侯重远，江汉红，芮万智，刘 亮

（海军工程大学 电气与信息工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引言

基于网络的时间同步技术是电力监测网的支撑技术之一，广泛应用于同步测量、同步保护、同步控制、合并单元等场合［1-4］，IEC61850 标准也将该技术作为变电站监测网中传统同步手段的换代技术［5-6］。

网络时间同步主要通过NTP（Network Time Protocol）和 PTP（Precision Time Protocol，即 IEEE1588标准）2种技术途径实现［7］。目前，电力监测网一般使用交换式以太网消除碰撞，提高实时性。NTP技术的优点是不需要交换机中有特殊硬件支持，成本低；但NTP受交换机网络延迟不对称性的影响，同步精度一般只能保证ms级［8-9］。PTP则通过在全网所有交换机中植入高精度自守时时钟，以及在网卡物理（PHY）层植入支持PTP的专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA），使同步精度能够达到1 μs以内［10］，适用于相量测量等高精度同步场合。但PTP也存在以下缺点：PTP建立在对以太网ASIC硬件改造的基础上，因此成本长期居高不下，限制了其广泛应用；必须全网交换机都支持PTP才能保证同步精度，因此可靠性不及NTP，且时钟温度条件苛刻；由于全网交换机必须都支持PTP，因此在高精度测量需求不多的场合，其成本优势不及传统的串口通信校时、脉冲中断校时和综合校时等点对点同步方式［7］。

本文提出了一种可将NTP同步精度提高到17倍的改进协议 SN-NTP（Switch Networks-NTP），使得同步精度根据网络拓扑的不同可达10～100 μs量级。该协议不需要增加硬件，只利用大部分工业网络交换机都已支持的IEEE802.1p优先级排队功能，因此，与IEEE1588相比具有很大成本优势，在电力监测网中可以部分替代IEEE1588。未来随着1 Gbit/s以及更高速以太网技术在电力监测领域的应用，SN-NTP同步精度将进一步提高到μs级，完全满足IEC61850所规定的 5 种级别［7，11］的电气信号同步需求，具有在电力监测领域替代IEEE1588的技术潜力。

1 NTP时间同步协议原理

NTP一般采用“客户端-服务器”方式。如图1所示，先由客户端向服务器发送时间同步请求包，包内包含发送时的本地时间T1；请求包经各级交换机传输，到达服务器后，服务器立即记录到达时的本地时间T2；接着服务器再向客户端发送回复包，包内包含T2以及发送回复包时的本地时间T3；回复包到达客户端后，客户端记录到达时的本地时间T4，至此完成一次网络同步通信。

图1 NTP网络同步机制Fig.1 NTP synchronization mechanism

设请求包的网络传输延迟为treq，d，回复包的网络传输延迟为tcnf，d，客户端与服务器的时钟偏差为toffset，则客户端计算自身的时间偏差并以此调整自身时钟。

显然，式（1）成立的前提是传输延迟的对称性，即 treq，d与 tcnf，d相等，但交换式以太网无法保证这一点，因此式（1）会引入同步误差terror：

即实际的时间同步关系为：

2 SN-NTP协议

2.1 NTP同步精度及其改善方法

2.1.1 NTP同步误差的成因分析

NTP数据包在交换机中转发时，必须等到发送队列中正在发送的数据帧完全传输完才能发出，该等待时间的不确定性造成了同步误差。具体如图2所示，当某时刻NTP数据包进入发送队列时，尽管NTP数据包使用了优先级机制（IEEE802.1p），但必须等待优先级较低的帧“Frame 0”发送完。

图2 NTP同步误差成因Fig.2 Causes of NTP synchronization error

2.1.2 NTP同步精度计算

NTP同步精度可以表示为式（4）。

其中，n为转发路径上所经过的交换机个数。

因以太网最长数据包可达1 538 Byte（含帧间间隔 12 Byte），故 max｛twait｝等于发送 1 538 Byte 的时间（百兆以太网可达 123 μs，千兆以太网可达 12.3 μs），显然必须减小max｛twait｝才能改善同步精度。

2.1.3 同步精度改善方法

本文通过先发送转发端口抢占包，再发送NTP数据包的方式来减小max｛twait｝，从而提高同步精度。具体分以下2步。

a.在NTP数据包发送之前，先连续发送18n个长度为88 Byte的转发端口抢占包。所谓转发端口抢占包是优先级低于NTP数据包但高于其他数据包的以太网最短包，共88 Byte（包含帧间间隔12 Byte和优先级标记4 Byte）。显然，转发端口抢占包在交换机中会阻塞除NTP数据包之外的其他数据包在交换机中的转发，从而使得NTP数据包即将通过的转发路径完全被转发端口抢占包所占据。

当转发端口抢占包的发送数量为18n（其中，18=［1 538/88］，n为转发路径上的交换机数量）时，可以在最坏的情况下（即转发端口抢占包在每台交换机中总是需要等待1 538 Byte传输完），确保NTP请求包在传输过程中前方总有转发端口抢占包正在阻塞其他数据的传输。

b.以最高优先级发送NTP数据包，并使其接在所有转发端口抢占包之后。

由于其他长数据包都已被之前发出的转发端口抢占包所阻塞，因此NTP数据包只需等待正在占据端口的转发端口抢占包（最长88 Byte）被发送完即可获得端口，如图3所示。此时，max｛twait｝仅为发送88 Byte数据包的时间（百兆以太网仅需7.04μs，千兆以太网仅需 0.704μs），由式（4）可知，同步精度约提高到原来的 17倍（1538/88≈17）。

图3 NTP同步精度改善方法Fig.3 Improvement of NTP synchronization accuracy

2.2 SN-NTP协议机制

根据2.1节原理设计SN-NTP协议。SN-NTP协议的时序如图4所示，其中，为确保服务器每次只为一个客户端授时，采用了“SN-NTP请求”、“SN-NTP允许”和“SN-NTP完成”的握手机制，以避免多个客户端的并发。

图4 SN-NTP协议时序Fig.4 Timing sequence of SN-NTP

SN-NTP客户端和SN-NTP服务器的流程图分别如图5、6所示。

图5 SN-NTP客户端流程图Fig.5 Flowchart of SN-NTP client code

图6 SN-NTP服务器流程图Fig.6 Flowchart of SN-NTP server code

2.3 SN-NTP同步精度的计算

根据网络拓扑和转发路径的不同，不同客户端与服务器之间的同步精度不尽相同，可由式（5）计算：

其中，n1为转发路径上100 Mbit/s交换机的个数，n2为1 Gbit/s交换机的个数。

2.4 SN-NTP对网络实时性的影响

转发端口抢占包会对所占端口的其他数据包产生阻塞，最大阻塞时间可由式（6）计算：

IEC61850标准根据采集、控制、保护等应用场合的不同要求，定义了 2～100 ms的网络延迟要求［7］，这些延迟要求对电力监测网具有参考意义，必须根据实际情况部署SN-NTP，以防止影响电力监测网的实时性。

3 SN-NTP同步性能试验

3.1 试验环境

试验平台为某船舶电站交流侧综合监测系统测试床，其网络拓扑结构如图7所示。

图7 试验环境Fig.7 Test environment

交流侧A、B、C三相的监测设备分别接入对应的3台交换机，网络速率为100 Mbit/s，均支持IEEE 802.1p协议；3台交换机之间以弹性分组环网模式连接，网络速率为1Gbit/s，B相交换机与C相交换机之间为环网的冗备链路。

SN-NTP客户端和SN-NTP服务器分别运行于工控机A和工控机B上，2台工控机分别连接到B相交换机和C相交换机的百兆端口上。由于冗备链路的存在，NTP请求包的转发路径为“工控机AB相交换机A相交换机C相交换机工控机B”，NTP回复包则反之。

为测量SN-NTP协议的同步误差，本文使用独立的串口时钟源通过RS-232串口分别为2台工控机提供标准时间信号。由于客户端和服务器的本地时间都已与标准时间同步，故此时两本地时钟偏差为 0，即 toffset为 0，根据式（2）和式（3）得到同步误差计算公式：

3.2 软硬件配置

运行SN-NTP客户端和SN-NTP服务器的工控机均采用x86架构，Intel Pentium M 1.6 GHz处理器；网卡芯片为支持IEEE802.1p优先级功能的Intel 82575网络控制器，在试验中工作于100 Mbit/s全双工模式；采用Intel 82C54计时器作为同步性能试验用的本地时钟。

采用VxWorks 6.6操作系统（评估版）作为客户端和服务器的软件平台；TCP/IP协议栈采用VxWorks自带的 WRNS（Wind River Network Stack）。使用 WRNS socket中的setsockopt（）函数设置数据包的IEEE802.1p优先级标签，其中，转发端口抢占包设定优先级“6”，NTP 数据包设定优先级“7”，其他数据包均不含优先级标签（即最低优先级）。

3.3 试验步骤、数据处理与结果分析

NTP与SN-NTP采用相同的试验步骤和数据处理方法：

a.由客户端发起一次网络同步，并根据式（7）计算同步误差，同时记录本地端口负荷；

b.重复测试10 000次，频率为1 Hz；

c.将端口负荷率分为0～0.1%、0.1%～0.5%、0.5%～1.0%、1.0%～5.0%、5.0%～10.0% 共 5个区间，分别以 0、1、2、3、4 表示，把 10 000 组同步误差数据按照此区间分为5组，并分别找出各组中同步误差的最大值作为该组的同步精度。

NTP协议的同步精度如图8所示，SN-NTP协议的同步精度如图9所示。

图8 NTP同步精度Fig.8 Synchronization accuracy of NTP

图9 SN-NTP同步精度Fig.9 Synchronization accuracy of SN-NTP

分析如下：

a.由图8可见，NTP同步精度随网络繁忙程度的增大而呈现恶化趋势，但其精度仍在200 μs以内，主要原因是由于使用了IEEE802.1p机制；

b.由图9可见，SN-NTP同步精度为8 μs左右，随网络繁忙程度变化仅在5%以内浮动，离散性较好；

c.SN-NTP协议同步精度约为NTP协议的15～24倍，与理论值（17倍）基本吻合，实测值与理论值的差异主要来自测量误差、测试时间的充分性、测试代码执行开销以及模型误差等因素。

4 结语

信息网络技术的快速发展与硬件成本大幅降低，是工业网络技术发展的原动力。在工业以太网领域，1Gbit/s甚至10Gbit/s以太网正在逐步取代目前100Mbit/s以太网的主流地位。因此，利用成熟通用的网络硬件，通过软件算法改进，为工业网络需求服务，是本文SN-NTP协议的出发点。该方法目前可以达到10～100 μs同步精度，能够在部分场合替代IEEE1588，在电力监测网的设计中综合运用这2种技术将有效降低成本。