摘 要

伴随着计算机网络技术的飞速发展，在分布式控制系统、工业以太网、变电站自动化、通信、测控等领域中，网络时钟同步技术的应用变得越来越广泛，对网络时钟同步精度的要求也越来越高，很多情况下需要达到微秒级，甚至纳秒级。为了满足日益增长的需求，本文针对网络时钟同步系统的高精度实现进行了初步的研究。

本文详细分析了IEEE1588时间协议标准，研究了IEEE1588的适用范围、报文消息类型、时钟类型和同步原理;着重研究了IEEE1588协议相较于其他方法的特点。采用硬件辅助电路在网络物理层对同步报文的到达以及离开时刻进行精确时间标记提高精度的方法。接着重点分析了时间戳部分的实现及测试方法，并采用verilog语言编写程序，用QuartusII和ModelSim软件对时间戳（TSU）进行仿真，验证了其可行性，为今后深入研究IEEE1588时钟同步系统的实现打下了良好的基础。

关键词：IEEE1588协议；网络时间同步；NTP；PTP；FPGA

Abstract

With the rapid development of computer network technology in the field of distributed control systems, industrial Ethernet, substation automation, communication, monitoring and control, etc., the network clock synchronization technology applications become more widespread, the network clock synchronization accuracy requirements more and more, in many cases required to achieve microsecond, even nanoseconds. In order to meet the increasing demand, this paper makes a preliminary study on the high precision of the network clock synchronization system.

This paper analyzes the IEEE1588 protocol standard time to study the scope of IEEE1588 packet message type, type and clock synchronization principle; focuses on the IEEE1588 protocol Compared to other methods of characteristics. Hardware assist circuit in the network physical layer synchronization packets arriving and leaving time for accurate time stamping to improve the accuracy of the method. Then it focuses on the realization and testing methods stamp component, and using verilog language programming, with QuartusII and ModelSim software timestamp (TSU) simulation to verify its feasibility for future in-depth study to achieve IEEE1588 clock synchronization system which has laid a good foundation.

Key Words：IEEE 1588；Network Time Synchronization；NTP; PTP；FPGA

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究目的与意义 3

第2章 时间标准与时钟同步 4

2.1时间标准 4

2.2 时间同步技术概述 5

第3章 IEEE 1588精确时间协议 8

3.1 IEEE1588产生背景 8

3.2 基本的时间同步机制 8

3.3 IEEE1588的系统结构 9

3.3 PTP消息类型 10

3.4 PTP设备类型 11

第4章 基于IEEE1588的时钟同步技术实现方案 20

4.1 实现方案总体分析 20

4.2开发环境简介 20

4.3 PTP报文检测模块 21

4.4 FPGA硬件时间戳模块 22

第5章 仿真结果与分析 25

第6章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 引言

时间同步的目的是维护一个全局一致的物理时钟或逻辑时钟，使得系统中的信息和事件有统一的时间解释。随着电力、电信、测试与测量、工业自动化控制、网络传感器等分布式系统的发展，时钟同步变得越来越重要。此时，如果不能保证高精度的时间同步，系统就难以进行协调、管理和控制。特别是在网络化的分布式控制系统中，考虑到调度和控制的实时性，对时间同步的精度要求就更为严格。 

测量和控制应用越来越多地使用的分布式系统的技术，例如网络通信，本地计算和分布式对象。如果没有一个标准化的协议在这些装置中同步时钟，经过一段时间的累积，就会产生较大的误差。但是，庞大的网络系统在复杂的环境下往往还存在计算机本地时钟漂移、网络线路延时不稳定、时钟同步精度低和同步能力差等因素。因此，深入研究和寻找一种高精度低成本的分布式应用系统的时钟同步方法就成为亟待解决的问题，而能够实现高精度低成本的时钟同步将会有巨大的意义和实用价值。

1.2 研究背景

数据传输是现代通信网络中一个重要的组成部分，在庞大的网络设备中，存在一个共同的时间基准作为公共时间的参考，才能对各种网络节点设备进行精准时间同步，网络节点之间才有可能正常处理来自互相节点设备的数据。但是设备受到本地时钟源晶振固有频率误差的影响，器件老化的影响，以及实际环境下的温度变化和各种空间分布的电磁干扰的影响等多种原因的共同作用下，使得设备的时钟往往是不精确的，随着时间的推移，这些时钟的误差就会慢慢的积累，时间同步的问题就会变得明显。

近几年来，研究者们提出了许多时间同步协议，在这个领域的研究成果可谓颇为丰硕。其中一个就是IEEE1588时间同步协议。IEEE1588协议标准的全称是《网络测量和控制系统的精确时间同步协议》(Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System) 。最早是在2002年，由安捷伦实验室的研究员提出了IEEE1588协议原型，并对协议的初步定稿做出了巨大的贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被业界誉为IEEE 1588协议的专家。其著作论文对IEEE1588作了全面而准确的分析，对协议的推广起到了巨大的推动作用。IEEE1588协议在得到IEEE仪器和测量委员会的支持后，于2002年11月正式成为IEEE1588第一版标准协议。就在第一版协议问世以后，该协议得到了计算机通信，工业自动化，测量与控制等诸多领域的研究人员的推广。在2008年IEEE标准委员会发布了第二版更加完善的IEEE1588协议标准。IEC已经将IEEE1588协议纳入IEC61588-2004标准，被众多以太网现场总线公司所采用。业界对IEEE1588协议的重视，使得该协议在近几年来迅速普及。IEEE1588时间同步协议定义了一种精确度非常高的时间同步协议PTP(Precision Time Protocol)用于各种分布式网络、以太网以及工业自动化网络中的设备之间的时间同步。IEEE1588协议的实现只需在网络传输报文中添加特定的时间报文即可。该协议具有占用的网络资源少，结构简单易于实现等优点。在推出不久之后，就很快获得了各大网络设备提供商的广泛支持和采用。因此IEEE1588时间同步协议将成为今后主流的时间同步协议规范，有着相当广阔的应用前景。

1.3 国内外研究现状

进入上世纪八十年代之后，伴随着计算机网络技术的普及和发展，在网络时钟同步方面的研究取得了比较大的进展。1981年有人提出了因特网时钟协议(Internet Clock Protocol, RFC778 )，这是最早在网络上提出的时钟同步技术。接下来就是1983年提出的时间协议(Time Protocol, RFC868 )。该协议可以同步精确到1秒。除此之外，还出现了诸如Daytime协议和IP时间戳选项协议等网络时钟同步技术。

1988年提出的网络时间协议NTP(Network Time Protocol, RFC1059)在上述网络时钟同步技术上有了很大的提高。在广域网内使用NTP协议同步网络中的时钟节点可以达到几十毫秒的精度，而在局域网内同步精度甚至可以高达0.1ms。在1996年，发布了网络时间协议的简洁版本一一简单网络时间协议SNTP第4版(RFC2030),它适用于时间精度要求低于NTP的时钟同步网终端。