IEEE1588授時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588校時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588對時(shí)系統(tǒng)

    IEEE1588授時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588校時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588對時(shí)系統(tǒng)定義了一個(gè)在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對象有關(guān)的同步時(shí)鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達(dá)微秒范圍。由此，目前已經(jīng)開展的大量工作力將該協(xié)議整合到一些基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化協(xié)議中。甚至一些嚴(yán)格定義的協(xié)議，如Powerlink和EtherCat也將拓展到IEEE1588協(xié)議。

IEEE1588的歷史
    在過去幾年中，一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織一直在研究設(shè)備之間，尤其是測量和控制設(shè)備之間的時(shí)鐘同步的技術(shù)。將這種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的公開討論開始于一些研發(fā)人員在工業(yè)自動(dòng)化方面將IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于分布式系統(tǒng)的工作中。
    在2000年的11月份，這種研究興趣發(fā)展成為一個(gè)委員會(huì)，并尋求了一些贊助，專門從事將時(shí)鐘同步問題標(biāo)準(zhǔn)化的工作。委員會(huì)的*次會(huì)議在2001年4月召開，會(huì)議決定向一些研究機(jī)構(gòu)尋求贊助和支持。這些機(jī)構(gòu)包括：電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE），儀器與測量技術(shù)協(xié)會(huì)的傳感器委員會(huì)，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST），該協(xié)會(huì)也在從事IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。
    委員會(huì)的成員包括來自于自動(dòng)化研究，機(jī)器人研究，檢測與測量研究和測時(shí)研究方面的工程師，以及NIST協(xié)會(huì)的代表和美國軍方的代表。委員會(huì)向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準(zhǔn)。
按照IEEE的規(guī)定，委員會(huì)遞交的草案在2002年經(jīng)過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標(biāo)準(zhǔn)復(fù)查委員會(huì)，于2002年12月通過核準(zhǔn)，并于三個(gè)月后出版了標(biāo)準(zhǔn)。從那以后IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的PDF文檔已經(jīng)開始在其主頁上公布（http://ieee1588.nist.gov/），印刷品也提供訂購。
    該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)來源于一家1999年從HP脫離的名為Agilent的公司。許多參數(shù)的測試需要在大型的、空間分散的、分隔式的系統(tǒng)中進(jìn)行，而無法采用傳統(tǒng)的集中式的方法得到。Agilent公司將這項(xiàng)技術(shù)整合于Vantera gauging 系統(tǒng)中。此系統(tǒng)的時(shí)間精度大約為200ns。
自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)間印章
    使用時(shí)間印章來同步本地時(shí)間的原理也可以使用在生產(chǎn)過程的控制中。在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號可能會(huì)有一定的波動(dòng)，但它所達(dá)到的精度使得這項(xiàng)技術(shù)尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過采用這種技術(shù)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運(yùn)行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。
在區(qū)域總線中它所達(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。

系統(tǒng)組件
    一個(gè)IEEE1588授時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588校時(shí)系統(tǒng)、IEEE1588對時(shí)系統(tǒng)系統(tǒng)包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)都代表一個(gè)時(shí)鐘。每個(gè)時(shí)鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接。按工作原理可以分為兩種時(shí)鐘：普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘。它們之間的區(qū)別是普通時(shí)鐘只有一個(gè)PTP端口，而邊界時(shí)鐘包括多個(gè)PTP端口。在網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)時(shí)鐘都可能處于下面幾種狀態(tài)：從屬時(shí)鐘、主時(shí)鐘和原主時(shí)鐘。
    一個(gè)簡單系統(tǒng)包括一個(gè)主時(shí)鐘和多個(gè)從屬時(shí)鐘。如果同時(shí)存在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘，那么活動(dòng)的主時(shí)鐘將根據(jù)*化的主時(shí)鐘算法決定。所有的時(shí)鐘不斷地與主時(shí)鐘比較時(shí)鐘屬性，如果新時(shí)鐘加入系統(tǒng)或現(xiàn)存的主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)斷開，則其他時(shí)鐘會(huì)重新決定主時(shí)鐘。
如果多個(gè)PTP子系統(tǒng)需要互聯(lián)，則必須由邊界時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)。邊界時(shí)鐘的某個(gè)端口會(huì)作為從屬端口與子系統(tǒng)相聯(lián)，并且為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。
    因此這個(gè)子系統(tǒng)的主時(shí)鐘是整個(gè)系統(tǒng)的原主時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的其他端口會(huì)作為主端口，通過邊界時(shí)鐘的這些端口將同步信息傳送到子系統(tǒng)。邊界時(shí)鐘的端口對子系統(tǒng)來說是普通時(shí)鐘。
    同步的基本原理包括時(shí)間發(fā)出和接收時(shí)間信息的記錄，并且對每一條信息“加蓋”時(shí)間印章。有了時(shí)間記錄，接收方就可以計(jì)算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘誤差和延時(shí)。

描述時(shí)間的信息
    為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了四種多點(diǎn)傳送的信息類型：一種是同步信息，簡稱Sync；一種是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一種是延時(shí)要求信息，簡稱Delay_Req；還有一種是Delay_Req的回應(yīng)信息，簡稱Delay_Resp。收到的信息回應(yīng)是與時(shí)鐘當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)的。
    Sync信息是從主時(shí)鐘周期性發(fā)出的（一般為每兩秒一次），它包含了主時(shí)鐘算法所需的時(shí)鐘屬性。總的來說Sync信息是包含了一個(gè)時(shí)間印章，地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。
    由于信息包含的是預(yù)計(jì)的發(fā)出時(shí)間而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)間，所以Sync信息的真實(shí)發(fā)出時(shí)間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發(fā)出。Synce信息的接收方記錄下真實(shí)的接收時(shí)間。使用Follow_Up信息中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)差，并據(jù)此更正從屬時(shí)鐘的時(shí)間。但是此時(shí)計(jì)算出的時(shí)差包含了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時(shí)，所以使用Delay_Req信息來定義網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。
    Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時(shí)鐘發(fā)出。與Sync信息一樣，發(fā)送方記錄準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)間，接收方記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)間。準(zhǔn)確的接收時(shí)間包含在Delay_Resp信息中，從而計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)鐘誤差。同步的度與時(shí)間印章和時(shí)間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達(dá)到毫秒的精度，軟硬件結(jié)合的方案可以達(dá)到微秒的精度。

IEEE 1588工作組
為了推進(jìn)和聯(lián)合進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的完善和發(fā)展，2003年9月在IEEE的辦公地成立了以下三個(gè)工作組。
（1）使用者需求工作組  主要負(fù)責(zé)使用者對于IEEE1588協(xié)議的需求，使用者的構(gòu)成，與其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系等。
（2）技術(shù)拓展工作組  主要負(fù)責(zé)IEEE1588的技術(shù)拓展和改進(jìn)，如標(biāo)記幀和*6的影響，非UDP應(yīng)用，冗余和錯(cuò)誤容差，以及IEEE1588的簡化等。
（3）一致性與解釋工作組  主要負(fù)責(zé)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的解釋，認(rèn)證過程、測試裝置和范例實(shí)現(xiàn)等。

與其他協(xié)議之間的比較
IEEE1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要的區(qū)別是：PTP是針對更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)的，所以更為簡單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源也更少。
    主要針對于相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，子網(wǎng)較好，內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，特別適合于工業(yè)自動(dòng)化和測量環(huán)境。與PTP協(xié)議不同，NTP協(xié)議是針對于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的安全描述。GPS（基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)）也是針對于分散廣泛且各自獨(dú)立的系統(tǒng)。
    PTP定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以使自身達(dá)到很高的精度，設(shè)定冗余的網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)入PTP協(xié)議的非激活狀態(tài)。與SNTP和NTP相反，時(shí)間印章更容易在硬件上實(shí)現(xiàn)，并且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP可以達(dá)到微秒以內(nèi)的精度。此外，PTP模塊化的設(shè)計(jì)也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。

特點(diǎn)概述
   所定義的網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無需再進(jìn)行專門的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開的效果。
    由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
    的一大優(yōu)點(diǎn)是其標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當(dāng)中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標(biāo)準(zhǔn)，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。例如Jetter公司的JetSync產(chǎn)品，EPSG公司的Powerlink和ETG公司的EtherCat等都已經(jīng)將產(chǎn)品擴(kuò)展到了1588標(biāo)準(zhǔn)。ODVA公司也宣稱將該標(biāo)準(zhǔn)融入EtherNet/IP，命名為CIPsync。

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