Detalji implementacije PTPv2 protokola vremenske sinhronizacije

Uvod

Koncept izgradnje “Digitalne trafostanice” u elektroprivredi zahtijeva sinhronizaciju sa tačnošću od 1 μs. Finansijske transakcije takođe zahtevaju preciznost u mikrosekundama. U ovim aplikacijama, tačnost NTP vremena više nije dovoljna.

PTPv2 protokol za sinhronizaciju, opisan standardom IEEE 1588v2, omogućava preciznost sinhronizacije od nekoliko desetina nanosekundi. PTPv2 vam omogućava slanje sinhronizacijskih paketa preko L2 i L3 mreža.

Glavna područja u kojima se koristi PTPv2 su:

• energija;
• Oprema za kontrolu i mjerenje;
• vojno-industrijski kompleks;
• telekom;
• finansijski sektor.

Ovaj post objašnjava kako funkcioniše PTPv2 protokol za sinhronizaciju.

Imamo više iskustva u industriji i često vidimo ovaj protokol u energetskim aplikacijama. U skladu s tim, pregled ćemo obaviti s oprezom za energiju.

Zašto je to potrebno?

Trenutno, STO 34.01-21-004-2019 PJSC Rosseti i STO 56947007-29.240.10.302-2020 PJSC FGC UES sadrže zahteve za organizovanje sabirnice procesa sa vremenskom sinhronizacijom preko PTPv2.

To je zbog činjenice da su terminali relejne zaštite i mjerni uređaji povezani na procesnu sabirnicu, koji prenose trenutne vrijednosti struje i napona kroz procesnu sabirnicu, koristeći takozvane SV tokove (multicast streams).

Terminali za relejnu zaštitu koriste ove vrijednosti za implementaciju zaštite ležišta. Ako je tačnost mjerenja vremena mala, neke zaštite mogu raditi pogrešno.

Na primjer, odbrana apsolutne selektivnosti može postati žrtva „slabe“ vremenske sinhronizacije. Često se logika takvih odbrana zasniva na poređenju dvije veličine. Ako se vrijednosti razilaze za dovoljno veliku vrijednost, tada se aktivira zaštita. Ako se ove vrijednosti izmjere s vremenskom točnošću od 1 ms, tada možete dobiti veliku razliku gdje su vrijednosti ​​stvarno normalne ako se mjere s preciznošću od 1 μs.

PTP verzije

PTP protokol je originalno opisan 2002. godine u standardu IEEE 1588-2002 i nazvan je “Standard za protokol za preciznu sinhronizaciju sata za umrežene mjerne i kontrolne sisteme”. Godine 2008. objavljen je ažurirani IEEE 1588-2008 standard, koji opisuje PTP verziju 2. Ova verzija protokola je poboljšala tačnost i stabilnost, ali nije zadržala kompatibilnost unatrag s prvom verzijom protokola. Također, 2019. godine objavljena je verzija standarda IEEE 1588-2019, koja opisuje PTP v2.1. Ova verzija dodaje manja poboljšanja PTPv2 i kompatibilna je s PTPv2 unatrag.

Drugim riječima, imamo sljedeću sliku sa verzijama:

PTPv1
(IEEE 1588-2002)

PTPv2
(IEEE 1588-2008)

PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)

PTPv1 (IEEE 1588-2002)

-
Nekompatibilno

Nekompatibilno

PTPv2 (IEEE 1588-2008)

Nekompatibilno

-
Kompatibilan

PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)

Nekompatibilno

Kompatibilan

-

Ali, kao i uvijek, postoje nijanse.

Nekompatibilnost između PTPv1 i PTPv2 znači da uređaj na kojem je omogućen PTPv1 neće moći da se sinhronizuje sa tačnim satom koji radi na PTPv2. Za sinhronizaciju koriste različite formate poruka.

Ali još uvijek je moguće kombinirati uređaje s PTPv1 i uređaje s PTPv2 na istoj mreži. Da biste to postigli, neki proizvođači vam dozvoljavaju da odaberete verziju protokola na portovima rubnog takta. To jest, granični sat može da se sinhronizuje korišćenjem PTPv2 i još uvek sinhronizuje druge satove povezane sa njim koristeći i PTPv1 i PTPv2.

PTP uređaji. Šta su i po čemu se razlikuju?

Standard IEEE 1588v2 opisuje nekoliko tipova uređaja. Svi su prikazani u tabeli.

Uređaji međusobno komuniciraju preko LAN-a koristeći PTP.

PTP uređaji se nazivaju satovi. Svi satovi uzimaju tačno vrijeme od velemajstorskog sata.

Postoji 5 vrsta satova:

Velemajstorski sat

Glavni izvor tačnog vremena. Često opremljen interfejsom za povezivanje GPS-a.

Običan sat

Uređaj sa jednim portom koji može biti master (glavni sat) ili slave (slave sat)

Glavni sat (majstor)

Oni su izvor tačnog vremena do kojeg se drugi satovi sinhronizuju

Slave sat

Krajnji uređaj koji je sinhronizovan sa glavnim satom

Boundary Clock

Uređaj s više portova koji može biti glavni ili slave.

To jest, ovi satovi mogu da se sinhronizuju sa superiornog glavnog sata i sinhronizuju inferiorne slave satove.

Transparentni sat od kraja do kraja

Uređaj s više portova koji nije ni glavni sat ni slave. On prenosi PTP podatke između dva sata.

Prilikom prijenosa podataka, prozirni sat ispravlja sve PTP poruke.

Do korekcije dolazi dodavanjem vremena kašnjenja na ovom uređaju u polje za korekciju u zaglavlju poslane poruke.

Peer-to-Peer transparentni sat

Uređaj s više portova koji nije ni glavni sat ni slave.
On prenosi PTP podatke između dva sata.

Prilikom prijenosa podataka, transparentni sat ispravlja sve PTP poruke Sync i Follow_Up (više o njima u nastavku).

Korekcija se postiže dodavanjem u polje korekcije poslanog paketa kašnjenja na uređaju za prenos i kašnjenja na kanalu za prenos podataka.

Upravljački čvor

Uređaj koji konfigurira i dijagnosticira druge satove

Glavni i podređeni satovi su sinhronizovani pomoću vremenskih oznaka u PTP porukama. Postoje dvije vrste poruka u PTP protokolu:

• Poruke događaja su sinhronizovane poruke koje uključuju generisanje vremenske oznake u trenutku kada je poruka poslana iu trenutku kada je primljena.
• Općenite poruke – ove poruke ne zahtijevaju vremenske oznake, ali mogu sadržavati vremenske oznake za povezane poruke

Poruke događaja

Opće poruke

Sync
Delay_Req
Pdelay_Req
Pdelay_Resp

Najaviti
Follow_Up
Delay_Resp
Pdelay_Resp_Follow_Up
upravljanje
Signalizacija

Sve vrste poruka će biti detaljnije razmotrene u nastavku.

Osnovni problemi sinhronizacije

Kada se sinhronizacioni paket prenosi preko lokalne mreže, on se odlaže na komutatoru i u podatkovnoj vezi. Svaki prekidač će proizvesti kašnjenje od oko 10 mikrosekundi, što je neprihvatljivo za PTPv2. Na kraju krajeva, trebamo postići tačnost od 1 μs na konačnom uređaju. (Ovo je ako govorimo o energiji. Druge aplikacije mogu zahtijevati veću preciznost.)

IEEE 1588v2 opisuje nekoliko operativnih algoritama koji vam omogućavaju da snimite vremensko kašnjenje i ispravite ga.

Algoritam rada
Tokom normalnog rada, protokol radi u dvije faze.

• Faza 1 - uspostavljanje hijerarhije “Master Clock – Slave Clock”.
• Faza 2 - sinhronizacija sata koristeći end-to-end ili peer-to-peer mehanizam.

Faza 1 - Uspostavljanje hijerarhije master-slave

Svaki port redovnog ili rubnog sata ima određeni broj stanja (slave sat i glavni sat). Standard opisuje algoritam tranzicije između ovih stanja. U programiranju se takav algoritam naziva konačan državni stroj ili državni stroj (više detalja na Wiki).

Ovaj državni stroj koristi algoritam najboljeg glavnog sata (BMCA) za postavljanje glavnog sata kada povezuje dva sata.

Ovaj algoritam omogućava satu da preuzme odgovornosti velemajstorskog sata kada gornji velemajstorski sat izgubi GPS signal, ode van mreže, itd.

Tranzicije stanja prema BMCA su sažete u sljedećem dijagramu:


Informacije o satu na drugom kraju "žice" šalju se u posebnoj poruci (Najavna poruka). Kada se primi ova informacija, pokreće se algoritam državnog stroja i pravi se poređenje da se vidi koji je sat bolji. Port na najboljem satu postaje glavni sat.

Jednostavna hijerarhija prikazana je na dijagramu ispod. Putanja 1, 2, 3, 4, 5 mogu sadržati Transparentni sat, ali ne učestvuju u uspostavljanju hijerarhije glavnog sata - podređenog sata.

Faza 2 - Sinhronizacija regularnih i rubnih taktova

Odmah nakon uspostavljanja hijerarhije „Master Clock – Slave Clock“, počinje faza sinhronizacije regularnih i graničnih satova.

Za sinhronizaciju, glavni sat šalje poruku koja sadrži vremensku oznaku podređenim satovima.

Glavni sat može biti:

• jednostepeni;
• dvostepeni.

Jednostepeni satovi šalju jednu poruku za sinhronizaciju za sinhronizaciju.

Dvostepeni sat koristi dvije poruke za sinhronizaciju - Sync i Follow_Up.

Za fazu sinhronizacije mogu se koristiti dva mehanizma:

• Mehanizam odgode zahtjev-odgovor.
• Mehanizam mjerenja kašnjenja među kolegama.

Prvo, pogledajmo ove mehanizme u najjednostavnijem slučaju - kada se ne koriste transparentni satovi.

Mehanizam odgode zahtjev-odgovor

Mehanizam uključuje dva koraka:

1. Mjerenje kašnjenja u prijenosu poruke između glavnog sata i podređenog sata. Izvedeno korištenjem mehanizma zahtjev-odgovor odgode.
2. Izvodi se korekcija tačnog vremenskog pomaka.

Mjerenje latencije


t1 – Vrijeme slanja poruke o sinhronizaciji od strane glavnog sata; t2 – Vrijeme prijema poruke o sinhronizaciji od strane podređenog sata; t3 – Vrijeme slanja zahtjeva za odgodom (Delay_Req) ​​od strane slave sata; t4 – Vrijeme prijema Delay_Req od strane glavnog sata.

Kada podređeni sat zna vremena t1, t2, t3 i t4, može izračunati prosječno kašnjenje prilikom slanja poruke o sinhronizaciji (tmpd). Računa se na sljedeći način:

Prilikom slanja poruke Sync and Follow_Up, vremensko kašnjenje od glavnog do podređenog računa se - t-ms.

Kada se prenose poruke Delay_Req i Delay_Resp, računa se vremensko kašnjenje od slave-a do mastera - t-sm.

Ako dođe do neke asimetrije između ove dvije vrijednosti, onda se pojavljuje greška u ispravljanju odstupanja tačnog vremena. Greška je uzrokovana činjenicom da je izračunato kašnjenje prosjek kašnjenja t-ms i t-sm. Ako kašnjenja nisu jednaka jedno drugom, tada nećemo tačno podesiti vrijeme.

Korekcija vremenskog pomaka

Jednom kada je poznato kašnjenje između glavnog sata i podređenog sata, podređeni sat vrši korekciju vremena.

Slave satovi koriste Sync poruku i opcionu Follow_Up poruku za izračunavanje tačnog vremenskog pomaka prilikom prenosa paketa sa glavnog na podređene satove. Pomak se izračunava pomoću sljedeće formule:

Mehanizam mjerenja kašnjenja među kolegama

Ovaj mehanizam također koristi dva koraka za sinhronizaciju:

1. Uređaji mjere vremensko kašnjenje svim susjedima kroz sve portove. Da bi to uradili, koriste mehanizam za kašnjenje među kolegama.
2. Ispravka tačnog vremenskog pomaka.

Mjerenje kašnjenja između uređaja koji podržavaju Peer-to-Peer način rada

Latencija između portova koji podržavaju peer-to-peer mehanizam se mjeri pomoću sljedećih poruka:

Kada port 1 zna vremena t1, t2, t3 i t4, može izračunati prosječno kašnjenje (tmld). Izračunava se pomoću sljedeće formule:

Port zatim koristi ovu vrijednost kada izračunava polje za prilagođavanje za svaku Sync poruku ili opcionalnu Follow_Up poruku koja prolazi kroz uređaj.

Ukupno kašnjenje će biti jednako zbiru kašnjenja tokom prenosa kroz ovaj uređaj, prosečnog kašnjenja tokom prenosa kroz kanal podataka i kašnjenja koje je već sadržano u ovoj poruci, omogućeno na upstream uređajima.

Poruke Pdelay_Req, Pdelay_Resp i opciono Pdelay_Resp_Follow_Up omogućavaju vam da dobijete kašnjenje od mastera do slave i od slave do mastera (kružno).

Svaka asimetrija između ove dvije vrijednosti dovest će do greške korekcije vremenskog pomaka.

Podešavanje tačnog vremenskog pomaka

Slave satovi koriste Sync poruku i opcionu Follow_Up poruku za izračunavanje tačnog vremenskog odstupanja prilikom prenosa paketa sa glavnog na podređene satove. Pomak se izračunava pomoću sljedeće formule:

Prednosti podešavanja peer-to-peer mehanizma - vremensko kašnjenje svake Sync ili Follow_Up poruke se izračunava kako se prenosi u mreži. Shodno tome, promjena putanje prijenosa ni na koji način neće utjecati na točnost podešavanja.

Kada se koristi ovaj mehanizam, vremenska sinhronizacija ne zahteva izračunavanje vremenskog kašnjenja duž putanje koju prelazi sinhronizacioni paket, kao što se radi u osnovnoj razmeni. One. Poruke Delay_Req i Delay_Resp se ne šalju. U ovoj metodi, kašnjenje između glavnog i podređenog sata jednostavno se zbraja u polju za podešavanje svake poruke Sync ili Follow_Up.

Još jedna prednost je što je glavni sat oslobođen potrebe za obradom poruka Delay_Req.

Načini rada transparentnih satova

Prema tome, ovo su bili jednostavni primjeri. Pretpostavimo sada da se prekidači pojavljuju na putu sinhronizacije.

Ako koristite prekidače bez PTPv2 podrške, sinhronizacijski paket će biti odgođen na komutatoru za približno 10 µs.

Prekidači koji podržavaju PTPv2 nazivaju se Transparent clocks u terminologiji IEEE 1588v2. Transparentni satovi se ne sinhronizuju sa glavnim satom i ne učestvuju u hijerarhiji “Glavni sat - Slave sat”, ali prilikom prenosa sinhronizacionih poruka pamte koliko dugo je poruka odložena od njih. Ovo vam omogućava da podesite vremensko kašnjenje.

Transparentni satovi mogu raditi na dva načina:

• End-to-End.
• Peer to peer.

S kraja na kraj (E2E)

E2E transparentni sat emituje poruke sinhronizacije i prateće poruke Follow_Up na svim portovima. Čak i one koje blokiraju bilo koji protokoli (na primjer, RSTP).

Prekidač pamti vremensku oznaku kada je Sync paket (Follow_Up) primljen na portu i kada je poslan sa porta. Na osnovu ove dvije vremenske oznake izračunava se vrijeme koje je potrebno komutatoru da obradi poruku. U standardu se ovo vrijeme naziva vrijeme boravka.

Vrijeme obrade se dodaje u polje correctionField poruke Sync (sat u jednom koraku) ili Follow_Up (sat u dva koraka).

E2E transparentni sat mjeri vrijeme obrade za Sync i Delay_Req poruke koje prolaze kroz prekidač. Ali važno je razumjeti da se vremensko kašnjenje između glavnog sata i podređenog sata izračunava korištenjem mehanizma zahtjev-odgovor kašnjenja. Ako se promijeni glavni sat ili se promijeni put od glavnog sata do podređenog sata, kašnjenje se ponovo mjeri. Ovo povećava vrijeme prijelaza u slučaju promjena mreže.

P2P transparentni sat, pored mjerenja vremena koje je potrebno komutatoru da obradi poruku, mjeri kašnjenje podatkovne veze do najbližeg susjeda koristeći mehanizam kašnjenja susjeda.

Latencija se mjeri na svakom linku u oba smjera, uključujući veze koje su blokirane nekim protokolom (kao što je RSTP). Ovo vam omogućava da odmah izračunate novo kašnjenje u putanji sinhronizacije ako se promijeni glavni sat ili topologija mreže.

Vrijeme obrade poruka prema prekidačima i kašnjenje se akumuliraju prilikom slanja Sync ili Follow_Up poruka.

Tipovi PTPv2 podrške preko prekidača

Prekidači mogu podržavati PTPv2:

• programski;
• hardver.

Prilikom implementacije PTPv2 protokola u softver, prekidač traži vremensku oznaku od firmvera. Problem je u tome što firmver radi ciklično i moraćete da sačekate da završi trenutni ciklus, uzme zahtev za obradu i izda vremensku oznaku nakon sledećeg ciklusa. Ovo će takođe potrajati, a dobićemo i kašnjenje, iako ne toliko značajno kao bez softverske podrške za PTPv2.

Samo hardverska podrška za PTPv2 vam omogućava da održite potrebnu tačnost. U ovom slučaju, vremenski žig izdaje poseban ASIC, koji je instaliran na portu.

Format poruke

Sve PTP poruke sastoje se od sljedećih polja:

• Zaglavlje – 34 bajta.
• Tijelo – veličina ovisi o vrsti poruke.
• Sufiks je opcioni.

Header

Polje zaglavlja je isto za sve PTP poruke. Njegova veličina je 34 bajta.

Format polja zaglavlja:

messageType – sadrži vrstu poruke koja se prenosi, na primjer Sync, Delay_Req, PDelay_Req, itd.

messageLength – sadrži punu veličinu PTP poruke, uključujući zaglavlje, tijelo i sufiks (ali isključujući dopunske bajtove).

domainNumber – određuje kojoj PTP domeni poruka pripada.

Ime domena - ovo je nekoliko različitih taktova prikupljenih u jednoj logičkoj grupi i sinhronizovanih sa jednog glavnog sata, ali ne nužno sinhronizovanih sa satovima koji pripadaju drugom domenu.

zastave – Ovo polje sadrži različite oznake za identifikaciju statusa poruke.

correctionField – sadrži vrijeme kašnjenja u nanosekundama. Vrijeme kašnjenja uključuje kašnjenje pri prijenosu kroz transparentni sat, kao i kašnjenje pri prijenosu kroz kanal kada se koristi Peer-to-Peer mod.

sourcePortIdentity – ovo polje sadrži informacije o tome sa kojeg porta je ova poruka prvobitno poslana.

ID sekvence – sadrži identifikacioni broj za pojedinačne poruke.

controlField – polje artefakta =) Ostalo je od prve verzije standarda i sadrži informacije o vrsti ove poruke. U suštini isto kao i messageType, ali sa manje opcija.

logMessageInterval – ovo polje je određeno tipom poruke.

tijelo

Kao što je gore objašnjeno, postoji nekoliko vrsta poruka. Ove vrste su opisane u nastavku:

Poruka najave
Poruka Announce se koristi da "saopšti" drugim satovima unutar istog domena o svojim parametrima. Ova poruka vam omogućava da postavite hijerarhiju Master Clock - Slave Clock.


Sinhronizuj poruku
Poruku o sinhronizaciji šalje glavni sat i sadrži vreme glavnog sata u vreme kada je poruka o sinhronizaciji generisana. Ako je glavni sat dvostepeni, tada će vremenska oznaka u poruci Sync biti postavljena na 0, a trenutna vremenska oznaka će biti poslata u pridruženoj poruci Follow_Up. Poruka Sync se koristi za oba mehanizma mjerenja kašnjenja.

Poruka se prenosi koristeći Multicast. Opciono možete koristiti Unicast.

Delay_Req poruka

Format poruke Delay_Req je identičan poruci Sync. Slave sat šalje Delay_Req. Sadrži vrijeme koje je Delay_Req poslao podređeni sat. Ova poruka se koristi samo za mehanizam odgode zahtjev-odgovor.

Poruka se prenosi koristeći Multicast. Opciono možete koristiti Unicast.

Follow_Up poruka

Poruku Follow_Up opciono šalje glavni sat i sadrži vrijeme slanja Sinhronizujte poruke majstor. Samo dvostepeni glavni satovi šalju poruku Follow_Up.

Poruka Follow_Up se koristi za oba mehanizma mjerenja kašnjenja.

Poruka se prenosi koristeći Multicast. Opciono možete koristiti Unicast.

Delay_Resp poruka

Poruku Delay_Resp šalje glavni sat. Sadrži vrijeme kada je glavni sat primio Delay_Req. Ova poruka se koristi samo za mehanizam odgode zahtjev-odgovor.

Poruka se prenosi koristeći Multicast. Opciono možete koristiti Unicast.

Pdelay_Req poruka

Poruku Pdelay_Req šalje uređaj koji traži odgodu. Sadrži vrijeme kada je poruka poslana sa porta ovog uređaja. Pdelay_Req se koristi samo za mehanizam mjerenja kašnjenja susjeda.

Pdelay_Resp poruka

Poruku Pdelay_Resp šalje uređaj koji je primio zahtjev za odlaganje. Sadrži vrijeme kada je ovaj uređaj primio poruku Pdelay_Req. Poruka Pdelay_Resp se koristi samo za mehanizam mjerenja kašnjenja susjeda.

Poruka Pdelay_Resp_Follow_Up

Poruku Pdelay_Resp_Follow_Up opciono šalje uređaj koji je primio zahtjev za odlaganje. Sadrži vrijeme kada je ovaj uređaj primio poruku Pdelay_Req. Poruka Pdelay_Resp_Follow_Up se šalje samo od strane dvostepenih master taktova.

Ova poruka se također može koristiti za vrijeme izvršenja umjesto vremenske oznake. Vrijeme izvršenja je vrijeme od trenutka kada je Pdelay-Req primljen do slanja Pdelay_Resp.

Pdelay_Resp_Follow_Up se koriste samo za mehanizam mjerenja kašnjenja susjeda.

Management Messages

PTP kontrolne poruke su potrebne za prijenos informacija između jednog ili više satova i kontrolnog čvora.

Transfer do LV

PTP poruka se može prenijeti na dva nivoa:

• Mreža – kao dio IP podataka.
• Kanal – kao dio Ethernet okvira.

Prijenos PTP poruke preko UDP-a preko IP-a preko Etherneta

PTP preko UDP-a preko Etherneta

Profili

PTP ima dosta fleksibilnih parametara koje je potrebno konfigurirati. Na primjer:

• BMCA opcije.
• Mehanizam mjerenja latencije.
• Intervali i početne vrijednosti svih konfigurabilnih parametara, itd.

I uprkos činjenici da smo ranije rekli da su PTPv2 uređaji međusobno kompatibilni, to nije tačno. Uređaji moraju imati iste postavke da bi mogli komunicirati.

Zato postoje takozvani PTPv2 profili. Profili su grupe konfiguriranih postavki i definiranih ograničenja protokola tako da se vremenska sinhronizacija može implementirati za određenu aplikaciju.

Sam standard IEEE 1588v2 opisuje samo jedan profil – „Default Profile“. Sve ostale profile kreiraju i opisuju razne organizacije i udruženja.

Na primjer, Power Profile, ili PTPv2 Power Profile, kreirali su Komitet za relejivanje energetskih sistema i Komitet za podstanice IEEE Power and Energy Society. Sam profil se zove IEEE C37.238-2011.

Profil opisuje da se PTP može prenijeti:

• Samo preko L2 mreža (tj. Ethernet, HSR, PRP, non-IP).
• Poruke se prenose samo multicast emitiranjem.
• Kao mehanizam mjerenja kašnjenja koristi se mehanizam mjerenja kašnjenja.

Zadana domena je 0, preporučena domena je 93.

Filozofija dizajna C37.238-2011 bila je smanjenje broja opcionih karakteristika i zadržavanje samo neophodnih funkcija za pouzdanu interakciju između uređaja i povećanu stabilnost sistema.

Takođe, određuje se i učestalost prenosa poruke:

U stvari, samo jedan parametar je dostupan za odabir - tip glavnog sata (jednostepeni ili dvostepeni).

Preciznost ne bi trebala biti veća od 1 μs. Drugim riječima, jedna putanja sinhronizacije može sadržavati najviše 15 transparentnih taktova ili tri granična sata.

izvor: www.habr.com