IEEE 1588 प्रिसिजन टाइम प्रोटोकॉल (PTP)

प्रसिद्ध नेटवर्क टाइम प्रोटोकॉल (NTP) के बारे में कई लेख लिखे गए हैं, जिनमें से कुछ सटीक समय प्रोटोकॉल का उल्लेख करते हैं, जो माना जाता है कि आप नैनोसेकंड के क्रम के सटीक समय सिंक्रनाइज़ेशन को प्राप्त करने की अनुमति देते हैं (उदाहरण के लिए, यहां और यहां )। आइए देखें कि यह प्रोटोकॉल क्या है और यह सटीकता कैसे प्राप्त की जाती है। और इस प्रोटोकॉल के साथ मेरे काम के परिणाम भी देखें।

परिचय

"सटीक समय प्रोटोकॉल" IEEE 1588 मानक द्वारा वर्णित है। मानक के 2 संस्करण हैं। पहला संस्करण 2002 में जारी किया गया था, फिर 2008 में मानक को संशोधित किया गया था और PTPv2 प्रोटोकॉल जारी किया गया था। पिछड़ेपन को बनाए नहीं रखा गया है।
मैं प्रोटोकॉल के दूसरे संस्करण के साथ काम करता हूं, इसमें पहले (सटीकता, स्थिरता) की तुलना में कई सुधार हैं, जैसा कि विकी हमें बताता है)। मैं NTP के साथ तुलना नहीं करूँगा, बस तुल्यकालन की सटीकता का उल्लेख कर रहा हूँ, और PTP की सटीकता "लोहे" समर्थन के साथ वास्तव में दसियों नैनो तक पहुँचती है, जो NTP पर एक लाभ का संकेत देती है।
विभिन्न उपकरणों में प्रोटोकॉल के लिए लोहे का समर्थन अलग-अलग तरीकों से लागू किया जा सकता है। वास्तव में, PTP के कार्यान्वयन के लिए आवश्यक न्यूनतम पोर्ट पर संदेश प्राप्त होने के समय के लिए समय की मुहर लगाने के लिए हार्डवेयर की क्षमता है। त्रुटि की गणना करने के लिए मुद्रांकित समय का उपयोग किया जाएगा।

घड़ी क्यों परेशान है?

त्रुटियां हर जगह से दिखाई दे सकती हैं। के साथ शुरू करने के लिए, उपकरणों में आवृत्ति जनरेटर अलग हैं और बहुत कम संभावना है कि दो अलग-अलग डिवाइस पूरी तरह से चातुर्य में काम करेंगे। यहां आप लगातार बदलती पर्यावरणीय स्थितियों को बता सकते हैं जो उत्पन्न आवृत्ति को प्रभावित करती हैं।

हम क्या हासिल करने की कोशिश कर रहे हैं?

मान लें कि हमारे पास एक उपकरण है जो आदर्श परिस्थितियों में काम करता है, कुछ प्रकार की परमाणु घड़ी जो दुनिया के अंत तक नहीं जाती है (निश्चित रूप से, एक वास्तविक के लिए, और मय कैलेंडर द्वारा इरादा नहीं है) और कार्य कम से कम लगभग (10 तक) प्राप्त करना है ^-9 सेकंड) वही घंटे। हमें इस घड़ी को सिंक्रनाइज़ करने की आवश्यकता है। ऐसा करने के लिए, आप PTP प्रोटोकॉल को लागू कर सकते हैं।

"लोहा समर्थन" के साथ विशुद्ध रूप से सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन और कार्यान्वयन के बीच का अंतर

एक विशुद्ध रूप से सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन वादा किए गए सटीकता को प्राप्त नहीं करेगा। किसी संदेश के प्राप्त होने के समय से (या बल्कि, डिवाइस में एक संदेश प्राप्त करने के लिए एक संकेत) रुकावट के लिए रुकावट प्रवेश बिंदु या कॉलबैक को सख्ती से निर्धारित नहीं किया जा सकता है। पीटीपी समर्थन वाली स्मार्ट ग्रंथियां इन टाइमस्टैम्प्स को अपने दम पर रख सकती हैं (उदाहरण के लिए, मिकरल से चिप्स , मैं KSZ8463MLI के लिए ड्राइवर लिख रही हूं)।
टाइमस्टैम्प के अलावा, क्रिस्टल थरथरानवाला को समायोजित करने की क्षमता (मास्टर के साथ आवृत्ति को संरेखित करने के लिए), या घड़ी को समायोजित करने की क्षमता (हर बार एक्स एन एस द्वारा घड़ी के मूल्य में वृद्धि) को भी "लोहा" समर्थन के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसके बारे में नीचे।

आइईई 1588 मानक पर चलते हैं

मानक पहले से ही 289 पृष्ठों पर वर्णित है। प्रोटोकॉल को लागू करने के लिए आवश्यक न्यूनतम पर विचार करें। PTP एक क्लाइंट-सर्वर सिंक्रोनाइज़ेशन प्रोटोकॉल है, अर्थात प्रोटोकॉल कार्यान्वयन के लिए कम से कम 2 उपकरणों की आवश्यकता होती है। तो, मास्टर डिवाइस एक परमाणु घड़ी है, और स्लेव डिवाइस एक घड़ी है जिसे बिल्कुल काम करने के लिए बनाया जाना चाहिए।

विनिमय की भाषा

संदेश की घोषणा करें - एक घोषणा संदेश जिसमें विज़ार्ड द्वारा सभी दास उपकरणों को भेजी गई जानकारी शामिल है। इस संदेश का उपयोग करते हुए, दास डिवाइस सर्वश्रेष्ठ मास्टर का चयन कर सकता है (इसके लिए BMC (सर्वश्रेष्ठ मास्टर घड़ी) है) एल्गोरिथ्म। बीएमसी इतना दिलचस्प नहीं है। यह एल्गोरिदम आसानी से मानक में पाया जा सकता है। चुनाव ऐसे संदेश क्षेत्रों पर किया जाता है जैसे सटीकता, भिन्नता, वर्ग, प्राथमिकता, आदि। अन्य पदों पर चलते हैं।

मास्टर द्वारा भेजे गए सिंक / फॉलो अप, डिलीयर, पीडीएलेरकेस / पीडीएलएफ़ॉलोअप - नीचे हम उन्हें और अधिक विस्तार से विचार करेंगे।

DelayReq, PDelayReq - दास उपकरणों के लिए अनुरोध।

जैसा कि आप देख सकते हैं, स्लेव डिवाइस क्रिया नहीं है, मास्टर लगभग सभी जानकारी स्वयं प्रदान करता है। मल्टीकास्ट पर भेजा जा रहा है (यदि वांछित है, तो आप यूनिकस्ट मोड का उपयोग कर सकते हैं) पते जो मानक में कड़ाई से परिभाषित किए गए हैं। पीडीएले संदेशों के लिए एक अलग पता है (ईथरनेट के लिए 01-80-C2-00-00-0E और UDP के लिए 224.0.0.107)। शेष संदेश 01-1B-19-00-00-00 या 224.0.1.129 को भेजे गए हैं। क्लॉकडाइंडिटी (क्लॉक आइडेंटिफ़ायर) और सीक्वेंसआईड (पैकेट आइडेंटिफ़ायर) फील्ड में पैकेज अलग-अलग होते हैं।

कार्य सत्र

मान लीजिए कि बीएमसी एल्गोरिथ्म का उपयोग करके मास्टर का चयन किया गया था, या मास्टर नेटवर्क पर एकमात्र है। चित्र मुख्य डिवाइस की संचार प्रक्रिया और सिंक्रनाइज़ एक दिखाता है।

1. यह सब इस तथ्य से शुरू होता है कि मास्टर एक सिंक संदेश भेजता है और साथ ही भेजने का समय t1 रिकॉर्ड करता है। ऑपरेशन के एक- और दो-चरण मोड हैं। उन्हें अलग करना बहुत आसान है: यदि फॉलोअप संदेश मौजूद है , तो हम एक दो-चरण कार्यान्वयन के साथ काम कर रहे हैं, बिंदीदार तीर वैकल्पिक संदेश दिखाता है
2. FollowUp संदेश सिंक के बाद भेजा जाता है और इसमें समय t1 होता है। यदि ट्रांसमिशन एक चरण में किया जाता है, तो संदेश शरीर में सिंक में t1 होता है। किसी भी स्थिति में, टी 1 हमारे डिवाइस द्वारा प्राप्त किया जाएगा। जब स्लेव पर सिंक संदेश प्राप्त होता है, तो टाइम स्टैंप टी 2 उत्पन्न होता है। इस प्रकार हम टी 1, टी 2 प्राप्त करते हैं
3. गुलाम t3 पीढ़ी के साथ एक साथ एक DelayReq संदेश उत्पन्न करता है
4. T4 जनरेट करते समय मास्टर एक DelayReq संदेश प्राप्त करता है
5. t4 DelayResp संदेश में साल्वे डिवाइस को भेजा गया

^{ऑनलाइन संदेश}

ऐसे विनिमय सत्र की सहायता से, जो ऊपर दिखाया गया है, केवल तभी सफलता प्राप्त करना संभव है जब क्वार्ट्ज सिंक्रनाइज़ उपकरणों के लिए पूरी तरह से समान आवृत्तियों को उत्पन्न करता है। वास्तव में, यह पता चला है कि घड़ी की आवृत्ति अलग है, अर्थात। एक डिवाइस पर, 1 सेकंड में, घड़ी 1 सेकंड बढ़ जाएगी, और दूसरे पर, उदाहरण के लिए, 1.000001 सेकंड तक। यहाँ से घंटों का चक्कर आता है।
मानक एक निश्चित अंतराल के लिए मास्टर और दास पर गुजरे समय के अनुपात की गणना करने के उदाहरण का वर्णन करता है। यह अनुपात डिवाइस की स्लेव आवृत्ति के लिए गुणांक होगा। लेकिन एक ही समय में एक संकेत है कि समायोजन विभिन्न तरीकों से किया जा सकता है। उनमें से दो पर विचार करें:

1. स्लेव डिवाइस की घड़ी आवृत्ति बदलें (मानक में उदाहरण)
2. घड़ी की आवृत्ति में परिवर्तन न करें, लेकिन अवधि के प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए, घड़ी का मूल्य T से नहीं, बल्कि T + myt (मेरे कार्यान्वयन में प्रयुक्त) से बढ़ेगा।

दोनों विधियों में, आपको एक निश्चित अंतराल के लिए मास्टर डिवाइस पर समय मूल्यों में अंतर की गणना करने की आवश्यकता होगी, साथ ही साथ समय अंतर, दास डिवाइस पर समान अंतराल के लिए। पहली विधि में गुणांक:

दूसरी विधि में ∆t की गणना की आवश्यकता होती है। ∆t वह मान है जो प्रत्येक परिभाषित अंतराल के लिए समय मान के साथ जोड़ा जाएगा। आप आंकड़े में देख सकते हैं कि जब मास्टर पर 15५ - १५ = on सेकंड बीत चुके थे, 87५+ (75-- )५) / २ - (३०+ (३ 30-३०) / २) = ४.5.५ दास पर उत्तीर्ण हुए



आवृत्ति - प्रोसेसर आवृत्ति, उदाहरण के लिए, 25 मेगाहर्ट्ज - प्रोसेसर चक्र 1 / (25 * 10 ⁶ ) = 40ns तक रहता है।
डिवाइस की क्षमताओं के आधार पर, सबसे उपयुक्त विधि का चयन किया जाता है।
अगले भाग पर जाने के लिए, आइए ऑफसेट को थोड़ा अलग ढंग से व्यक्त करें:

PTP मोड्स

मानक को देखते हुए, आप डिलीवरी समय की गणना करने का एकमात्र तरीका नहीं ढूंढ सकते हैं। PTPv2 ऑपरेशन के 2 मोड हैं। यह E2E (एंड-टू-एंड) है , ऊपर चर्चा की गई थी, पी 2 पी (पीयर-टू-पीयर) मोड का भी वर्णन किया गया है। आइए देखें कि आवेदन करने का तरीका कहां है और उनका अंतर क्या है।
सिद्धांत रूप में, आप वांछित के रूप में किसी भी मोड का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन उन्हें एक नेटवर्क में संयोजित नहीं किया जा सकता है।

• E2E मोड में, डिलीवरी के समय की गणना कई उपकरणों के माध्यम से प्राप्त संदेशों के अनुसार की जाती है, जिनमें से प्रत्येक सुधार क्षेत्र में सिंक या फॉलोअप संदेश (यदि दो- चरणीय ट्रांसमिशन) डालता है, तो इस उपकरण पर पैकेट में देरी का समय (यदि डिवाइस सीधे जुड़ा हुआ है, तो सुधार लागू नहीं होता है, इसलिए) हम उन पर विस्तार से विचार नहीं करेंगे)। उपयोग किए गए संदेश: सिंक / फॉलोअप, DelayReq / DelayResp
• पी 2 पी मोड में, न केवल पैकेट को देरी से सुधार क्षेत्र में प्रवेश किया जाता है, (t2-t1) को इसमें जोड़ा जाता है (मानक में पढ़ा जा सकता है)। सिंक / फॉलोअप, PDelayReq / PDelayResp / PDelayRespFollowUp संदेशों का उपयोग करता है

मानक के अनुसार, जिन घंटों के माध्यम से पीटीपी संदेश सुधार क्षेत्र के साथ चलते हैं उन्हें ट्रांसपेरेंट क्लॉक (टीसी) कहा जाता है। आइए आंकड़ों में देखें कि इन दो तरीकों में संदेश कैसे प्रेषित किए जाते हैं। नीले तीर सिंक और फॉलोअप संदेशों को दर्शाते हैं।

<sup>एंड-टू-एंड मोड

पीयर-टू-पीयर मोड</sup>
हम देखते हैं कि पी 2 पी मोड में कुछ लाल तीर दिखाई दिए। ये शेष संदेश हैं जिन पर हमने विचार नहीं किया, अर्थात् PDelayReq , PDelayResp और PDelayFollowUp । यहाँ संदेश सत्र है:

डिलीवरी का समय त्रुटि

मानक विभिन्न प्रकार के नेटवर्क में प्रोटोकॉल के कार्यान्वयन का वर्णन करता है। मैंने एक ईथरनेट नेटवर्क का उपयोग किया, और ईथरनेट स्तर पर संदेश प्राप्त किए। ऐसे नेटवर्क में, पैकेट वितरण का समय लगातार बदल रहा है (विशेषकर नैनोसेकंड सटीकता के साथ काम करते समय ध्यान देने योग्य)। इन मूल्यों को फ़िल्टर करने के लिए, विभिन्न फ़िल्टर लागू होते हैं।

आपको फ़िल्टर करने की आवश्यकता है:

1. प्रसव का समय
2. Δt
3. विस्थापन

मेरा ड्राइवर लिनक्स पीटीपीडी डेमन के रूप में उसी फ़िल्टरिंग सिस्टम के बारे में उपयोग करता है, जिसका स्रोत यहां पाया जा सकता है , यहां अभी भी कुछ जानकारी नहीं है । मैं केवल एक आरेख दूंगा:

एलपी IIR (अनंत आवेग प्रतिक्रिया कम पास) फिल्टर (एक असीम आवेग प्रतिक्रिया के साथ फिल्टर), सूत्र से वर्णित है:

, जहां s गुणांक है जो आपको फ़िल्टर कटौती को समायोजित करने की अनुमति देता है।

समायोजन की गणना

चलो समायोजन पर चलते हैं, उस डेल्टा पर, जिसे दूसरे के मूल्य में जोड़ा जाना चाहिए। मेरे सिस्टम में उपयोग की जाने वाली गणना योजना:

मैंने नेटवर्क हस्तक्षेप के कारण ट्यूनिंग के मजबूत घबराने को दूर करने के लिए कलमन फ़िल्टर का उपयोग किया, मुझे यह लेख बहुत पसंद आया। सामान्य तौर पर, आप किसी भी फ़िल्टर का उपयोग कर सकते हैं जो आपको पसंद है, मुख्य बात यह है कि चार्ट को चिकना करना है। PTPd में , उदाहरण के लिए, फ़िल्टरिंग सरल है - वर्तमान और पिछले मानों की औसत गणना की जाती है। ग्राफ़ पर आप मेरे ड्राइवर में कलमन फ़िल्टर के परिणाम देख सकते हैं (ट्यूनिंग त्रुटि दिखाई गई है, जो 25 मेगाहर्ट्ज चिप पर सबानोसकॉन्ड्स में व्यक्त की गई है):

हम समायोजन समायोजन की ओर मुड़ते हैं, समायोजन को निरंतर के लिए प्रयास करना चाहिए, पीआई नियंत्रक का उपयोग किया जाता है। PTPd में , घड़ी ऑफसेट को विनियमित किया जाता है (समायोजन ऑफसेट के अनुसार होता है), लेकिन मैं इसका उपयोग समायोजन (KSZ8463MLI सुविधा) को विनियमित करने के लिए करता हूं। हम देखते हैं कि नियंत्रक पूरी तरह से कॉन्फ़िगर नहीं किया गया है, लेकिन मेरे मामले में ऐसा समायोजन पर्याप्त है:

काम का नतीजा

परिणाम ग्राफ में दिखाया गया है। -50ns से 50ns के भीतर घड़ी ऑफसेट। नतीजतन, मैंने कई लेखों में निर्दिष्ट सटीकता हासिल की है। बेशक, कार्यान्वयन की कई छोटी विशेषताएं पर्दे के पीछे रहीं, लेकिन आवश्यक न्यूनतम प्रदर्शन किया गया।