Uvod
Koncept izgradnje “Digitalne trafostanice” u elektroprivredi zahtijeva sinkronizaciju s točnošću od 1 μs. Financijske transakcije također zahtijevaju mikrosekundnu točnost. U ovim aplikacijama NTP točnost vremena više nije dovoljna.
Protokol sinkronizacije PTPv2, opisan standardom IEEE 1588v2, omogućuje točnost sinkronizacije od nekoliko desetaka nanosekundi. PTPv2 vam omogućuje slanje paketa za sinkronizaciju preko L2 i L3 mreža.
Glavna područja u kojima se koristi PTPv2 su:
- energija;
- oprema za kontrolu i mjerenje;
- vojno-industrijski kompleks;
- telekom;
- financijski sektor.
Ovaj post objašnjava kako funkcionira PTPv2 protokol sinkronizacije.
Imamo više iskustva u industriji i često vidimo ovaj protokol u energetskim aplikacijama. Sukladno tome, recenziju ćemo raditi s oprezom .
Zašto je to potrebno?
Trenutačno STO 34.01-21-004-2019 PJSC Rosseti i STO 56947007-29.240.10.302-2020 PJSC FGC UES sadrže zahtjeve za organiziranje procesne sabirnice s vremenskom sinkronizacijom putem PTPv2.
To je zbog činjenice da su na procesnu sabirnicu spojeni terminali relejne zaštite i mjerni uređaji koji prenose trenutne vrijednosti struje i napona kroz procesnu sabirnicu, koristeći takozvane SV tokove (multicast stream).
Terminali relejne zaštite koriste ove vrijednosti za implementaciju zaštite polja. Ako je točnost mjerenja vremena mala, neke zaštite mogu pogrešno raditi.
Na primjer, obrane apsolutne selektivnosti mogu postati žrtve "slabe" vremenske sinkronizacije. Često se logika takve obrane temelji na usporedbi dviju veličina. Ako se vrijednosti razlikuju za dovoljno veliku vrijednost, tada se aktivira zaštita. Ako se ove vrijednosti mjere s vremenskom točnošću od 1 ms, tada možete dobiti veliku razliku gdje su vrijednosti zapravo normalne ako se mjere s točnošću od 1 μs.
PTP verzije
PTP protokol izvorno je opisan 2002. godine u standardu IEEE 1588-2002 i nazvan je "Standard za protokol za preciznu sinkronizaciju sata za umrežene mjerne i upravljačke sustave." Godine 2008. objavljen je ažurirani standard IEEE 1588-2008 koji opisuje PTP verziju 2. Ova verzija protokola poboljšala je točnost i stabilnost, ali nije zadržala kompatibilnost s prethodnim verzijama protokola. Također, 2019. objavljena je verzija standarda IEEE 1588-2019 koja opisuje PTP v2.1. Ova verzija dodaje manja poboljšanja PTPv2 i kompatibilna je s PTPv2.
Drugim riječima, imamo sljedeću sliku s verzijama:
PTPv1
(IEEE 1588-2002)
PTPv2
(IEEE 1588-2008)
PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)
PTPv1 (IEEE 1588-2002)
-
nedosljedan
nedosljedan
PTPv2 (IEEE 1588-2008)
nedosljedan
-
kompatibilan
PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)
nedosljedan
kompatibilan
-
Ali, kao i uvijek, postoje nijanse.
Nekompatibilnost između PTPv1 i PTPv2 znači da se uređaj s omogućenim PTPv1 neće moći sinkronizirati s točnim satom koji radi na PTPv2. Za sinkronizaciju koriste različite formate poruka.
No i dalje je moguće kombinirati uređaje s PTPv1 i uređaje s PTPv2 na istoj mreži. Kako bi to postigli, neki proizvođači dopuštaju odabir verzije protokola na priključcima rubnog sata. Odnosno, granični sat se može sinkronizirati pomoću PTPv2 i još uvijek sinkronizirati druge satove povezane s njim koristeći i PTPv1 i PTPv2.
PTP uređaji. Što su oni i po čemu se razlikuju?
Standard IEEE 1588v2 opisuje nekoliko vrsta uređaja. Svi su prikazani u tablici.
Uređaji međusobno komuniciraju preko LAN-a koristeći PTP.
PTP uređaji nazivaju se satovi. Svi satovi mjere točno vrijeme s velemajstorskog sata.
Postoji 5 vrsta satova:
Velemajstorski sat
Glavni izvor točnog vremena. Često opremljen sučeljem za povezivanje GPS-a.
Obični sat
Uređaj s jednim priključkom koji može biti glavni (glavni sat) ili podređeni (podređeni sat)
Glavni sat (glavni)
Oni su izvor točnog vremena po kojem se drugi satovi sinkroniziraju
Robovski sat
Krajnji uređaj koji se sinkronizira s glavnog sata
Sat granice
Uređaj s više priključaka koji može biti glavni ili podređeni.
To jest, ti se satovi mogu sinkronizirati s nadređenim glavnim satom i sinkronizirati niže podređene satove.
Transparentni sat od kraja do kraja
Uređaj s više priključaka koji nije ni glavni sat ni podređeni. Prenosi PTP podatke između dva sata.
Prilikom prijenosa podataka, transparentni sat ispravlja sve PTP poruke.
Ispravak se događa dodavanjem vremena odgode na ovom uređaju u polje za ispravak u zaglavlju poslane poruke.
Peer-to-Peer transparentni sat
Uređaj s više priključaka koji nije ni glavni sat ni podređeni.
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 tako da se u polje korekcije odaslanog paketa doda kašnjenje na uređaju za prijenos i kašnjenje na kanalu za prijenos podataka.
Upravljački čvor
Uređaj koji konfigurira i dijagnosticira druge satove
Glavni i podređeni satovi sinkroniziraju se pomoću vremenskih oznaka u PTP porukama. Postoje dvije vrste poruka u PTP protokolu:
- Poruke događaja su sinkronizirane poruke koje uključuju generiranje vremenske oznake u trenutku slanja poruke i 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
Podgoda_Zahtjev
Podgoda_Resp
najaviti
Follow_Up
Odgoda_odg
Podgoda_Resp_Follow_Up
Upravljanje
Signalizacija
O svim vrstama poruka bit će detaljnije riječi u nastavku.
Osnovni problemi sinkronizacije
Kada se sinkronizacijski paket prenosi preko lokalne mreže, on kasni na preklopniku i podatkovnoj vezi. Svaki prekidač će proizvesti kašnjenje od oko 10 mikrosekundi, što je neprihvatljivo za PTPv2. Uostalom, na konačnom uređaju trebamo postići točnost od 1 μs. (Ovo je ako govorimo o energiji. Druge primjene mogu zahtijevati veću točnost.)
IEEE 1588v2 opisuje nekoliko radnih algoritama koji vam omogućuju snimanje vremenskog kašnjenja i njegovo ispravljanje.
Algoritam rada
Tijekom normalnog rada, protokol radi u dvije faze.
- Faza 1 - uspostavljanje hijerarhije "Master Clock - Slave Clock".
- Faza 2 - sinkronizacija sata korištenjem End-to-End ili Peer-to-Peer mehanizma.
Faza 1 - Uspostavljanje hijerarhije gospodar-slave
Svaki priključak običnog ili rubnog sata ima određeni broj stanja (podređeni sat i glavni sat). Standard opisuje algoritam prijelaza između tih stanja. U programiranju se takav algoritam naziva konačni automat ili automat stanja (detaljnije u Wikiju).
Ovaj stroj stanja koristi algoritam najboljeg glavnog sata (BMCA) za postavljanje glavnog pri povezivanju dva sata.
Ovaj algoritam omogućuje satu da preuzme odgovornosti velemajstorskog sata kada uzvodni glavni sat izgubi GPS signal, isključi se iz mreže itd.
Prijelazi stanja prema BMCA sažeti su u sljedećem dijagramu:
Informacije o satu na drugom kraju “žice” šalju se u posebnoj poruci (Najavna poruka). Nakon što se ova informacija primi, pokreće se algoritam stroja stanja i vrši se usporedba da se vidi koji je sat bolji. Luka na najboljem satu postaje glavni sat.
Jednostavna hijerarhija prikazana je na donjem dijagramu. Staze 1, 2, 3, 4, 5 mogu sadržavati Transparentni sat, ali ne sudjeluju u uspostavljanju hijerarhije Glavni sat - Podređeni sat.
Faza 2 - Sinkronizirajte regularne i rubne satove
Odmah nakon uspostave hijerarhije “Master Clock – Slave Clock” započinje faza sinkronizacije regularnih i graničnih satova.
Za sinkronizaciju, glavni sat šalje poruku koja sadrži vremensku oznaku pomoćnim satovima.
Glavni sat može biti:
- jedna faza;
- dvostupanjski.
Jednostupanjski satovi šalju jednu Sync poruku za sinkronizaciju.
Dvostupanjski sat koristi dvije poruke za sinkronizaciju - Sync i Follow_Up.
Za fazu sinkronizacije mogu se koristiti dva mehanizma:
- Mehanizam za kašnjenje zahtjeva i odgovora.
- Mehanizam za mjerenje ravnopravnog kašnjenja.
Prvo, pogledajmo ove mehanizme u najjednostavnijem slučaju - kada se ne koriste prozirni satovi.
Mehanizam za kašnjenje zahtjeva i odgovora
Mehanizam uključuje dva koraka:
- Mjerenje kašnjenja u prijenosu poruke između glavnog sata i podređenog sata. Izvodi se pomoću mehanizma odgode zahtjev-odgovor.
- Izvodi se korekcija točnog vremenskog pomaka.
Mjerenje latencije
t1 – Vrijeme slanja Sync poruke od strane glavnog sata; t2 – Vrijeme prijema Sync poruke od pomoćnog sata; t3 – Vrijeme slanja zahtjeva za kašnjenjem (Delay_Req) od strane podređenog sata; t4 – Delay_Req vrijeme prijema od strane glavnog sata.
Kada podređeni sat zna vremena t1, t2, t3 i t4, može izračunati prosječno kašnjenje pri slanju sinkronizacijske poruke (tmpd). Izračunava se na sljedeći način:
Prilikom odašiljanja Sync and Follow_Up poruke izračunava se vremensko kašnjenje od mastera do slavea - t-ms.
Prilikom slanja poruka Delay_Req i Delay_Resp izračunava se vremensko kašnjenje od slave do mastera - t-sm.
Ako se pojavi neka asimetrija između ove dvije vrijednosti, pojavljuje se pogreška u ispravljanju odstupanja točnog vremena. Greška je uzrokovana činjenicom da je izračunato kašnjenje prosjek t-ms i t-sm kašnjenja. Ako kašnjenja nisu međusobno jednaka, tada nećemo točno prilagoditi vrijeme.
Korekcija vremenskog pomaka
Nakon što je poznato kašnjenje između glavnog i podređenog sata, podređeni sat vrši korekciju vremena.
Podređeni satovi koriste Sync poruku i izbornu Follow_Up poruku za izračunavanje točnog vremenskog pomaka prilikom prijenosa paketa s glavnog na podređene satove. Pomak se izračunava pomoću sljedeće formule:
Mehanizam za mjerenje ravnopravnog kašnjenja
Ovaj mehanizam također koristi dva koraka za sinkronizaciju:
- Uređaji mjere vremensko kašnjenje do svih susjeda kroz sve priključke. Da bi to učinili, koriste mehanizam ravnopravnog kašnjenja.
- Korekcija točnog vremenskog pomaka.
Mjerenje latencije između uređaja koji podržavaju način rada Peer-to-Peer
Latencija između priključaka koji podržavaju mehanizam peer-to-peer mjeri se pomoću sljedećih poruka:
Kada priključak 1 zna vremena t1, t2, t3 i t4, može izračunati prosječno kašnjenje (tmld). Izračunava se pomoću sljedeće formule:
Priključak zatim koristi ovu vrijednost kada izračunava polje prilagodbe za svaku Sync poruku ili izbornu Follow_Up poruku koja prolazi kroz uređaj.
Ukupno kašnjenje bit će jednako zbroju kašnjenja tijekom prijenosa kroz ovaj uređaj, prosječnog kašnjenja tijekom prijenosa kroz podatkovni kanal i kašnjenja koje je već sadržano u ovoj poruci, omogućenoj na uzvodnim uređajima.
Poruke Pdelay_Req, Pdelay_Resp i izborni Pdelay_Resp_Follow_Up omogućuju vam da dobijete kašnjenje od nadređenog do podređenog i od podređenog do nadređenog (kružno).
Svaka asimetrija između ove dvije vrijednosti uvest će pogrešku korekcije vremenskog pomaka.
Podešavanje točnog vremenskog pomaka
Podređeni satovi koriste sinkroniziranu poruku i izbornu Follow_Up poruku za izračunavanje točnog vremenskog pomaka prilikom prijenosa paketa s glavnog na podređene satove. Pomak se izračunava pomoću sljedeće formule:
Prednosti prilagodbe peer-to-peer mehanizma - vremenska odgoda svake Sync ili Follow_Up poruke izračunava se kako se prenosi u mreži. Posljedično, promjena puta prijenosa neće ni na koji način utjecati na točnost podešavanja.
Kod korištenja ovog mehanizma, vremenska sinkronizacija ne zahtijeva izračunavanje vremenskog kašnjenja duž putanje koju prolazi sinkronizacijski paket, kao što se to radi u osnovnoj razmjeni. Oni. 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 Sync ili Follow_Up poruke.
Još jedna prednost je da je glavni sat oslobođen potrebe za obradom Delay_Req poruka.
Načini rada prozirnih satova
Prema tome, ovo su bili jednostavni primjeri. Sada pretpostavimo da se prekidači pojavljuju na putu sinkronizacije.
Ako koristite preklopnike bez PTPv2 podrške, sinkronizacijski paket će biti odgođen na preklopniku približno 10 μs.
Prekidači koji podržavaju PTPv2 nazivaju se transparentni satovi u terminologiji IEEE 1588v2. Transparentni satovi se ne sinkroniziraju s glavnog sata i ne sudjeluju u hijerarhiji “Master Clock - Slave Clock”, ali prilikom odašiljanja sinkronizacijskih poruka pamte koliko su dugo poruku odgodili. To vam omogućuje podešavanje vremenske odgode.
Transparentni satovi mogu raditi u dva načina:
- Od kraja do kraja.
- Vršnjak s vršnjakom.
End-to-end (E2E)
E2E transparentni sat emitira Sync poruke i prateće Follow_Up poruke na svim priključcima. Čak i oni koji su blokirani nekim protokolima (na primjer, RSTP).
Prekidač pamti vremensku oznaku kada je Sync paket (Follow_Up) primljen na port i kada je poslan s porta. Na temelju ove dvije vremenske oznake izračunava se vrijeme potrebno preklopniku da obradi poruku. U standardu se to vrijeme naziva vrijeme boravka.
Vrijeme obrade dodaje se u polje correctionField poruke Sync (sat s jednim korakom) ili Follow_Up (sat s dva koraka).
E2E transparentni sat mjeri vrijeme obrade za Sync i Delay_Req poruke koje prolaze kroz preklopnik. Ali važno je razumjeti da se vremensko kašnjenje između glavnog sata i pomoćnog sata izračunava korištenjem mehanizma zahtjev-odgovor za kašnjenje. Ako se glavni sat promijeni ili se promijeni put od glavnog do podređenog sata, kašnjenje se ponovno mjeri. Ovo povećava vrijeme prijelaza u slučaju mrežnih promjena.
P2P transparentni sat, osim mjerenja vremena potrebnog preklopniku za obradu poruke, mjeri kašnjenje na podatkovnoj vezi do najbližeg susjeda pomoću mehanizma latencije susjeda.
Latencija se mjeri na svakoj vezi u oba smjera, uključujući veze koje su blokirane nekim protokolom (kao što je RSTP). To vam omogućuje da odmah izračunate novo kašnjenje u putu sinkronizacije ako se glavni sat ili topologija mreže promijeni.
Vrijeme obrade poruke pomoću prekidača i latencija akumuliraju se prilikom slanja Sync ili Follow_Up poruka.
Vrste PTPv2 podrške prekidačima
Prekidači mogu podržavati PTPv2:
- programski;
- hardver.
Prilikom implementacije PTPv2 protokola u softver, preklopnik zahtijeva vremensku oznaku od firmvera. Problem je što firmware radi ciklički i morat ćete pričekati dok ne završi trenutni ciklus, uzme zahtjev za obradu i izda vremensku oznaku nakon sljedećeg ciklusa. To će također potrajati i dobit ćemo kašnjenje, iako ne toliko značajno kao bez softverske podrške za PTPv2.
Samo hardverska podrška za PTPv2 omogućuje vam održavanje potrebne točnosti. U ovom slučaju, vremensku oznaku izdaje poseban ASIC instaliran na portu.
Format poruke
Sve PTP poruke sastoje se od sljedećih polja:
- Zaglavlje – 34 bajta.
- Tijelo – veličina ovisi o vrsti poruke.
- Sufiks nije obavezan.
Kombajn
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 bajtove za punjenje).
broj domene – određuje kojoj PTP domeni poruka pripada.
Naziv domene - to je nekoliko različitih satova sakupljenih u jednu logičku grupu i sinkroniziranih s jednog glavnog sata, ali ne nužno i sinkroniziranih sa satovima koji pripadaju drugoj domeni.
zastave – Ovo polje sadrži različite oznake za identifikaciju statusa poruke.
correctionField – sadrži vrijeme kašnjenja u nanosekundama. Vrijeme odgode uključuje odgodu pri odašiljanju kroz transparentni sat, kao i odgodu pri odašiljanju kroz kanal pri korištenju Peer-to-Peer moda.
sourcePortIdentity – ovo polje sadrži informacije o tome s kojeg je porta ova poruka izvorno poslana.
ID sekvence – sadrži identifikacijski broj za pojedine poruke.
kontrolnoPolje – polje artefakta =) Ostalo je od prve verzije standarda i sadrži informacije o vrsti ove poruke. U osnovi isto kao messageType, ali s manje opcija.
logMessageInterval – ovo polje je određeno tipom poruke.
Tijelo
Kao što je gore navedeno, postoji nekoliko vrsta poruka. Ove vrste su opisane u nastavku:
Najavna poruka
Poruka Najava koristi se za "priopćavanje" drugim satovima unutar iste domene o njegovim parametrima. Ova poruka vam omogućuje da postavite hijerarhiju Master Clock - Slave Clock.
Sinkronizirajte poruku
Poruku sinkronizacije šalje glavni sat i sadrži vrijeme glavnog sata u trenutku generiranja poruke sinkronizacije. Ako je glavni sat dvostupanjski, tada će vremenska oznaka u poruci Sinkronizacija biti postavljena na 0, a trenutna vremenska oznaka bit će poslana u pridruženoj poruci Follow_Up. Sinkronizirana poruka koristi se za oba mehanizma mjerenja latencije.
Poruka se prenosi korištenjem Multicast-a. Po želji možete koristiti Unicast.
Delay_Req poruka
Format poruke Delay_Req identičan je poruci Sync. Podređeni sat šalje Delay_Req. Sadrži vrijeme koje je Delay_Req poslao pomoćni sat. Ova se poruka koristi samo za mehanizam odgode zahtjeva-odgovora.
Poruka se prenosi korištenjem Multicast-a. Po želji možete koristiti Unicast.
Follow_Up poruka
Poruku Follow_Up opcionalno šalje glavni sat i sadrži vrijeme slanja Sinkronizacija poruka ovladati; majstorski. Samo dvostupanjski glavni satovi šalju Follow_Up poruku.
Poruka Follow_Up koristi se za oba mehanizma mjerenja latencije.
Poruka se prenosi korištenjem Multicast-a. Po želji možete koristiti Unicast.
Delay_Resp poruka
Poruku Delay_Resp šalje glavni sat. Sadrži vrijeme kada je glavni sat primio Delay_Req. Ova se poruka koristi samo za mehanizam odgode zahtjeva-odgovora.
Poruka se prenosi korištenjem Multicast-a. Po želji možete koristiti Unicast.
Pdelay_Req poruka
Poruku Pdelay_Req šalje uređaj koji zahtijeva odgodu. Sadrži vrijeme kada je poruka poslana s priključka 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 odgodom. Sadrži vrijeme kada je ovaj uređaj primio poruku Pdelay_Req. Poruka Pdelay_Resp koristi se samo za mehanizam mjerenja kašnjenja susjeda.
Poruka Pdelay_Resp_Follow_Up
Poruku Pdelay_Resp_Follow_Up opcionalno šalje uređaj koji je primio zahtjev za odgodom. Sadrži vrijeme kada je ovaj uređaj primio poruku Pdelay_Req. Poruku Pdelay_Resp_Follow_Up šalju samo dvostupanjski glavni satovi.
Ova se poruka također može koristiti za vrijeme izvršenja umjesto vremenske oznake. Vrijeme izvršenja je vrijeme od trenutka kada je primljen Pdelay-Req do slanja Pdelay_Resp.
Pdelay_Resp_Follow_Up koriste se samo za mehanizam mjerenja kašnjenja susjeda.
Poruke upravljanja
PTP kontrolne poruke potrebne su za prijenos informacija između jednog ili više satova i kontrolnog čvora.
Transfer u LV
PTP poruka može se prenijeti na dvije razine:
- Mreža – kao dio IP podataka.
- Kanal – kao dio Ethernet okvira.
Prijenos PTP poruka preko UDP preko IP preko Etherneta
PTP preko UDP 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 unatoč činjenici da smo prethodno rekli da su PTPv2 uređaji međusobno kompatibilni, to nije točno. Uređaji moraju imati iste postavke kako bi mogli komunicirati.
Zato postoje takozvani PTPv2 profili. Profili su skupine konfiguriranih postavki i definiranih ograničenja protokola tako da se vremenska sinkronizacija može implementirati za određenu aplikaciju.
Sam standard IEEE 1588v2 opisuje samo jedan profil – “Default Profile”. Sve ostale profile kreiraju i opisuju razne organizacije i udruge.
Na primjer, Power Profile, ili PTPv2 Power Profile, kreirali su Power Systems Relaying Committee i Substation Committee IEEE Power and Energy Society. Sam profil se zove IEEE C37.238-2011.
Profil opisuje da se PTP može prenijeti:
- Samo putem L2 mreža (tj. Ethernet, HSR, PRP, non-IP).
- Poruke se prenose samo Multicast emitiranjem.
- Kao mehanizam za mjerenje kašnjenja koristi se mehanizam za mjerenje ravnopravnog kašnjenja.
Zadana domena je 0, preporučena domena je 93.
Filozofija dizajna C37.238-2011 bila je smanjiti broj opcijskih značajki i zadržati samo potrebne funkcije za pouzdanu interakciju između uređaja i povećanu stabilnost sustava.
Također se određuje učestalost prijenosa poruka:
Zapravo, samo je jedan parametar dostupan za odabir - tip glavnog sata (jednostupanjski ili dvostupanjski).
Točnost ne smije biti veća od 1 μs. Drugim riječima, jedan sinkronizacijski put može sadržavati najviše 15 transparentnih satova ili tri granična satova.
Izvor: www.habr.com