Detalii de implementare a protocolului de sincronizare a timpului PTPv2

Introducere

Conceptul de construire a unei „substații digitale” în industria energiei electrice necesită sincronizare cu o precizie de 1 μs. Tranzacțiile financiare necesită, de asemenea, precizie de microsecunde. În aceste aplicații, precizia timpului NTP nu mai este suficientă.

Protocolul de sincronizare PTPv2, descris de standardul IEEE 1588v2, permite o precizie de sincronizare de câteva zeci de nanosecunde. PTPv2 vă permite să trimiteți pachete de sincronizare prin rețele L2 și L3.

Principalele domenii în care este utilizat PTPv2 sunt:

• energie;
• echipamente de control și măsurare;
• complex militar-industrial;
• telecomunicații;
• sector Financial.

Această postare explică cum funcționează protocolul de sincronizare PTPv2.

Avem mai multă experiență în industrie și vedem adesea acest protocol în aplicațiile energetice. În consecință, vom face revizuirea cu prudență pentru energie.

De ce este necesar?

În acest moment, STO 34.01-21-004-2019 al PJSC Rosseti și STO 56947007-29.240.10.302-2020 al PJSC FGC UES conțin cerințe pentru organizarea unui bus de proces cu sincronizare de timp prin PTPv2.

Acest lucru se datorează faptului că terminalele de protecție a releului și dispozitivele de măsurare sunt conectate la magistrala de proces, care transmit valori instantanee de curent și tensiune prin magistrala de proces, folosind așa-numitele fluxuri SV (fluxuri multicast).

Terminalele de protecție releului folosesc aceste valori pentru a implementa protecția locașului. Dacă precizia măsurătorilor de timp este mică, atunci unele protecții pot funcționa fals.

De exemplu, apărările selectivității absolute pot cădea victima unei sincronizări a timpului „slabe”. Adesea, logica unor astfel de apărări se bazează pe o comparație a două cantități. Dacă valorile diferă cu o valoare suficient de mare, atunci protecția este declanșată. Dacă aceste valori sunt măsurate cu o precizie de timp de 1 ms, atunci puteți obține o diferență mare în care valorile sunt de fapt normale dacă sunt măsurate cu o precizie de 1 μs.

versiuni PTP

Protocolul PTP a fost descris inițial în 2002 în standardul IEEE 1588-2002 și a fost numit „Standard pentru un protocol de sincronizare a ceasului de precizie pentru sistemele de măsurare și control în rețea”. În 2008, a fost lansat standardul actualizat IEEE 1588-2008, care descrie PTP Versiunea 2. Această versiune a protocolului a îmbunătățit acuratețea și stabilitatea, dar nu a menținut compatibilitatea cu prima versiune a protocolului. De asemenea, în 2019, a fost lansată o versiune a standardului IEEE 1588-2019, care descrie PTP v2.1. Această versiune adaugă îmbunătățiri minore la PTPv2 și este compatibilă cu PTPv2.

Cu alte cuvinte, avem următoarea imagine cu versiuni:

PTPv1
(IEEE 1588-2002)

PTPv2
(IEEE 1588-2008)

PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)

PTPv1 (IEEE 1588-2002)

-
nepotrivit

nepotrivit

PTPv2 (IEEE 1588-2008)

nepotrivit

-
compatibil

PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)

nepotrivit

compatibil

-

Dar, ca întotdeauna, există nuanțe.

Incompatibilitatea dintre PTPv1 și PTPv2 înseamnă că un dispozitiv compatibil PTPv1 nu se va putea sincroniza cu un ceas precis care rulează pe PTPv2. Ei folosesc diferite formate de mesaje pentru sincronizare.

Dar este încă posibil să combinați dispozitive cu PTPv1 și dispozitive cu PTPv2 în aceeași rețea. Pentru a realiza acest lucru, unii producători vă permit să selectați versiunea de protocol pe porturile de ceas de margine. Adică, un ceas de limită se poate sincroniza folosind PTPv2 și totuși să sincronizeze alte ceasuri conectate la el folosind atât PTPv1, cât și PTPv2.

Dispozitivele PTP. Ce sunt ele și prin ce diferă?

Standardul IEEE 1588v2 descrie mai multe tipuri de dispozitive. Toate sunt prezentate în tabel.

Dispozitivele comunică între ele printr-o rețea LAN folosind PTP.

Dispozitivele PTP se numesc ceasuri. Toate ceasurile iau exact ora de la ceasul de mare maestru.

Există 5 tipuri de ceasuri:

Ceas mare maestru

Principala sursă de timp precis. Echipat adesea cu o interfață pentru conectarea GPS.

Ceas obișnuit

Un dispozitiv cu un singur port care poate fi master (ceasul master) sau slave (ceasul slave)

Ceas principal (master)

Ele sunt sursa orei exacte cu care alte ceasuri sunt sincronizate

Ceas sclav

Dispozitiv final care este sincronizat cu ceasul principal

Ceasul de graniță

Un dispozitiv cu mai multe porturi care pot fi master sau slave.

Adică, aceste ceasuri se pot sincroniza de la ceasul principal superior și sincronizarea ceasurilor slave inferioare.

Ceas transparent de la capăt la capăt

Un dispozitiv cu mai multe porturi care nu este nici un ceas master, nici un slave. Transmite date PTP între două ceasuri.

La transmiterea datelor, ceasul transparent corectează toate mesajele PTP.

Corecția are loc prin adăugarea timpului de întârziere de pe acest dispozitiv la câmpul de corecție din antetul mesajului transmis.

Ceas transparent peer-to-peer

Un dispozitiv cu mai multe porturi care nu este nici un ceas master, nici un slave.
Transmite date PTP între două ceasuri.

La transmiterea datelor, ceasul transparent corectează toate mesajele PTP Sync și Follow_Up (mai multe despre ele mai jos).

Corecția se realizează prin adăugarea la câmpul de corecție al pachetului transmis a întârzierii pe dispozitivul de transmisie și a întârzierii pe canalul de transmisie a datelor.

Nodul de management

Un dispozitiv care configurează și diagnostichează alte ceasuri

Ceasurile master și slave sunt sincronizate folosind marcajele de timp din mesajele PTP. Există două tipuri de mesaje în protocolul PTP:

• Mesajele de eveniment sunt mesaje sincronizate care implică generarea unui marcaj temporal în momentul trimiterii mesajului și în momentul în care este primit.
• Mesaje generale - Aceste mesaje nu necesită marcaje temporale, dar pot conține marcaje temporale pentru mesajele conexe

Mesaje de evenimente

Mesaje generale

Sincronizați
Delay_Req
Pdelay_Req
Pdelay_Resp

anunța
Urmare
Delay_Resp
Pdelay_Resp_Follow_Up
Management
semnalizare

Toate tipurile de mesaje vor fi discutate mai detaliat mai jos.

Probleme de bază de sincronizare

Când un pachet de sincronizare este transmis printr-o rețea locală, acesta este întârziat la comutator și în legătura de date. Orice comutare va produce o întârziere de aproximativ 10 microsecunde, ceea ce este inacceptabil pentru PTPv2. La urma urmei, trebuie să obținem o precizie de 1 μs pe dispozitivul final. (Aceasta este dacă vorbim despre energie. Alte aplicații pot necesita o precizie mai mare.)

IEEE 1588v2 descrie mai mulți algoritmi de operare care vă permit să înregistrați întârzierea și să o corectați.

Algoritm de lucru
În timpul funcționării normale, protocolul funcționează în două faze.

• Etapa 1 - stabilirea ierarhiei „Master Clock – Slave Clock”.
• Faza 2 - sincronizarea ceasului folosind un mecanism End-to-End sau Peer-to-Peer.

Faza 1 - Stabilirea Ierarhiei Maestru-Sclav

Fiecare port al unui ceas obișnuit sau edge are un anumit număr de stări (ceasul slave și ceasul master). Standardul descrie algoritmul de tranziție între aceste stări. În programare, un astfel de algoritm se numește mașină cu stări finite sau mașină cu stări (mai multe detalii în Wiki).

Această mașină de stare utilizează cel mai bun algoritm de ceas principal (BMCA) pentru a seta masterul atunci când conectează două ceasuri.

Acest algoritm permite ceasului să preia responsabilitățile ceasului grandmaster atunci când ceasul grandmaster din amonte pierde semnalul GPS, se deconectează etc.

Tranzițiile de stare conform BMCA sunt rezumate în următoarea diagramă:


Informațiile despre ceas de la celălalt capăt al „firului” sunt trimise într-un mesaj special (Anunț mesaj). Odată ce aceste informații sunt primite, algoritmul mașinii de stare rulează și se face o comparație pentru a vedea care ceas este mai bun. Portul celui mai bun ceas devine ceasul principal.

O ierarhie simplă este prezentată în diagrama de mai jos. Căile 1, 2, 3, 4, 5 pot conține un ceas transparent, dar nu participă la stabilirea ierarhiei Ceas Master - Ceas Slave.

Faza 2 - Sincronizați ceasurile obișnuite și cele de margine

Imediat după stabilirea ierarhiei „Master Clock – Slave Clock”, începe faza de sincronizare a ceasurilor obișnuite și de limită.

Pentru sincronizare, ceasul principal trimite un mesaj care conține un marcaj de timp către ceasurile secundare.

Ceasul principal poate fi:

• o singură etapă;
• în două etape.

Ceasurile cu o singură etapă trimit un mesaj de sincronizare pentru sincronizare.

Un ceas în două trepte folosește două mesaje pentru sincronizare - Sync și Follow_Up.

Pentru faza de sincronizare pot fi utilizate două mecanisme:

• Mecanism de întârziere cerere-răspuns.
• Mecanism de măsurare a întârzierii peer.

În primul rând, să ne uităm la aceste mecanisme în cel mai simplu caz - atunci când ceasurile transparente nu sunt folosite.

Mecanism de întârziere cerere-răspuns

Mecanismul presupune două etape:

1. Măsurarea întârzierii în transmiterea unui mesaj între ceasul principal și ceasul slave. Efectuat folosind un mecanism de întârziere cerere-răspuns.
2. Se efectuează corectarea exactă a decalajului de timp.

Măsurarea latenței


t1 – Ora trimiterii mesajului Sync de către ceasul principal; t2 – Ora recepției mesajului Sync de către ceasul slave; t3 – Ora trimiterii cererii de întârziere (Delay_Req) ​​de către ceasul slave; t4 – Timpul de recepție Delay_Req de către ceasul principal.

Când ceasul slave cunoaște timpii t1, t2, t3 și t4, poate calcula întârzierea medie la transmiterea mesajului de sincronizare (tmpd). Se calculează după cum urmează:

La transmiterea unui mesaj Sync and Follow_Up, se calculează întârzierea de la master la slave - t-ms.

La transmiterea mesajelor Delay_Req și Delay_Resp, se calculează întârzierea de la slave la master - t-sm.

Dacă apare o oarecare asimetrie între aceste două valori, atunci apare o eroare în corectarea abaterii timpului exact. Eroarea este cauzată de faptul că întârzierea calculată este media întârzierilor t-ms și t-sm. Dacă întârzierile nu sunt egale între ele, atunci nu vom ajusta timpul cu precizie.

Corectarea decalajului orar

Odată ce întârzierea dintre ceasul principal și ceasul slave este cunoscută, ceasul slave efectuează corecția timpului.

Ceasurile slave folosesc mesajul Sincronizare și un mesaj opțional Follow_Up pentru a calcula offset-ul exact de timp la transmiterea unui pachet de la ceasurile master la slave. Deplasarea se calculează folosind următoarea formulă:

Mecanism de măsurare a întârzierii peer

Acest mecanism folosește și doi pași pentru sincronizare:

1. Dispozitivele măsoară întârzierea tuturor vecinilor prin toate porturile. Pentru a face acest lucru, ei folosesc un mecanism de întârziere peer.
2. Corectarea decalajului orar exact.

Măsurarea latenței între dispozitivele care acceptă modul Peer-to-Peer

Latența dintre porturile care acceptă mecanismul peer-to-peer este măsurată folosind următoarele mesaje:

Când portul 1 cunoaște timpii t1, t2, t3 și t4, poate calcula întârzierea medie (tmld). Se calculează folosind următoarea formulă:

Portul utilizează apoi această valoare atunci când calculează câmpul de ajustare pentru fiecare mesaj de sincronizare sau mesaj opțional de urmărire care trece prin dispozitiv.

Întârzierea totală va fi egală cu suma întârzierii din timpul transmisiei prin acest dispozitiv, întârzierea medie în timpul transmiterii prin canalul de date și întârzierea conținută deja în acest mesaj, activate pe dispozitivele din amonte.

Mesajele Pdelay_Req, Pdelay_Resp și opțional Pdelay_Resp_Follow_Up vă permit să obțineți întârzierea de la master la slave și de la slave la master (circular).

Orice asimetrie între aceste două valori va introduce o eroare de corecție a decalajului de timp.

Ajustarea exactă a decalajului de timp

Ceasurile slave folosesc un mesaj de sincronizare și un mesaj opțional Follow_Up pentru a calcula offset-ul exact de timp la transmiterea unui pachet de la ceasurile master la slave. Deplasarea se calculează folosind următoarea formulă:

Avantaje ajustarea mecanismului peer-to-peer - întârzierea fiecărui mesaj Sync sau Follow_Up este calculată pe măsură ce este transmis în rețea. În consecință, schimbarea căii de transmisie nu va afecta în niciun fel precizia ajustării.

Când se utilizează acest mecanism, sincronizarea timpului nu necesită calcularea întârzierii de-a lungul căii parcurse de pachetul de sincronizare, așa cum se face în schimbul de bază. Acestea. Mesajele Delay_Req și Delay_Resp nu sunt trimise. În această metodă, întârzierea dintre ceasurile master și slave este pur și simplu însumată în câmpul de ajustare al fiecărui mesaj Sync sau Follow_Up.

Un alt avantaj este că ceasul principal este scutit de necesitatea procesării mesajelor Delay_Req.

Moduri de funcționare ale ceasurilor transparente

Prin urmare, acestea au fost exemple simple. Acum să presupunem că comutatoarele apar pe calea de sincronizare.

Dacă utilizați comutatoare fără suport PTPv2, pachetul de sincronizare va fi întârziat la comutator cu aproximativ 10 µs.

Comutatoarele care acceptă PTPv2 sunt numite ceasuri transparente în terminologia IEEE 1588v2. Ceasurile transparente nu sunt sincronizate cu ceasul principal și nu participă la ierarhia „Master Clock - Slave Clock”, dar atunci când transmit mesaje de sincronizare își amintesc cât de mult a fost întârziat mesajul de către acestea. Acest lucru vă permite să reglați întârzierea.

Ceasurile transparente pot funcționa în două moduri:

• Un capăt la altul.
• De la persoană la persoană.

De la capăt la capăt (E2E)

Ceasul transparent E2E transmite mesaje de sincronizare și mesajele de urmărire însoțitoare pe toate porturile. Chiar și cele care sunt blocate de unele protocoale (de exemplu, RSTP).

Comutatorul își amintește marca temporală când a fost primit un pachet de sincronizare (Follow_Up) pe port și când a fost trimis de pe port. Pe baza acestor două marcaje temporale, se calculează timpul necesar comutatorului pentru a procesa mesajul. În standard, acest timp se numește timp de rezidență.

Timpul de procesare este adăugat la câmpul de corecție al mesajului Sync (ceasul cu un pas) sau Follow_Up (ceasul în doi pași).

Ceasul transparent E2E măsoară timpul de procesare pentru mesajele Sync și Delay_Req care trec prin comutator. Dar este important de înțeles că întârzierea dintre ceasul principal și ceasul slave este calculată folosind mecanismul de întârziere cerere-răspuns. Dacă se modifică ceasul master sau se modifică calea de la ceasul principal la ceasul slave, întârzierea este măsurată din nou. Acest lucru crește timpul de tranziție în cazul schimbărilor de rețea.

Ceasul transparent P2P, pe lângă măsurarea timpului necesar unui comutator pentru a procesa un mesaj, măsoară întârzierea conexiunii de date către cel mai apropiat vecin, folosind un mecanism de latență a vecinului.

Latența este măsurată pe fiecare legătură în ambele direcții, inclusiv pe legăturile care sunt blocate de un protocol (cum ar fi RSTP). Acest lucru vă permite să calculați imediat noua întârziere în calea de sincronizare dacă ceasul grandmaster sau topologia rețelei se modifică.

Timpul de procesare a mesajelor prin comutare și latența se acumulează la trimiterea mesajelor Sync sau Follow_Up.

Tipuri de suport PTPv2 de către comutatoare

Switch-urile pot suporta PTPv2:

• programatic;
• hardware.

La implementarea protocolului PTPv2 în software, comutatorul solicită un marcaj de timp de la firmware. Problema este că firmware-ul funcționează ciclic și va trebui să așteptați până când termină ciclul curent, preia cererea de procesare și emite un marcaj de timp după ciclul următor. Acest lucru va dura și timp și vom primi o întârziere, deși nu la fel de semnificativă ca fără suport software pentru PTPv2.

Numai suportul hardware pentru PTPv2 vă permite să mențineți precizia necesară. În acest caz, marca de timp este emisă de un ASIC special, care este instalat pe port.

Format mesaj

Toate mesajele PTP constau din următoarele câmpuri:

• Antet – 34 de octeți.
• Corpul – dimensiunea depinde de tipul mesajului.
• Sufixul este opțional.

Antet

Câmpul Antet este același pentru toate mesajele PTP. Dimensiunea sa este de 34 de octeți.

Format câmp antet:

tip mesaj – conține tipul de mesaj transmis, de exemplu Sync, Delay_Req, PDelay_Req etc.

mesajLength – conține dimensiunea completă a mesajului PTP, inclusiv antetul, corpul și sufixul (dar excluzând octeții de completare).

domainNumber – determină cărui domeniu PTP îi aparține mesajul.

Numele de domeniu - acestea sunt mai multe ceasuri diferite colectate într-un grup logic și sincronizate de la un ceas principal, dar nu neapărat sincronizate cu ceasuri aparținând unui domeniu diferit.

steaguri – Acest câmp conține diverse steaguri pentru a identifica starea mesajului.

câmpul de corecție – conține timpul de întârziere în nanosecunde. Timpul de întârziere include întârzierea la transmiterea prin ceasul transparent, precum și întârzierea la transmiterea prin canal atunci când se utilizează modul Peer-to-Peer.

sourcePortIdentity – acest câmp conține informații despre portul din care a fost trimis inițial acest mesaj.

ID-ul secvenței – conține un număr de identificare pentru mesajele individuale.

controlField – câmp artefact =) Rămâne din prima versiune a standardului și conține informații despre tipul acestui mesaj. În esență, la fel ca messageType, dar cu mai puține opțiuni.

logMessageInterval – acest câmp este determinat de tipul mesajului.

Body

După cum am discutat mai sus, există mai multe tipuri de mesaje. Aceste tipuri sunt descrise mai jos:

Mesaj de anunț
Mesajul Anunț este folosit pentru a „spune” altor ceasuri din același domeniu despre parametrii săi. Acest mesaj vă permite să configurați o ierarhie Master Clock - Slave Clock.


Sincronizați mesajul
Mesajul de sincronizare este trimis de ceasul principal și conține ora ceasului principal la momentul în care mesajul de sincronizare a fost generat. Dacă ceasul principal este în două etape, marcajul de timp din mesajul Sincronizare va fi setat la 0, iar marcajul de timp curent va fi trimis în mesajul Follow_Up asociat. Mesajul Sync este utilizat pentru ambele mecanisme de măsurare a latenței.

Mesajul este transmis folosind Multicast. Opțional, puteți utiliza Unicast.

mesaj Delay_Req

Formatul mesajului Delay_Req este identic cu mesajul Sync. Ceasul slave trimite Delay_Req. Conține ora la care Delay_Req a fost trimisă de ceasul slave. Acest mesaj este utilizat numai pentru mecanismul de întârziere cerere-răspuns.

Mesajul este transmis folosind Multicast. Opțional, puteți utiliza Unicast.

Mesaj de urmărire

Mesajul Follow_Up este trimis opțional de ceasul principal și conține ora trimiterii Sincronizați mesajele maestru. Doar ceasurile principale în două etape trimit mesajul Follow_Up.

Mesajul Follow_Up este utilizat pentru ambele mecanisme de măsurare a latenței.

Mesajul este transmis folosind Multicast. Opțional, puteți utiliza Unicast.

mesaj Delay_Resp

Mesajul Delay_Resp este trimis de ceasul principal. Conține ora la care Delay_Req a fost primit de ceasul principal. Acest mesaj este utilizat numai pentru mecanismul de întârziere cerere-răspuns.

Mesajul este transmis folosind Multicast. Opțional, puteți utiliza Unicast.

Mesaj Pdelay_Req

Mesajul Pdelay_Req este trimis de un dispozitiv care solicită o întârziere. Acesta conține ora la care a fost trimis mesajul de la portul acestui dispozitiv. Pdelay_Req este utilizat numai pentru mecanismul de măsurare a întârzierii vecine.

Mesaj Pdelay_Resp

Mesajul Pdelay_Resp este trimis de un dispozitiv care a primit o cerere de întârziere. Conține ora la care mesajul Pdelay_Req a fost primit de acest dispozitiv. Mesajul Pdelay_Resp este utilizat numai pentru mecanismul de măsurare a întârzierii vecinului.

Mesaj Pdelay_Resp_Follow_Up

Mesajul Pdelay_Resp_Follow_Up este trimis opțional de către dispozitivul care a primit cererea de întârziere. Conține ora la care mesajul Pdelay_Req a fost primit de acest dispozitiv. Mesajul Pdelay_Resp_Follow_Up este trimis numai de ceasuri principale în două etape.

Acest mesaj poate fi folosit și pentru timpul de execuție în loc de un marcaj temporal. Timpul de execuție este timpul de la momentul primirii Pdelay-Req până la trimiterea Pdelay_Resp.

Pdelay_Resp_Follow_Up sunt utilizate numai pentru mecanismul de măsurare a întârzierii vecinului.

Mesaje de management

Mesajele de control PTP sunt necesare pentru a transfera informații între unul sau mai multe ceasuri și nodul de control.

Transfer la LV

Un mesaj PTP poate fi transmis la două niveluri:

• Rețea – ca parte a datelor IP.
• Canal – ca parte a unui cadru Ethernet.

Transmiterea mesajelor PTP prin UDP prin IP prin Ethernet

PTP prin UDP prin Ethernet

Profiluri

PTP are o mulțime de parametri flexibili care trebuie configurați. De exemplu:

• Opțiuni BMCA.
• Mecanism de măsurare a latenței.
• Intervalele și valorile inițiale ale tuturor parametrilor configurabili etc.

Și în ciuda faptului că am spus anterior că dispozitivele PTPv2 sunt compatibile între ele, acest lucru nu este adevărat. Dispozitivele trebuie să aibă aceleași setări pentru a comunica.

De aceea există așa-numitele profiluri PTPv2. Profilurile sunt grupuri de setări configurate și restricții de protocol definite, astfel încât sincronizarea timpului să poată fi implementată pentru o anumită aplicație.

Standardul IEEE 1588v2 descrie un singur profil – „Profil implicit”. Toate celelalte profiluri sunt create și descrise de diferite organizații și asociații.

De exemplu, Power Profile, sau PTPv2 Power Profile, a fost creat de Power Systems Relaying Committee și de Substation Committee al IEEE Power and Energy Society. Profilul în sine se numește IEEE C37.238-2011.

Profilul descrie că PTP poate fi transferat:

• Numai prin rețele L2 (adică Ethernet, HSR, PRP, non-IP).
• Mesajele sunt transmise numai prin difuzare Multicast.
• Mecanismul de măsurare a întârzierii de la egal la egal este utilizat ca mecanism de măsurare a întârzierii.

Domeniul implicit este 0, domeniul recomandat este 93.

Filosofia de design din spatele C37.238-2011 a fost reducerea numărului de caracteristici opționale și păstrarea numai a funcțiilor necesare pentru o interacțiune fiabilă între dispozitive și o stabilitate sporită a sistemului.

De asemenea, se determină frecvența de transmitere a mesajului:

De fapt, un singur parametru este disponibil pentru selecție - tipul de ceas principal (cu o etapă sau cu două trepte).

Precizia nu trebuie să fie mai mare de 1 μs. Cu alte cuvinte, o cale de sincronizare poate conține maximum 15 ceasuri transparente sau trei ceasuri de limită.

Sursa: www.habr.com