Детали за имплементација на протоколот за синхронизација на време PTPv2

Вовед

Концептот за изградба на „Дигитална трафостаница“ во електроенергетската индустрија бара синхронизација со точност од 1 μs. Финансиските трансакции бараат и микросекунда точност. Во овие апликации, NTP точноста на времето веќе не е доволна.

Протоколот за синхронизација PTPv2, опишан со стандардот IEEE 1588v2, овозможува точност на синхронизација од неколку десетици наносекунди. PTPv2 ви овозможува да испраќате пакети за синхронизација преку мрежите L2 и L3.

Главните области каде што се користи PTPv2 се:

• енергија;
• опрема за контрола и мерење;
• воено-индустриски комплекс;
• телеком;
• финансискиот сектор.

Овој пост објаснува како функционира протоколот за синхронизација PTPv2.

Имаме повеќе искуство во индустријата и често го гледаме овој протокол во енергетските апликации. Според тоа, ние ќе го направиме прегледот со претпазливост за енергија.

Зошто е тоа потребно?

Во моментов, STO 34.01-21-004-2019 на PJSC Rosseti и STO 56947007-29.240.10.302-2020 на PJSC FGC UES содржат барања за организирање процесна магистрала со временска синхронизација преку PTPv2.

Ова се должи на фактот дека релејните заштитни терминали и мерните уреди се поврзани со процесната магистрала, кои пренесуваат моментални вредности на струјата и напонот преку процесната шина, користејќи таканаречени SV струи (multicast струи).

Релејните заштитни терминали ги користат овие вредности за имплементација на заштита од залив. Ако точноста на мерењата на времето е мала, тогаш некои заштити може да работат лажно.

На пример, одбраната на апсолутна селективност може да стане жртва на „слаба“ синхронизација на времето. Често логиката на таквите одбрани се заснова на споредба на две количини. Ако вредностите се разликуваат за доволно голема вредност, тогаш се активира заштитата. Ако овие вредности се мерат со временска точност од 1 ms, тогаш може да се добие голема разлика каде што вредностите се всушност нормални ако се мерат со точност од 1 μs.

PTP верзии

Протоколот PTP првично беше опишан во 2002 година во стандардот IEEE 1588-2002 и беше наречен „Стандард за протокол за синхронизација на прецизен часовник за мрежни системи за мерење и контрола“. Во 2008 година, беше објавен ажурираниот стандард IEEE 1588-2008, кој ја опишува PTP верзијата 2. Оваа верзија на протоколот ја подобри точноста и стабилноста, но не одржуваше компатибилност наназад со првата верзија на протоколот. Исто така, во 2019 година беше објавена верзија на стандардот IEEE 1588-2019, опишувајќи го PTP v2.1. Оваа верзија додава мали подобрувања на PTPv2 и е наназад компатибилна со PTPv2.

Со други зборови, ја имаме следната слика со верзии:

PTPv1
(IEEE 1588-2002)

PTPv2
(IEEE 1588-2008)

PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)

PTPv1 (IEEE 1588-2002)

-
Некомпатибилен

Некомпатибилен

PTPv2 (IEEE 1588-2008)

Некомпатибилен

-
Компатибилен

PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)

Некомпатибилен

Компатибилен

-

Но, како и секогаш, има нијанси.

Некомпатибилноста помеѓу PTPv1 и PTPv2 значи дека уредот со овозможен PTPv1 нема да може да се синхронизира со точен часовник што работи на PTPv2. Тие користат различни формати на пораки за да се синхронизираат.

Но, сè уште е можно да се комбинираат уреди со PTPv1 и уреди со PTPv2 на истата мрежа. За да се постигне ова, некои производители ви дозволуваат да ја изберете верзијата на протоколот на портите на рабниот часовник. Односно, граничниот часовник може да се синхронизира со користење на PTPv2 и сепак да ги синхронизира другите часовници поврзани со него користејќи и PTPv1 и PTPv2.

PTP уреди. Кои се тие и како се разликуваат?

Стандардот IEEE 1588v2 опишува неколку типови уреди. Сите тие се прикажани во табелата.

Уредите комуницираат едни со други преку LAN со помош на PTP.

PTP уредите се нарекуваат часовници. Сите часовници го земаат точното време од велемајсторскиот часовник.

Постојат 5 типа на часовници:

Велемајсторски часовник

Главниот извор на точното време. Често опремен со интерфејс за поврзување GPS.

Обичен часовник

Уред со една порта што може да биде главен (главен часовник) или slave (slave clock)

Главен часовник (мајстор)

Тие се изворот на точното време во кое се синхронизираат другите часовници

Роб часовник

Заврши уред кој е синхронизиран од главниот часовник

Граничен часовник

Уред со повеќе порти што може да биде господар или роб.

Односно, овие часовници можат да се синхронизираат од супериорниот главен часовник и да ги синхронизираат инфериорните робови.

Транспарентен часовник од крај до крај

Уред со повеќе порти што не е ниту главен часовник ниту роб. Пренесува PTP податоци помеѓу два часовници.

При пренос на податоци, проѕирниот часовник ги коригира сите PTP пораки.

Корекцијата се случува со додавање на времето на одложување на овој уред во полето за корекција во заглавието на пренесената порака.

Транспарентен часовник „peer-to-peer“.

Уред со повеќе порти што не е ниту главен часовник ниту роб.
Пренесува PTP податоци помеѓу два часовници.

Кога се пренесуваат податоци, проѕирниот часовник ги коригира сите PTP пораки Sync и Follow_Up (повеќе за нив подолу).

Корекцијата се постигнува со додавање на полето за корекција на испратениот пакет доцнењето на уредот што предава и доцнењето на каналот за пренос на податоци.

Управувачки јазол

Уред што конфигурира и дијагностицира други часовници

Главните и slave часовниците се синхронизираат користејќи временски ознаки во PTP пораките. Постојат два типа на пораки во протоколот PTP:

• Пораките за настан се синхронизирани пораки кои вклучуваат генерирање на временски печат во моментот кога пораката се испраќа и во моментот кога е примена.
• Општи пораки - овие пораки не бараат временски печати, но може да содржат временски печати за поврзани пораки

Пораки за настанот

Општи пораки

Синхронизирате
Delay_Req
Pdelay_Req
Pdelay_Resp

Објави
Follow_Up
Delay_Resp
Pdelay_Resp_Follow_Up
управување со
Сигнализација

Сите видови на пораки ќе бидат разгледани подетално подолу.

Основни проблеми со синхронизацијата

Кога пакетот за синхронизација се пренесува преку локална мрежа, тој се одложува на прекинувачот и во врската за податоци. Секој прекинувач ќе произведе доцнење од околу 10 микросекунди, што е неприфатливо за PTPv2. На крајот на краиштата, треба да постигнеме точност од 1 μs на финалниот уред. (Ова е ако зборуваме за енергија. Другите апликации може да бараат поголема точност.)

IEEE 1588v2 опишува неколку оперативни алгоритми кои ви дозволуваат да го снимите временското доцнење и да го поправите.

Алгоритам на работа
При нормална работа, протоколот работи во две фази.

• Фаза 1 - воспоставување на хиерархија „Главен часовник – робски часовник“.
• Фаза 2 - синхронизација на часовникот со помош на механизам End-to-End или Peer-to-Peer.

Фаза 1 - Воспоставување на хиерархија господар-роб

Секоја порта на обичен или раб часовник има одреден број состојби (slave clock и master clock). Стандардот го опишува транзициониот алгоритам помеѓу овие состојби. Во програмирањето, таквиот алгоритам се нарекува машина за конечни состојби или машина за состојби (повеќе детали во Вики).

Оваа состојба машина го користи Алгоритам за најдобар главен часовник (BMCA) за да го постави главниот кога поврзува два часовници.

Овој алгоритам му овозможува на часовникот да ги преземе одговорностите на велемајсторскиот часовник кога велемајсторскиот часовник го губи GPS сигналот, оди офлајн итн.

Транзициите на состојбите според BMCA се сумирани на следниот дијаграм:


Информациите за часовникот на другиот крај на „жицата“ се испраќаат во посебна порака (Објави порака). Откако ќе се примат оваа информација, работи алгоритмот на државната машина и се прави споредба за да се види кој часовник е подобар. Портата на најдобриот часовник станува главен часовник.

Едноставна хиерархија е прикажана на дијаграмот подолу. Патеките 1, 2, 3, 4, 5 може да содржат Транспарентен часовник, но тие не учествуваат во воспоставувањето на хиерархијата на Главен часовник - робски часовник.

Фаза 2 - Синхронизирајте ги редовните и рабните часовници

Веднаш по воспоставувањето на хиерархијата „Master Clock – Slave Clock“, започнува фазата на синхронизација на редовните и граничните часовници.

За да се синхронизира, главниот часовник испраќа порака што содржи временска ознака до slave часовниците.

Главниот часовник може да биде:

• единечна фаза;
• двостепен.

Едностепените часовници испраќаат една порака за синхронизација за синхронизација.

Часовникот со две фази користи две пораки за синхронизација - Sync и Follow_Up.

За фазата на синхронизација може да се користат два механизми:

• Механизам за одложено барање-одговор.
• Механизам за мерење на доцнење од колеги.

Прво, да ги погледнеме овие механизми во наједноставниот случај - кога не се користат проѕирни часовници.

Механизам за одложено барање-одговор

Механизмот вклучува два чекори:

1. Мерење на доцнењето во преносот на порака помеѓу главниот часовник и slave часовникот. Се изведува со помош на механизам за одложено барање-одговор.
2. Се врши корекција на точното временско поместување.

Мерење на латентност


t1 – време на испраќање на пораката Sync од главниот часовник; t2 – Време на прием на пораката Sync од страна на slave часовникот; t3 – Време на испраќање на барањето за одложување (Delay_Req) ​​од страна на робниот часовник; t4 – Delay_Req време на прием од главниот часовник.

Кога робниот часовник ги знае времињата t1, t2, t3 и t4, може да го пресмета просечното доцнење при пренесување на пораката за синхронизација (tmpd). Се пресметува на следниов начин:

Кога се пренесува порака Sync and Follow_Up, се пресметува временското доцнење од господарот до slave - t-ms.

Кога се пренесуваат пораките Delay_Req и Delay_Resp, се пресметува временското доцнење од slave до master - t-sm.

Ако се појави одредена асиметрија помеѓу овие две вредности, тогаш се појавува грешка во корекција на отстапувањето на точното време. Грешката е предизвикана од фактот што пресметаното доцнење е просекот на одложувањата t-ms и t-sm. Ако доцнењата не се еднакви едно со друго, тогаш нема точно да го прилагодиме времето.

Корекција на временско поместување

Откако ќе се знае доцнењето помеѓу главниот часовник и slave часовникот, slave часовникот врши корекција на времето.

Службените часовници ја користат пораката Sync и опционална порака Follow_Up за да го пресметаат точното поместување на времето кога се пренесува пакет од главниот до slave часовниците. Смената се пресметува со следнава формула:

Механизам за мерење на доцнење од колеги

Овој механизам користи и два чекори за синхронизација:

1. Уредите го мерат временското доцнење до сите соседи преку сите пристаништа. За да го направат ова, тие користат механизам за одложување на врсниците.
2. Корекција на точното временско поместување.

Мерење на латентност помеѓу уредите што поддржуваат Peer-to-Peer режим

Латентноста помеѓу портите што го поддржуваат механизмот peer-to-peer се мери со помош на следните пораки:

Кога портата 1 ги знае времињата t1, t2, t3 и t4, може да го пресмета просечното доцнење (tmld). Се пресметува со следнава формула:

Потоа, портата ја користи оваа вредност кога го пресметува полето за прилагодување за секоја порака за синхронизација или опционална порака за следење што минува низ уредот.

Вкупното доцнење ќе биде еднакво на збирот на доцнењето за време на преносот преку овој уред, просечното доцнење за време на преносот преку податочниот канал и доцнењето што е веќе содржано во оваа порака, овозможено на уредите нагоре.

Пораките Pdelay_Req, Pdelay_Resp и опционалните Pdelay_Resp_Follow_Up ви дозволуваат да го добиете доцнењето од господар до роб и од роб до господар (кружно).

Секоја асиметрија помеѓу овие две вредности ќе воведе грешка во корекција на временско поместување.

Прилагодување на точното временско поместување

Службените часовници користат порака за синхронизација и опционална порака за следење за да го пресметаат точното поместување на времето кога се пренесува пакет од главниот до службениот часовник. Смената се пресметува со следнава формула:

Предности приспособување на механизмот peer-to-peer - временското доцнење на секоја порака Sync или Follow_Up се пресметува како што се пренесува во мрежата. Следствено, промената на патеката за пренос нема да влијае на никаков начин на точноста на прилагодувањето.

При користење на овој механизам, синхронизацијата на времето не бара пресметување на временското доцнење по патеката што ја минува синхронизацискиот пакет, како што се прави во основната размена. Оние. Пораките Delay_Req и Delay_Resp не се испраќаат. Во овој метод, доцнењето помеѓу главниот и slave часовникот едноставно се сумира во полето за прилагодување на секоја порака Sync или Follow_Up.

Друга предност е што главниот часовник е ослободен од потребата за обработка на пораките Delay_Req.

Работни режими на проѕирни часовници

Според тоа, ова беа едноставни примери. Сега да претпоставиме дека прекинувачите се појавуваат на патеката за синхронизација.

Ако користите прекинувачи без поддршка за PTPv2, пакетот за синхронизација ќе биде одложен на прекинувачот за приближно 10 μs.

Прекинувачите кои поддржуваат PTPv2 се нарекуваат Транспарентни часовници во терминологијата на IEEE 1588v2. Транспарентните часовници не се синхронизираат од главниот часовник и не учествуваат во хиерархијата „Главен часовник - робен часовник“, но кога пренесуваат пораки за синхронизација се сеќаваат колку време пораката била одложена од нив. Ова ви овозможува да го прилагодите временското доцнење.

Транспарентните часовници можат да работат во два режима:

• Од крај до крај.
• Peer to peer.

Од крај до крај (E2E)

Транспарентниот часовник E2E емитува пораки за Sync и придружните пораки за следење на сите порти. Дури и оние што се блокирани од некои протоколи (на пример, RSTP).

Прекинувачот се сеќава на временскиот печат кога пакетот Sync (Follow_Up) бил примен на пристаништето и кога бил испратен од пристаништето. Врз основа на овие два временски ознаки, се пресметува времето потребно за прекинувачот да ја обработи пораката. Во стандардот, ова време се нарекува време на престој.

Времето на обработка се додава во полето correctionField на пораката Sync (часовник во еден чекор) или Follow_Up (часовник во два чекора).

Транспарентниот часовник E2E го мери времето на обработка на пораките Sync и Delay_Req што минуваат низ прекинувачот. Но, важно е да се разбере дека временското доцнење помеѓу главниот часовник и службениот часовник се пресметува со помош на механизмот за одложено барање-одговор. Ако главниот часовник се промени или патеката од главниот часовник до slave се смени, доцнењето повторно се мери. Ова го зголемува времето на транзиција во случај на промени на мрежата.

Транспарентниот часовник P2P, покрај тоа што го мери времето потребно за прекинувачот да обработи порака, го мери доцнењето на врската со податоци до најблискиот сосед користејќи механизам за латентност на соседот.

Латентноста се мери на секоја врска во двете насоки, вклучувајќи ги и врските што се блокирани од некој протокол (како RSTP). Ова ви овозможува веднаш да го пресметате новото доцнење во патеката за синхронизација доколку се промени велемајсторскиот часовник или мрежната топологија.

Времето за обработка на пораките со прекинувачи и доцнењето се акумулираат кога се испраќаат пораки за Sync или Follow_Up.

Видови на PTPv2 поддршка со прекинувачи

Прекинувачите можат да поддржуваат PTPv2:

• програмски;
• хардвер.

При имплементирање на протоколот PTPv2 во софтверот, прекинувачот бара временски печат од фирмверот. Проблемот е што фирмверот работи циклично и ќе треба да почекате додека не го заврши тековниот циклус, го преземе барањето за обработка и издава временска ознака по следниот циклус. Ова исто така ќе потрае и ќе добиеме одложување, иако не толку значајно како без софтверска поддршка за PTPv2.

Само хардверската поддршка за PTPv2 ви овозможува да ја одржите потребната точност. Во овој случај, временскиот печат се издава од специјален ASIC, кој е инсталиран на пристаништето.

Формат на порака

Сите PTP пораки се состојат од следниве полиња:

• Заглавие - 34 бајти.
• Тело – големината зависи од видот на пораката.
• Наставката е изборна.

Насловот

Полето Header е исто за сите PTP пораки. Неговата големина е 34 бајти.

Формат на поле за заглавие:

Тип на порака – го содржи типот на пораката што се пренесува, на пример Sync, Delay_Req, PDelay_Req итн.

Должина на пораката – ја содржи целосната големина на пораката PTP, вклучувајќи заглавие, тело и суфикс (но со исклучок на бајтите за полнење).

Број на домен – одредува на кој PTP домен му припаѓа пораката.

Име на домен - ова се неколку различни часовници собрани во една логичка група и синхронизирани од еден главен часовник, но не мора да се синхронизираат со часовници кои припаѓаат на различен домен.

знамиња – Ова поле содржи различни знаменца за да се идентификува статусот на пораката.

корекција Поле – го содржи времето на доцнење во наносекунди. Времето на доцнење го вклучува доцнењето при емитување преку проѕирниот часовник, како и доцнењето при преносот преку каналот кога се користи режимот Peer-to-Peer.

sourcePortIdentity – ова поле содржи информации за тоа од која порта е првично испратена оваа порака.

секвенца ID – содржи идентификациски број за поединечни пораки.

контролно поле – поле за артефакт =) Останува од првата верзија на стандардот и содржи информации за типот на оваа порака. Во суштина исто како messageType, но со помалку опции.

logMessageInterval – ова поле се одредува според типот на пораката.

Тело

Како што беше дискутирано погоре, постојат неколку типови на пораки. Овие типови се опишани подолу:

Порака за најава
Пораката Најави се користи за да им „каже“ на другите часовници во истиот домен за неговите параметри. Оваа порака ви овозможува да поставите хиерархија на Главен часовник - Слав часовник.


Синхронизирај порака
Пораката за синхронизација се испраќа од главниот часовник и го содржи времето на главниот часовник во моментот кога е генерирана пораката за синхронизација. Ако главниот часовник е двостепен, тогаш временскиот печат во пораката „Синхронизација“ ќе биде поставен на 0, а тековниот временски печат ќе биде испратен во поврзаната порака за следење. Пораката Sync се користи за двата механизми за мерење на латентност.

Пораката се пренесува со користење на Multicast. Изборно, можете да користите Unicast.

Порака Delay_Req

Форматот на пораката Delay_Req е идентичен со пораката Sync. Службениот часовник испраќа Delay_Req. Го содржи времето кога Delay_Req е испратено од робниот часовник. Оваа порака се користи само за механизмот за одложено барање-одговор.

Пораката се пренесува со користење на Multicast. Изборно, можете да користите Unicast.

Порака Follow_Up

Пораката Follow_Up опционално се испраќа од главниот часовник и го содржи времето на испраќање Синхронизирајте ги пораките господар. Само мастер часовниците со две фази ја испраќаат пораката Follow_Up.

Пораката Follow_Up се користи за двата механизми за мерење на латентност.

Пораката се пренесува со користење на Multicast. Изборно, можете да користите Unicast.

Порака Delay_Resp

Пораката Delay_Resp ја испраќа главниот часовник. Го содржи времето кога Delay_Req го примил главниот часовник. Оваа порака се користи само за механизмот за одложено барање-одговор.

Пораката се пренесува со користење на Multicast. Изборно, можете да користите Unicast.

Порака Pdelay_Req

Пораката Pdelay_Req ја испраќа уред кој бара одложување. Го содржи времето кога е испратена пораката од пристаништето на овој уред. Pdelay_Req се користи само за механизмот за мерење на доцнење на соседот.

Порака Pdelay_Resp

Пораката Pdelay_Resp се испраќа од уред кој добил барање за одложување. Го содржи времето кога е примена пораката Pdelay_Req од овој уред. Пораката Pdelay_Resp се користи само за механизмот за мерење на доцнење на соседот.

Порака Pdelay_Resp_Follow_Up

Пораката Pdelay_Resp_Follow_Up опционално се испраќа од уредот што го примил барањето за одложување. Го содржи времето кога е примена пораката Pdelay_Req од овој уред. Пораката Pdelay_Resp_Follow_Up се испраќа само со двостепени мастер часовници.

Оваа порака може да се користи и за време на извршување наместо временски печат. Време на извршување е времето од моментот кога се прима Pdelay-Req до испраќањето на Pdelay_Resp.

Pdelay_Resp_Follow_Up се користат само за механизмот за мерење на доцнење на соседот.

Менаџмент пораки

Контролните пораки на PTP се потребни за пренос на информации помеѓу еден или повеќе часовници и контролниот јазол.

Трансфер до LV

PTP порака може да се пренесе на две нивоа:

• Мрежа – како дел од IP податоци.
• Канал – како дел од етернет рамка.

Пренос на PTP порака преку UDP преку IP преку етернет

PTP преку UDP преку етернет

профили

PTP има доста флексибилни параметри кои треба да се конфигурираат. На пример:

• Опции за BMCA.
• Механизам за мерење на латентност.
• Интервали и почетни вредности на сите параметри што може да се конфигурираат, итн.

И покрај фактот што претходно рековме дека уредите PTPv2 се компатибилни едни со други, тоа не е точно. Уредите мора да ги имаат истите поставки за да можат да комуницираат.

Затоа постојат таканаречените PTPv2 профили. Профилите се групи на конфигурирани поставки и дефинирани ограничувања на протоколот за да може да се спроведе временска синхронизација за одредена апликација.

Самиот стандард IEEE 1588v2 опишува само еден профил - „Стандарден профил“. Сите други профили се креирани и опишани од различни организации и здруженија.

На пример, Профилот за напојување, или PTPv2 Power Profile, беше креиран од Комитетот за пренесување на електроенергетските системи и Комитетот за трафостаници на IEEE Power and Energy Society. Самиот профил се нарекува IEEE C37.238-2011.

Профилот опишува дека PTP може да се пренесе:

• Само преку L2 мрежи (т.е. Ethernet, HSR, PRP, non-IP).
• Пораките се пренесуваат само преку Multicast емитување.
• Механизмот за мерење на доцнење се користи како механизам за мерење на доцнење.

Стандардниот домен е 0, препорачаниот домен е 93.

Дизајнерската филозофија на C37.238-2011 беше да се намали бројот на опционални функции и да се задржат само неопходните функции за сигурна интеракција помеѓу уредите и зголемена стабилност на системот.

Исто така, се одредува фреквенцијата на пренос на пораката:

Всушност, само еден параметар е достапен за избор - типот на главниот часовник (едностепен или двостепен).

Точноста не треба да биде поголема од 1 μs. Со други зборови, една патека за синхронизација може да содржи максимум 15 проѕирни часовници или три гранични часовници.

Извор: www.habr.com