Детаљи имплементације ПТПв2 протокола временске синхронизације

Увод

Концепт изградње „Дигиталне подстанице“ у електропривреди захтева синхронизацију са тачношћу од 1 μс. Финансијске трансакције такође захтевају прецизност у микросекундама. У овим апликацијама, тачност НТП времена више није довољна.

ПТПв2 протокол за синхронизацију, описан стандардом ИЕЕЕ 1588в2, омогућава прецизност синхронизације од неколико десетина наносекунди. ПТПв2 вам омогућава да шаљете синхронизационе пакете преко Л2 и Л3 мрежа.

Главне области у којима се ПТПв2 користи су:

• енергија;
• контролно-мерна опрема;
• војно-индустријски комплекс;
• телеком;
• финансијски сектор.

Овај пост објашњава како функционише ПТПв2 протокол за синхронизацију.

Имамо више искуства у индустрији и често видимо овај протокол у енергетским апликацијама. Сходно томе, преглед ћемо обавити са опрезом за енергију.

Зашто је то неопходно?

Тренутно, СТО 34.01-21-004-2019 ПЈСЦ Россети и СТО 56947007-29.240.10.302-2020 ПЈСЦ ФГЦ УЕС садрже захтеве за организовање магистрале процеса са временском синхронизацијом преко ПТПв2.

То је због чињенице да су терминали релејне заштите и мерни уређаји повезани на процесну магистралу, који преносе тренутне вредности струје и напона кроз процесну магистралу, користећи такозване СВ токове (мултицаст стреамс).

Терминали за релејну заштиту користе ове вредности за имплементацију заштите лежишта. Ако је тачност мерења времена мала, онда неке заштите могу радити погрешно.

На пример, одбрана апсолутне селективности може постати жртва „слабе“ временске синхронизације. Често се логика такве одбране заснива на поређењу две величине. Ако се вредности разликују за довољно велику вредност, онда се активира заштита. Ако се ове вредности мере са временском тачношћу од 1 мс, онда можете добити велику разлику где су вредности ​​у ствари нормалне ако се мере са тачношћу од 1 μс.

ПТП верзије

ПТП протокол је првобитно описан 2002. године у стандарду ИЕЕЕ 1588-2002 и назван је „Стандард за протокол за прецизну синхронизацију сата за умрежене системе мерења и управљања“. Године 2008. објављен је ажурирани ИЕЕЕ 1588-2008 стандард, који описује ПТП верзију 2. Ова верзија протокола је побољшала тачност и стабилност, али није задржала компатибилност уназад са првом верзијом протокола. Такође, 2019. године објављена је верзија стандарда ИЕЕЕ 1588-2019, која описује ПТП в2.1. Ова верзија додаје мања побољшања ПТПв2 и компатибилна је са ПТПв2 уназад.

Другим речима, имамо следећу слику са верзијама:

ПТПв1
(ИЕЕЕ 1588-2002)

ПТПв2
(ИЕЕЕ 1588-2008)

ПТПв2.1
(ИЕЕЕ 1588-2019)

ПТПв1 (ИЕЕЕ 1588-2002)

-
Некомпатибилно

Некомпатибилно

ПТПв2 (ИЕЕЕ 1588-2008)

Некомпатибилно

-
Компатибилан

ПТПв2.1 (ИЕЕЕ 1588-2019)

Некомпатибилно

Компатибилан

-

Али, као и увек, постоје нијансе.

Некомпатибилност између ПТПв1 и ПТПв2 значи да уређај на коме је омогућен ПТПв1 неће моћи да се синхронизује са тачним сатом који ради на ПТПв2. За синхронизацију користе различите формате порука.

Али и даље је могуће комбиновати уређаје са ПТПв1 и уређаје са ПТПв2 на истој мрежи. Да бисте то постигли, неки произвођачи вам дозвољавају да изаберете верзију протокола на портовима ивичног такта. То јест, гранични сат може да се синхронизује помоћу ПТПв2 и још увек синхронизује друге сатове повезане са њим користећи и ПТПв1 и ПТПв2.

ПТП уређаји. Шта су и по чему се разликују?

Стандард ИЕЕЕ 1588в2 описује неколико типова уређаја. Сви су приказани у табели.

Уређаји међусобно комуницирају преко ЛАН-а користећи ПТП.

ПТП уређаји се називају сатови. Сви сатови узимају тачно време од велемајсторског сата.

Постоји 5 врста сатова:

Велемајсторски сат

Главни извор тачног времена. Често је опремљен интерфејсом за повезивање ГПС-а.

Обичан сат

Уређај са једним портом који може бити главни (главни сат) или славе (подређени сат)

Главни сат (мајстор)

Они су извор тачног времена до којег се други сатови синхронизују

Славе сат

Крајњи уређај који је синхронизован са главним сатом

Боундари Цлоцк

Уређај са више портова који може бити главни или славе.

То јест, ови сатови могу да се синхронизују са супериорног главног сата и синхронизују инфериорне славе сатове.

Транспарентни сат од краја до краја

Уређај са више портова који није ни главни ни славе. Он преноси ПТП податке између два сата.

Приликом преноса података, провидни сат исправља све ПТП поруке.

До корекције долази додавањем времена кашњења на овом уређају у поље за корекцију у заглављу пренете поруке.

Пеер-то-Пеер транспарентни сат

Уређај са више портова који није ни главни ни славе.
Он преноси ПТП податке између два сата.

Приликом преноса података, провидни сат исправља све ПТП поруке Синц и Фоллов_Уп (више о њима у наставку).

Корекција се постиже додавањем у поље корекције пренетог пакета кашњења на уређају за пренос и кашњења на каналу за пренос података.

Управљачки чвор

Уређај који конфигурише и дијагностикује друге сатове

Главни и подређени сатови су синхронизовани коришћењем временских ознака у ПТП порукама. Постоје две врсте порука у ПТП протоколу:

• Поруке догађаја су синхронизоване поруке које подразумевају генерисање временске ознаке у време када је порука послата иу време када је примљена.
• Опште поруке – ове поруке не захтевају временске ознаке, али могу да садрже временске ознаке за повезане поруке

Поруке догађаја

Опште поруке

синц
Делаи_Рек
Пделаи_Рек
Пделаи_Респ

Најавите
Пратити
Делаи_Респ
Пделаи_Респ_Фоллов_Уп
управљање
Сигнализација

Све врсте порука ће бити детаљније размотрене у наставку.

Основни проблеми са синхронизацијом

Када се синхронизациони пакет преноси преко локалне мреже, он се одлаже на комутатору и на линку за пренос података. Сваки прекидач ће произвести кашњење од око 10 микросекунди, што је неприхватљиво за ПТПв2. На крају крајева, треба да постигнемо тачност од 1 μс на коначном уређају. (Ово је ако говоримо о енергији. Друге апликације могу захтевати већу прецизност.)

ИЕЕЕ 1588в2 описује неколико оперативних алгоритама који вам омогућавају да снимите временско кашњење и да га исправите.

Алгоритам рада
Током нормалног рада, протокол ради у две фазе.

• Фаза 1 – успостављање хијерархије „Мастер Цлоцк – Славе Цлоцк“.
• Фаза 2 – синхронизација сата помоћу механизма Енд-то-Енд или Пеер-то-Пеер.

Фаза 1 – Успостављање хијерархије мастер-славе

Сваки порт редовног или рубног такта има одређени број стања (подређени сат и главни сат). Стандард описује алгоритам прелаза између ових стања. У програмирању се такав алгоритам назива коначна државна машина или државна машина (детаљније на Вики).

Ова машина стања користи алгоритам најбољег главног сата (БМЦА) за подешавање главног сата када повезује два сата.

Овај алгоритам омогућава сату да преузме одговорности велемајсторског сата када горњи велемајсторски сат изгуби ГПС сигнал, оде ван мреже итд.

Транзиције стања према БМЦА су сажете у следећем дијаграму:


Информације о сату на другом крају „жице“ шаљу се у посебној поруци (Објава поруке). Када се прими ова информација, покреће се алгоритам државног строја и прави се поређење да се види који је сат бољи. Порт на најбољем сату постаје главни сат.

Једноставна хијерархија је приказана на дијаграму испод. Путања 1, 2, 3, 4, 5 могу садржати прозирни сат, али не учествују у успостављању хијерархије главног сата - подређеног сата.

Фаза 2 – Синхронизујте регуларне и рубне сатове

Одмах након успостављања хијерархије „Мастер Цлоцк – Славе Цлоцк“, почиње фаза синхронизације регуларних и граничних сатова.

За синхронизацију, главни сат шаље поруку која садржи временску ознаку подређеним сатовима.

Главни сат може бити:

• једна позорница;
• двостепени.

Једностепени сатови шаљу једну поруку за синхронизацију за синхронизацију.

Двостепени сат користи две поруке за синхронизацију - Синц и Фоллов_Уп.

За фазу синхронизације могу се користити два механизма:

• Механизам за одлагање захтев-одговор.
• Механизам мерења кашњења вршњака.

Прво, погледајмо ове механизме у најједноставнијем случају - када се не користе транспарентни сатови.

Механизам за одлагање захтев-одговор

Механизам укључује два корака:

1. Мерење кашњења у преношењу поруке између главног сата и подређеног сата. Изводи се помоћу механизма за одлагање захтев-одговор.
2. Изводи се корекција тачног временског померања.

Мерење кашњења


т1 – Време слања поруке о синхронизацији од стране главног сата; т2 – Време пријема поруке о синхронизацији од стране подређеног сата; т3 – Време слања захтева за одлагање (Делаи_Рек) од стране славе сата; т4 – Делаи_Рек време пријема од стране главног сата.

Када подређени сат зна времена т1, т2, т3 и т4, може израчунати просечно кашњење приликом преноса поруке о синхронизацији (тмпд). Израчунава се на следећи начин:

Када се преноси порука Синц анд Фоллов_Уп, време кашњења од главног до подређеног рачуна се - т-мс.

Приликом преноса порука Делаи_Рек и Делаи_Респ рачуна се временско кашњење од славе-а до мастера - т-см.

Ако дође до неке асиметрије између ове две вредности, онда се појављује грешка у исправљању одступања тачног времена. Грешка је узрокована чињеницом да је израчунато кашњење просек кашњења т-мс и т-см. Ако кашњења нису једнака једно другом, онда нећемо тачно подесити време.

Корекција временског померања

Када је познато кашњење између главног и подређеног сата, подређени сат врши корекцију времена.

Славе сатови користе Синц поруку и опциону Фоллов_Уп поруку за израчунавање тачног временског одступања приликом преноса пакета са главног на подређене сатове. Промена се израчунава помоћу следеће формуле:

Механизам мерења кашњења вршњака

Овај механизам такође користи два корака за синхронизацију:

1. Уређаји мере временско кашњење свим суседима кроз све портове. Да би то урадили, користе механизам за кашњење вршњака.
2. Корекција тачног временског померања.

Мерење кашњења између уређаја који подржавају Пеер-то-Пеер режим

Кашњење између портова који подржавају пеер-то-пеер механизам се мери помоћу следећих порука:

Када порт 1 зна времена т1, т2, т3 и т4, може израчунати просечно кашњење (тмлд). Израчунава се помоћу следеће формуле:

Порт затим користи ову вредност када израчунава поље за подешавање за сваку синхронизовану поруку или опциону Фоллов_Уп поруку која пролази кроз уређај.

Укупно кашњење ће бити једнако збиру кашњења током преноса кроз овај уређај, просечног кашњења током преноса кроз канал података и кашњења већ садржаног у овој поруци, омогућене на упстреам уређајима.

Поруке Пделаи_Рек, Пделаи_Респ и опционо Пделаи_Респ_Фоллов_Уп вам омогућавају да добијете кашњење од мастер-а до славе-а и од славе-а до мастер-а (кружно).

Свака асиметрија између ове две вредности ће довести до грешке корекције временског одступања.

Подешавање тачног временског померања

Славе сатови користе Синц поруку и опциону Фоллов_Уп поруку за израчунавање тачног временског одступања приликом преноса пакета са главног на подређене сатове. Промена се израчунава помоћу следеће формуле:

Предности подешавања пеер-то-пеер механизма - временско кашњење сваке Синц или Фоллов_Уп поруке се израчунава како се преноси у мрежи. Сходно томе, промена путање преноса ни на који начин неће утицати на тачност подешавања.

Када се користи овај механизам, временска синхронизација не захтева израчунавање временског кашњења дуж путање коју пређе синхронизациони пакет, као што се ради у основној размени. Оне. Поруке Делаи_Рек и Делаи_Респ се не шаљу. У овој методи, кашњење између главног и подређеног такта се једноставно сумира у пољу за подешавање сваке поруке о синхронизацији или праћењу.

Још једна предност је што је главни сат ослобођен потребе да обрађује Делаи_Рек поруке.

Начини рада транспарентних сатова

Сходно томе, ово су били једноставни примери. Претпоставимо сада да се прекидачи појављују на путањи синхронизације.

Ако користите прекидаче без подршке за ПТПв2, пакет за синхронизацију ће бити одложен на комутатору за приближно 10 µс.

Прекидачи који подржавају ПТПв2 се у терминологији ИЕЕЕ 1588в2 називају Транспарентни сатови. Транспарентни сатови се не синхронизују са главним сатом и не учествују у хијерархији „Главни сат - Подређени сат“, али приликом преноса синхронизационих порука памте колико дуго је порука одложена од њих. Ово вам омогућава да подесите временско кашњење.

Транспарентни сатови могу да раде у два режима:

• Крај са крајем.
• Пеер-то-Пеер.

С краја на крај (Е2Е)

Е2Е транспарентни сат емитује поруке за синхронизацију и пратеће Фоллов_Уп поруке на свим портовима. Чак и оне које су блокирани неким протоколима (на пример, РСТП).

Прекидач памти временску ознаку када је Синц пакет (Фоллов_Уп) примљен на порту и када је послан са порта. На основу ове две временске ознаке израчунава се време које је потребно комутатору да обради поруку. У стандарду, ово време се назива време боравка.

Време обраде се додаје у поље цоррецтионФиелд поруке Синц (сат у једном кораку) или Фоллов_Уп (сат у два корака).

Е2Е транспарентни сат мери време обраде за Синц и Делаи_Рек поруке које пролазе кроз прекидач. Али важно је разумети да се временско кашњење између главног сата и подређеног сата израчунава коришћењем механизма за одлагање захтев-одговор. Ако се промени главни сат или се промени путања од главног сата до подређеног сата, кашњење се поново мери. Ово повећава време транзиције у случају промене мреже.

П2П транспарентни сат, поред мерења времена које је потребно комутатору да обради поруку, мери кашњење на линку података до најближег суседа користећи механизам кашњења суседа.

Латенција се мери на свакој вези у оба смера, укључујући везе које су блокиране неким протоколом (као што је РСТП). Ово вам омогућава да одмах израчунате ново кашњење у путањи синхронизације ако се промени главни сат или топологија мреже.

Време обраде порука према прекидачима и кашњење се акумулирају приликом слања Синц или Фоллов_Уп порука.

Типови ПТПв2 подршке преко прекидача

Прекидачи могу да подржавају ПТПв2:

• програмски;
• хардвера.

Када имплементира ПТПв2 протокол у софтвер, комутатор захтева временску ознаку од фирмвера. Проблем је у томе што фирмвер ради циклично и мораћете да сачекате док не заврши тренутни циклус, узме захтев за обраду и изда временску ознаку након следећег циклуса. Ово ће такође потрајати, а добићемо и кашњење, иако не толико значајно као без софтверске подршке за ПТПв2.

Само хардверска подршка за ПТПв2 вам омогућава да одржите потребну тачност. У овом случају, временску марку издаје посебан АСИЦ, који је инсталиран на порту.

Формат поруке

Све ПТП поруке се састоје од следећих поља:

• Заглавље – 34 бајта.
• Тело – величина зависи од врсте поруке.
• Суфикс је опциони.

Заглавље

Поље заглавља је исто за све ПТП поруке. Његова величина је 34 бајта.

Формат поља заглавља:

мессагеТипе – садржи тип поруке која се преноси, на пример Синц, Делаи_Рек, ПДелаи_Рек, итд.

мессагеЛенгтх – садржи пуну величину ПТП поруке, укључујући заглавље, тело и суфикс (али искључујући допунске бајтове).

домаинНумбер – одређује ком ПТП домену припада порука.

Домаин - То је неколико различитих часовника сакупљених у једну логичку групу и синхронизованих са једног главног сата, али не обавезно синхронизованих са сатовима који припадају другом домену.

Заставе – Ово поље садржи различите ознаке за идентификацију статуса поруке.

цоррецтионФиелд – садржи време кашњења у наносекундама. Време кашњења укључује кашњење при преносу кроз транспарентни сат, као и кашњење при преносу кроз канал када се користи Пеер-то-Пеер режим.

соурцеПортИдентити – ово поље садржи информације о томе са ког порта је ова порука првобитно послата.

секвенцеИД – садржи идентификациони број за појединачне поруке.

цонтролФиелд – поље артефакта =) Остало је од прве верзије стандарда и садржи информације о врсти ове поруке. У суштини исто као и мессагеТипе, али са мање опција.

логМессагеИнтервал – ово поље је одређено типом поруке.

Тело

Као што је горе објашњено, постоји неколико врста порука. Ови типови су описани у наставку:

Порука за најаву
Порука Анноунце се користи да "саопшти" другим часовницима унутар истог домена о својим параметрима. Ова порука вам омогућава да подесите хијерархију Мастер Цлоцк - Славе Цлоцк.


Синхронизујте поруку
Поруку за синхронизацију шаље главни сат и садржи време главног сата у време када је порука за синхронизацију генерисана. Ако је главни сат двостепени, онда ће временска ознака у поруци о синхронизацији бити постављена на 0, а тренутна временска ознака ће бити послата у повезаној поруци Фоллов_Уп. Порука Синц се користи за оба механизма мерења кашњења.

Порука се преноси користећи Мултицаст. Опционо можете користити Уницаст.

Делаи_Рек порука

Формат поруке Делаи_Рек је идентичан поруци Синц. Подређени сат шаље Делаи_Рек. Садржи време које је Делаи_Рек послао подређени сат. Ова порука се користи само за механизам за одлагање захтев-одговор.

Порука се преноси користећи Мултицаст. Опционо можете користити Уницаст.

Фоллов_Уп порука

Поруку Фоллов_Уп опционо шаље главни сат и садржи време слања Синхронизујте поруке мајстор. Само двостепени главни сатови шаљу поруку Фоллов_Уп.

Порука Фоллов_Уп се користи за оба механизма мерења кашњења.

Порука се преноси користећи Мултицаст. Опционо можете користити Уницаст.

Делаи_Респ порука

Поруку Делаи_Респ шаље главни сат. Садржи време када је главни сат примио Делаи_Рек. Ова порука се користи само за механизам за одлагање захтев-одговор.

Порука се преноси користећи Мултицаст. Опционо можете користити Уницаст.

Пделаи_Рек порука

Поруку Пделаи_Рек шаље уређај који захтева одлагање. Садржи време када је порука послата са порта овог уређаја. Пделаи_Рек се користи само за механизам мерења кашњења суседа.

Пделаи_Респ порука

Поруку Пделаи_Респ шаље уређај који је примио захтев за одлагање. Садржи време када је овај уређај примио поруку Пделаи_Рек. Порука Пделаи_Респ се користи само за механизам мерења кашњења суседа.

Порука Пделаи_Респ_Фоллов_Уп

Поруку Пделаи_Респ_Фоллов_Уп опционо шаље уређај који је примио захтев за одлагање. Садржи време када је овај уређај примио поруку Пделаи_Рек. Пделаи_Респ_Фоллов_Уп поруку шаље само двостепени главни сат.

Ова порука се такође може користити за време извршења уместо временске ознаке. Време извршења је време од тренутка када је Пделаи-Рек примљен до слања Пделаи_Респ.

Пделаи_Респ_Фоллов_Уп се користе само за механизам мерења кашњења суседа.

Манагемент Мессагес

ПТП контролне поруке су потребне за пренос информација између једног или више тактова и контролног чвора.

Трансфер до ЛВ

ПТП порука се може пренети на два нивоа:

• Мрежа – као део ИП података.
• Канал – као део Етхернет оквира.

Пренос ПТП порука преко УДП-а преко ИП-а преко Етхернет-а

ПТП преко УДП преко Етхернета

Profili

ПТП има доста флексибилних параметара које треба конфигурисати. На пример:

• БМЦА опције.
• Механизам мерења кашњења.
• Интервали и почетне вредности свих конфигурабилних параметара, итд.

И упркос чињеници да смо раније рекли да су ПТПв2 уређаји компатибилни једни са другима, то није тачно. Уређаји морају имати иста подешавања да би могли да комуницирају.

Зато постоје такозвани ПТПв2 профили. Профили су групе конфигурисаних подешавања и дефинисаних ограничења протокола тако да се временска синхронизација може применити за одређену апликацију.

Сам стандард ИЕЕЕ 1588в2 описује само један профил – „Подразумевани профил“. Све остале профиле креирају и описују разне организације и удружења.

На пример, Повер Профиле, или ПТПв2 Повер Профиле, креирали су Комитет за пренос електричне енергије и Комитет за подстанице ИЕЕЕ Повер анд Енерги Социети. Сам профил се зове ИЕЕЕ Ц37.238-2011.

Профил описује да се ПТП може пренети:

• Само преко Л2 мрежа (тј. Етхернет, ХСР, ПРП, не-ИП).
• Поруке се преносе само мултицаст емитовањем.
• Као механизам за мерење кашњења користи се механизам за мерење кашњења.

Подразумевани домен је 0, препоручени домен је 93.

Филозофија дизајна Ц37.238-2011 била је да смањи број опционих карактеристика и задржи само неопходне функције за поуздану интеракцију између уређаја и повећану стабилност система.

Такође, одређује се и учесталост преноса порука:

У ствари, само један параметар је доступан за избор - тип главног сата (једностепени или двостепени).

Тачност не би требало да буде већа од 1 μс. Другим речима, једна путања синхронизације може да садржи највише 15 транспарентних тактова или три гранична сата.

Извор: ввв.хабр.цом