２工作网络同步过程示意图　Ｆｉｇ．２　Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ＳｌａｖｅＴｏＭａｓｔｅｒＤｅｌａｙ＝　—ｒｓ２　（２）　ＩＥＥＥ１５８８协议计算线路延时的前提是网络报文传　输的对等性，即：　ＳｌａｖｅＴｏＭａｓｔｅｒＤｅｌａｙ　ＭａｓｔｅｒＴｏＳｌａｖｅＤｅｌａｙ　（３）　因此，主从时钟间消息传输的线路延时：　ＷａｙＤｅｌａｙ：ＳｌａｖｅＴｏＭａｓｔｅｒＤｅｌａｙ　＋ＭａｓｔｅｒＴｏＳｌａｖｅＤｅｌａｙ：　（　．一ｒｍ．）＋（　一　）　厶　，）　（４）　依据消息传输的线路延时可以计算出从时钟与主时　钟间的时间偏差：　Ｏｆｆｓｅｔ：ｒ，４一（　＋ＷａｙＤｅｌａｙ）＝　一　『　＋　１　（５）　根据计算得到的主从时间间偏差Ｏｆｆｓｅｔ调整从时钟　时间值，可以实现主从时钟间的同步，称这种方法为　“ＰＴＰ标准方法”。　２．３精确时钟同步在网络冗余系统中存在的问题　ＩＥＥＥ１５８８协议中为了防止出现设备中的时钟值混　乱，明确定义一个从设备所对应的主时钟唯一确定，即单　个设备的所有端口中只有一个端口处于ＳＬＡＶＥ状态。　同时，只有处于ＳＬＡＶＥ状态的端口，才可以通过发送线　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　章涵等：网络冗余系统中精确时钟同步方法　ｌ６４５　路延时请求（Ｄｅｌａｙ　Ｒｅｑｕｅｓｔ），并从主时钟获得线路延时　请求响应（Ｄｅｌａｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ），来计算主从设备问消息的传　输延时。　图３所示系统中，任意设备同时接入１２８．１２８．３．　和１２８．１２８．４．　两个互为冗余的网络，系统中从设备中　只有一个端Ｅｌ处于ＳＬＡＶＥ状态（该端口所接入的网络为　工作网络）。而另一个端口所接入网络（该端口所接入　的网络为备份网络）的主从时钟的线路延时，无法通过标　准的ＩＥＥＥ１５８８标准方式计算。　ＰＴｐ３１作网络　ＰＴＰ备份网络　图３系统结构图　Ｆｉｇ．３　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　在工作网络出现故障、主从设备无法通过工作网络　交互数据时，需要进行冗余切换，主从设备通过备份网络　进行时钟同步。　根据冗余切换时间，分３种情况考虑：主从设备计算　线路延时前发生冗余切换；主从设备完成线路延时计算　后发生冗余切换；主从设备间计算线路延时过程中发生　冗余切换。　在主从设备计算线路延时前，即在时间区间（一∞，　］内，工作网络发生故障，发生冗余切换，由于此时主　从时钟问没有建立同步，因此，不存在切换扰动的情况，　只需要直接进行工作网络和备份网络的切换，主从设备　通过新的工作网络采用“ＰＴＰ标准方法”，进行时钟同步。　下面主要讨论的是主从设备问计算线路延时过程中　以及主从设备完成线路延时计算后的无扰动切换实现。　在主从设备问计算线路延时过程中，即如图２同步　过程中，在时间区间（Ｔｍ２，　］内，工作网络出现故障，　无扰动切换的含义是在采用标准时钟同步的方式下，同　步过程不会因为工作网络的故障而中断。但是，由于工　作网络故障，造成线路延时请求响应报文丢失，因此，本　次同步过程被中断，需要在进行冗余切换后，通过新的工　作网络重新请求计算线路延时。由此认定冗余切换过程　对于时钟同步带来了扰动。　在主从设备完成计算线路延时过程后，无扰动切换　的含义是在冗余切换过程中以及完成冗余切换后，主从　设备问的时钟同步偏差维持在冗余切换前的精度等级。　如图２同步过程中，在时间区间（　，＋∞）内，工作网　络出现故障。则在发生冗余切换后，假设冗余切换前后　线路延时的变化为ＡＷａｙｄｅｌａｙ，冗余切换前主从设备同　步精度为ｓ，则造成在冗余切换后，根据公式：　Ｏｆｆｓｅｔ＝ｚ　一（ｚ　＋ＷａｙＤｅｌａｙ）＝ｚ　一　『Ｌ７‘　。１＋　　二　２　二　二　）－Ｊ　］　（５）　计算得到的主从时钟偏差为ＡＷａｙＤｅｌａｙ，利用该偏　差调整从时钟，则主从设备的偏差为ｓ　：ＡＷａｙＤｅｌａｙ±　ｓ。因此，存在可能ｓ　＞ｓ，从而造成冗余切换的扰动。　３　网络冗余系统中的精确时钟同步　在网络冗余系统中，如果能够预先计算备份网络上　的线路延时，那么在工作网络出现故障，需要在工作网络　和备份网络问进行冗余切换时，就可以实现无扰切换。　下面针对主从设备同步过程中以及主从设备同步后　两种情况，介绍网络冗余系统中精确时钟同步的方式　。　３．１　主从设备完成线路延时计算后无扰动切换　如图３所示网络系统中的主从时钟，通过工作网络　采用ＩＥＥＥ１５８８协议的方式实现了时钟同步。在备份网　络上，主时钟的端口同样处于ＭＡＳＴＥＲ状态，而从时钟　的端口处于ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ状态。如图４所示，假设主时钟　在自身的　时刻向网络发送Ｓｙｎｃ消息，而在相对于主　时钟的　时刻，Ｓｙｎｃ消息被从时钟的ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ端口　接收到。因此，网络报文在网络上主从时钟问传输的延　时为：　Ｒｅ　ｄ—ＷａｙＤｅｌａｙ＝Ｔ　ｍ２一　１　（６）　ＭＡｓ１　Ｒ　１　２　图４备份网络同步过程示意图　Ｆｉｇ．４　Ｂａｃｋｕｐ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　由于系统中主从时钟通过工作网络实现了时钟同　维普资讯 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１６４６　仪器仪表学报　第２　９卷　步，即：　７＂　＝Ｔ　。　（７）　凶此，备份网络线路延时计算方法为：　Ｒｅ　ｄＷａｙＤｅｌａｙ＝Ｔ　ｌ—　（８）　利用该网络延时，实现主从设备通过备份网络的同　步，而不需要在备份网络重新请求计算网络延时，实现工　作和备份网络的无扰动切换。　３．２主从设备间计算线路延时过程中冗余切换　主从设备在同步过程中，工作网络出现故障，此时需　要保证备份网络在最短时间内实现时钟同步。本文针对　的情况是：主设备接收到线路延时请求报文后，丁作网络　发生故障，因此，从设备无法通过工作网络接收到线路延　时请求响应报文。　针对上述情况，主设备的线路延时响应报文不仅在　工作网络上发送，而且同时在备份网络上同时发送该　报文。　结合图２、图４所示，在从设备从丁作网络或者备份　网络接收到线路延时响应后，根据：　Ｏｆｆｓｅｔ＝　一（　＋ＷａｙＤｅｌａｙ）＝　一　『【　＋　柑。　　二　・二２　　二　！＿）Ｊ］　　（９）　因此，相对于备份网络，计算得到主从设备的时钟偏　差为Ｏｆｌｉｅｔ　，由此可得备份网络的网络延时为：　Ｏｆｆｓｅｔ　＝Ｔ　ｌ—Ｔ　Ｒｅ　ｄＷａｙＤｅｌａｙ＝Ｔ　，ｔｌ２一Ｔ　ｌ＝Ｔ　ｌ—Ｔ　ｌ—Ｏｆｆｓｅｔ　（１Ｏ）　由此，可以实现主从设备通过备份网络的同步，而不　需要在备份网络重新请求计算网络延时，加快主从设备　的同步过程，实现了同步过程的工作和备份网络的无扰　动切换”。。　以上两种情况下，通过扩展ＦＦＰ协议实现ＶＦＰ同步　过程以及ＰＴＰ同步后，工作和备份网络的无扰动切换的　方式，称为“ＰＴＰ扩展方法”。　３．３支持网络冗余的时钟同步状态转换　ＰＴＰ网络时钟的状态根据ＩＥＥＥ１５８８标准巾描述的　状态机进行了简化。同时扩展了原有协议中ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ　的状态，增加了对于冗余网络时钟同步的支持。　如图３所示网络冗余系统中，主时钟节点在工作网　络和备份网络上的端口均处于ＭＡＳＴＥＲ状态。而从时　钟节点在工作网络上的端口处于ＳＬＡＶＥ状态，处于备份　网络上的端口处于ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ状态。　时钟各个状态转换的过程如图５所示。　图５　支持冗余的精确时钟同步状态转换　Ｆｉｇ．５　Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　初始化状态ＵＮＣＡＬＩＢＲＡＴＥＤ巾，接收到来自主时钟　的Ｓｙｎｃ消息，经过判断，本地时钟优先级较低，根据本地　是否有端口处于ＳＬＡＶＥ状态，确定本地端口转入ＬＩＳ—　ＴＥＮＩＮＧ或者ＳＬＡＶＥ状态；如果出现等待同步报文超时　的情况，本地端口转入ＭＡＳＴＥＲ状态。　工作网络从时钟状态ＳＬＡＶＥ中，等待来自ＭＡＳＴＥＲ　的Ｓｙｎｃ消息超时，根据本地是否有处于ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ状态　的端口，确定本地端口转入ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ，发生冗余切换，　或者转入ＭＡＳＴＥＲ状态。　冗余从时钟状态Ｌ１ＳＴＥＮＧＩＮＧ中，冗余切换发生后，　网络备份网络上的端口转入ＳＬＡＶＥ状态，采用　Ｐ标准　方法实现与主时钟的同步；ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ中，出现等待接收　来自ＭＡＳＴＥＲ的Ｓｙｎｃ消息超时，则本地端口转入ＭＡＳ—　ＴＥＲ状态：　主时钟状态ＭＡＳＴＥＲ中，收到来自其他ＭＡＳＴＥＲ的　Ｓｙｎｃ消息，Ｓｙｎｃ消息的发送方的时钟优先级高于本地端　口，根据本地是否有端口处于ＳＬＡＶＥ状态，确定本地端　口转入ＬＩＳＴＥＮＩＮＧ或者ＳＬＡＶＥ状态。　本地端口被诊断为故障状态。本地端口转入ＰＡＳ—　ＳＩＶＥ状态。同时，等待一定时间间隔，本地时钟所有端　口转入ｕＮｃＡＬＩＢＲＡＴＥＤ状态。　３．４　冗余通道网络延时补偿算法　不同设备时钟间由于晶振的偏差，必然导致设备在　同步过程中线路延时以及时钟偏差计算的不准确，从而　影响时钟同步精度。近年来，针对同步时钟的晶振纠偏，　国内进行了大量的研究，并且取得了一系列成果。其中，　桂本煊等人通过采用统计学的方法，校正主从时钟间的　晶振偏差达到较好的同步效果　。但是，采用该方式需　要记录大量的历史数据，增加了运算的消耗。在不影响　同步精度的基础上，尝试采用更快速有限的等比例度晶　振补偿算法。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　章涵等：　络冗余系统中精确时钟同步方法　１６４７　图６中，第１个Ｓｙｎｃ消息发送的时间，在主时钟端　获得的时间戳进行补偿。在标准情况下，主时钟连续两　次发送Ｓｙｎｃ消息的时间间隔与从时钟连续两次接受到　为　，在从时钟端的时间为　。该Ｓｙｎｃ消息达到从　，在从时钟端的时间为　，　时钟的时间，在主时钟端为　。Ｓｙｎｃ消息的时间间隔是相同的，即：　一第２个Ｓｙｎｃ消息发送的时间，在主时钟端为　，在从时钟端的时间为　Ｔ　ｌ＝　一　（１９）　在从时钟端的时间为　时间，在主时钟端为　。该Ｓｙｎｃ消息达到从时钟的　。采　但是由于主从时钟的晶振存在偏差，因此，在实际系　统中，存在偏差０：　０＝（Ｔ　一　）一（Ｔ　一　）　（２０）　用ＰＴＰ扩展方法计算线路延时的情况下，主从时钟间同　样将由于主从时钟问晶振的偏差造成线路延时计算不准　该偏差由连续两次Ｓｙｎｃ消息间隔时间内主从时钟　确。由式（１０），计算得到：　Ｒｅ　ｄ—ＷａｙＤｅｌａｙ＝Ｔ　—Ｔ　ｌ　（１１）　其中相对主时钟，消息传输的时问　为：　＝Ｔ　一Ｔ　（１２）　并认定该时间为标准的主从时钟通过冗余网络传输　的线路延时；相对于从时钟，消息传输时间　为：　＝Ｔ　—Ｔ　ｌ　（１３）　Ⅲｌ　Ｉ　２　２　Ｍ３　图６备份网络线路延时计算流程　Ｆｉｇ．６　Ｂａｃｋｕｐ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌｉｎｅ　ｄｅｌａｙ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　在理想情况下，　（１４）　此时，可以计算出精确的线路延时。　但是，由于主从　时钟间的晶振存在偏差，导致：　≠　（１５）假设此时：　＝　＋△　（１６）　且主从时钟的偏差△８为：　△８＝Ｔ　ｌ—Ｔ　ｌ　因此，冗余网络线路延时：　７　旨Ｒｅ　ＷａｙＤｅｌａｙ＝Ｔ　—Ｔ　ｌ＝Ｔ　＋△　＝　＋△８：　一Ａｙ　－４－△８　（１８）　此时，需要对于由于主从时钟晶振的偏差而引入的　偏差△　进行补偿。　对于偏差△　，可以利用连续两次计算线路延时所　的晶振偏差引起。由于主从时钟的晶振的温度等影响因　素在连续两次Ｓｙｎｃ消息的间隔时间（一般为４　Ｓ）内，不　可能发生变化。因此，可以认定在该时间间隔内，主从时　钟间晶振的偏差没有变化，因此，可以利用该偏差值，对　线路延时计算的偏差进行补偿。　一　。　，，）１、　一　正　ｙ　－　由此可得：　＝南　＝　告　一　、‘　乒　一　正　一　。＋△　）＝　告　一　一△　。　（２２）　一　２　其中主从时钟由于通过工作网络实现同步，而且，在　两次接收Ｓｙｎｃ消息的间隔内，晶振偏差引起的误差相对　于两次接收Ｓｙｎｃ消息时间间隔可以忽略，即：　（Ｔ　一Ｔ　１）一（Ｔ　一　：）＜＜（Ｔ　一Ｔ　）　（２３）　因此，对于备份网络线路延时补偿值△　中的偏差　△　部分忽略不计。　线路延时补偿值：　Ａｙ　＝Ａｙ　一　（　记　一　一　Ｔ　）　（２４）　在增加了对于线路延时的补偿后，备份网络的线路　延时为：　Ｒｅ　ＷａｙＤｅｌａｙ　＝　一　Ｊ＋△　＝　（　（２５）　４　系统建立和数据分析　在图３所示系统中接入测试设备，由该测试设备不　定期向ＰＴＰ备份网络发送测试报文，所有被测试设备在　维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ６４８　仪器仪表学报　第２　９卷　接收到测试报文的同时，记录本地时间，并将本地时间通　的变化（图中坐标系Ｙ轴最小刻度为２　０００　ｎｓ）。在发生　过测试响应报文通知测试设备。所有设备记录的时间与　冗余切换后，不引入优化算法的情况下，由于线路延时计　算存在偏差，主从时钟偏差维持在一２　ｓ左右，即由于晶　振的偏差，造成线路延时计算偏差约一２　ｓ，从而保证同　步精度达到４｜Ｌｓ，满足同步精度在ｌ０　ｓ之内的要求。　但是，在引入优化算法后，由于线路延时计算的精度提　高，线路延时计算得到优化，不再存在一２　ｓ的偏差。因　此，同步精度达到２　ｓ。　网络主时钟记录时间的差值即同步偏差。　在本实验系统中，工作网络的同步精度达到ｌ０　ｓ，　因此，在冗余切换后，系统地时钟同步精度维持在ｌ０　ｓ，　即认定网络切换过程无扰动。系统图７为未采用ＰＴＰ扩　展方法同步备份网络时钟的情况（图中坐标系Ｙ轴最小　刻度为１００　Ｉｘｓ）。在发生冗余切换后，同步精度明显下　降，同步偏差达到约１６０　Ｉｘｓ，该数值正好约为备份网络上　主从时钟网络线路延时。在采用了ＩＥＥＥ１５８８标准方法　计算网络线路延时后，同步精度再次恢复到ｌ０　ｓ精度　范围内　余切换点　一一一　————…——一　／　式　一｛＝＝二　０　１００　２００　３００　４００　测试次数　网７主从设备实现同步后冗余切换过程　Ｆｉｇ．７　Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｆｔｅｒ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　在主从设备同步过程中，即主设备接收到从设备的　Ｄｅｌａｙ　Ｒｅｑｕｅｓｔ报义后，发生冗余切换。如图８所示，采用　扩展　Ｐ方式的网络正常计算了线路延时，主从时钟偏　差在ｌ０　ＬＬｓ之内，实现设备时钟同步（图中坐标系Ｙ轴最　小刻度为１００　Ｉｘｓ）。而采用标准　Ｐ方式的网络，在冗　余切换后，需要重新请求计算线路延时，同步过程无法实　现无扰动。　０　１００　２００　３００　测试次数　网８　主从设备同步过程中冗余切换过程　Ｆｉｇ．８　Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　图９对比了采用备份网络优化算法前后，同步精度　图９优化算法测试结果　Ｆｉｇ．９　Ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　５结　论　本文提出的对于ＩＥＥＥＩ５８８协议的扩展方法，在兼容　标准ＩＥＥＥＩ５８８协议的基础上，实现了网络冗余系统中，　冗余切换过程的时钟同步无扰动切换。并且，基于该方　法，提出了备份网络线路延时的优化算法。同时，经过试　验证明，采用优化算法提高了备份网络线路延时计算的　准确度，保证了冗余切换过程中的时钟同步无扰动切换。　参考文献　『１］　ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　８０２．３，２０００　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｐａｒｔ　３：Ｃａｒｒｉｅｒ　ｓｅｎｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［ＣＳＭＡ／ＣＤ］　Ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ［ｓ］．　ＩＳＯ／ＥＥＣ　８８０２—３：２０００（Ｅ），２０００．　［２］　ＩＥＣ．ＩＥＣ／ＰＡＳ　６２４０９　Ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ＥＰＡ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｆｏｒ　ｐｌａｎｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）［ｓ］．　Ｇｅｎｅｖａ，Ｓｗｉｔｅｒｌａｎｄ：　ＩＥＣ，２００５．　ｆ　３　１　ＩＥＥＥ　ｓｔｄ　ｌ５８８－２００２，ＩＥＥＥ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏｆｒ　ａ　ｐｒｅｃｉｓｈｎ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｃｏｏｌ　ｆｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．，２００２．　［４］　王平，谢昊飞，肖琼，等．工业以太网技术［Ｍ］．北　京：科学出版社，２００７．　ＷＡＮＧ　Ｐ，ＸＩＥ　Ｈ　Ｆ，ＸＩＡＯ　Ｑ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｄｕｓｔｉｒｌａ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐｒｅｓｓ，２００７．　［５］孙攀，王平，谢吴飞．以太网工厂自动化协议中确定　性调度的研究与实现［Ｊ］．计算机集成制造系统，　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　章涵等：网络冗余系统中精确时钟同步方法　１６４９　２００７，１３（３）：５６３－５６７．　ＳＵＮ　Ｐ，ＷＡＮＧ　Ｐ，ＸＩＥ　Ｗ　Ｆ．Ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｉｎ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｆｏｒ　ｐｌａｎｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎ—　ｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，１３（３）：５６３－５６７．　［６］　王忠锋，于海斌，王宏，等．工业以太网实时通信中　的调度表构建策略研究［Ｊ］．信息与控制，２００７，３６　（３）：２６１—１６５．　ＷＡＮＧ　ＺＨ　Ｆ，ＹＵ　Ｈ　Ｂ，ＷＡＮＧ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｌｉｓｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ『Ｊ］．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００７，３６　（３）：２６１—１６５．　［７］　张军，王平，易明华，等．ＥＰＡ通信调度测试方法与　实现技术［Ｊ］．计算机工程，２００６，３２（１７）：２４９－２５１．　ＺＨＡＮＧ　Ｊ，ＷＡＮＧ　Ｐ，ＹＩ　Ｍ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＰＡ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ『Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔ—　ｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，３２（１７）：２４９—２５１．　［８］　冯冬芹，俞海斌，金建祥，褚健．ＥＰＡ实时以太网与　标准化［Ｊ］．自动化仪表，２００５，２６（９）：１－３．　ＦＥＮＧ　Ｄ　Ｑ，ＹＵ　Ｈ　Ｂ，ＪＩＮ　Ｊ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．ＥＰＡ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｅｔｈ—　ｅｒｎｅｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ『Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｉｎ—　ｓｔｕｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２００５，２６（９）：１－３．　［９］　黄文君．控制系统的冗余策略和实现准则［Ｊ］．仪器　仪表学报，２００４，２５（４）：５４５－５４７．　ＨＵＡＮＧ　Ｗ　Ｊ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｒｕｌｅ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎ—　ｔｉｉｆｃ　Ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔ，２００４，２５（４）：５４５—５４７．　［１０］　桂本炬．ＩＥＥＥ　１５８８的高精度时间同步算法的分析与　实现［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２００６（４）：２０—２３．　ＧＵＩ　Ｂ　Ｘ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ａｃｃｕｒａｃｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＥＥＥ１５８８『Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｉｎ—　ｓｔｕｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００６（４）：２０－２３．　作者简介　章涵，２００１年于浙江大学获得学士学位，现为浙江大学　先进控制研究所博士研究生，主要研究方向为工业以太网时　钟同步技术。　地址：浙江大学先进控制研究所２０８室，３　１００２７　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈａｎ＠ｓｕｐｅｏｎ．ｃｏｍ　Ｚｈａｎｇ　Ｈａｌｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｂ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅ　ｆｒｏｍ　Ｚｈｅｊｉｎａｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｉｎ　２００１．Ｈｅ　ｉｓ　ａ　ＰｈＤ　ｓｔｕｄｅｎｔ　ｉｎ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｎｏｗ．Ｈｉｓ　ｃｕｒ－　ｒｅｎｔ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．　Ａｄｄｒｅｓｓ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈａｎ＠ｓｕｐｃｏｎ．ｃｏｍ　冯冬芹，分别于１９９１、１９９４和１９９７年在浙江大学获得学　士、硕士和博士学位，现为浙江大学先进控制研究所教授，主　要研究方向为工业以太网。　地址：浙江大学先进控制研究所，３　１００２７　Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｑｆｅｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　Ｆｅｎｇ　Ｄｏｎｇｑｉｎ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｂ．Ｓ，Ｍ．Ｓ　ａｎｄ　ＰｈＤ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ａｌｌ　ｆｒｏｍ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ　ｉｎ　１９９１，１９９４　ａｎｄ　１９９７，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｈｅ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ　ｉｎ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ　ｓｉｎｃｅ　２００５．Ｈｅ　ｅｎｊｏｙｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｎａｄ　ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ．　Ａｄｄｒｅｓｓ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｚｈｅｊｉｎａｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｑｆｅｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ