PTP v2.0 — протокол точной синхронизации для промышленных сетей

Традиционные промышленные сети создаются с помощью проприетарных специфических сетевых технологий связи между автоматами и компьютерами заводских цехов. Сетевая технология, разработанная поставщиком, как правило, имеет проблемы совместимости при работе с оборудованием других поставщиков, что приводит к удорожанию продукции. Однако последние 20 лет повсеместно стала использоваться технология Ethernet, позволяющая объединить производственное оборудование в сеть. Открытый стандарт Ethernet получил широкое распространение благодаря беспрецедентно большому росту офисных сетей в 1980–1990-х гг. Масштабируемость и зрелость Ethernet-решений обеспечили появление промышленных стандартов, их совместимость с оборудованием разных поставщиков, широкую поддержку со стороны разработчиков, низкую стоимость устройств и меньшую стоимость владения системой.
В настоящее время технология Ethernet-сетей характеризуется высокой масштабируемостью и реализуемостью. Однако у нее имеется один серьезный недостаток. Для обеспечения высокого коэффициента загруженности каналов связи и оборудования с целью снижения стоимости его эксплуатации применяется асинхронный метод Ethernet-связи, или передача данных по принципу «наилучшей попытки» (best effort). Однако, как уже было сказано, основное требование к промышленным сетям заключается в распределении точного времени по всем узлам.
Одной из трудностей при использовании Ethernet-технологии для синхронизации оборудования на производстве является разработка механизма точного распределения сигнала синхронизации в непредсказуемых асинхронных сетях.
Метод точного распределения синхросигнала под названием PTP (Precision Timing Protocol — протокол точной синхронизации), или IEEE 1588, мы и обсудим. Этот протокол определяет процедуру, позволяющую пространственно-распределенным часам реального времени синхронизоваться через пакетно-совместимые сети, в т.ч. Ethernet.
До появления Ethernet в промышленных сетях использовался механизм синхронной связи или специализированная сеть для распределения сигнала синхронизации по всем устройствам. Оба механизма требуют от выделенных ресурсов установить связь между двумя узлами, что уменьшает коэффициент загруженности и снижает масштабируемость системы и, следовательно, ведет к увеличению расходов.
На рисунке 1 иллюстрируется суть проблемы распределения синхросигнала в асинхронных Ethernet-сетях.

Рис. 1. Распределение синхросигнала по сети

Почти все современные автоматы, датчики, исполнительные механизмы и компьютеры оснащены локальными цифровыми часами. Однако показания этих часов, построенных на основе кварцевых генераторов, со временем становятся менее точными из-за изменения условий внешней среды (температура и влажность) и старения кристалла. По этой причине локальные часы необходимо периодически синхронизировать с очень точным генератором опорных тактовых импульсов.
Этим генератором является либо GPS-приемник, либо рубидиевые или цезиевые часы. Поскольку скорость передачи данных между узлами со временем растет экспоненциально, для определения последовательности событий в сети необходимо использовать очень точные часы.
На рисунке 2 иллюстрируется представление о точности и погрешности синхронизации.
По мере увеличения скорости передачи данных по сетям время между последовательными событиями уменьшается. В прошлом от часов промышленных сетей требовалась погрешность порядка миллисекунд, однако теперь этот показатель достиг микро- и даже наносекунд (см. рис. 3).

Рис. 2. Определение точности и погрешности синхронизации

Рис. 3. Погрешность синхронизации уменьшается экспоненциально

В таблице 1 перечислены требования к погрешности для разных типов сетей. Для офисных сетей (ЛВС) погрешность локальных часов составляет 1–10 мс. Ее обеспечивает протокол NTP (Network Timing Protocol — сетевой протокол синхронизации внутренних часов), используемый в операционных системах (Windows и Linux) и локальных вычислительных сетях для соединения офисных устройств. Локальные часы автоматов в традиционных промышленных сетях требуют, чтобы погрешность главного тактового генератора находилась в диапазоне 1–10 мкс. В этих сетях используются раздельные кабели для распределения опорного времени и синхронизации локальных часов. В новых промышленных Ethernet-сетях с высокими скоростями передачи данных погрешность уменьшилась до наносекунд. Для реализации такого показателя в Ethernet-сетях, где данные передаются по принципу «наилучшей попытки», протокол PTP v2.0 использует алгоритмы временной маркировки и синхронизации в оборудовании, расположенном как можно ближе к сетевому интерфейсу.

Назначение протокола PTP состоит в такой синхронизации локальных часов сетевых устройств, которая не требует отдельной и дорогостоящей сети синхронизации. PTP позволяет локальным узлам сотрудничать друг с другом (путем обмена сообщениями) для обнаружения главного тактового генератора и последующей синхронизации. Поскольку РТР работает в пакетных сетях с изменяющимися временами задержки в коммутаторах, маршрутизаторах и операционных системах, он задает приоритеты или создает резервные очереди для пакетов с данными о синхронизации. Для устранения задержек, вносимых операционными системами и серверами, обработка протокола выполняется с помощью ПЛИС или ASSP (стандартной части специализированной ИС), а на пакетах синхронизации ставятся временные отметки с помощью аппаратных средств.

Рис. 4. Механизм определения временного сдвига между ведущим и ведомым устройствами

Уникальная черта протокола РТР заключается в алгоритмах обмена сообщениями, позволяющих часам ведомых устройств рассчитывать временной сдвиг и задержку при передаче данных от главного тактового генератора. На рисунке 4 показан обмен сообщениями для определения временного сдвига (Clock Offset) и задержек (Transmission Delays) при передаче тактового сигнала. Поскольку каждое ведомое устройство должно рассчитать две переменные — значения сдвига и задержки — ведущее и ведомое устройства обмениваются двумя наборами сообщений. Первое циркулярное сообщение отправляется главным тактовым генератором через строго соблюдаемые интервалы времени (как правило, через 1 с) всем ведомым устройства с использованием пакетов временной синхронизации. Второе сообщение отправляется каждым ведомым устройством главному тактовому генератору для определения задержки при передаче сигнала. Величины временного сдвига и задержки устанавливаются с помощью двух линейных уравнений (см. рис. 4).

Реализация протоколов РТР требует захвата и маркировки пакетов временными метками, как только они поступают на платы сетевого интерфейса NIC (Network Interface Cards). Погрешность распределенных тактовых сигналов составит несколько десятков наносекунд, если разные этапы синхронизации выполняются в устройствах с минимальным разбросом. ПЛИС с параллельно-последовательными преобразователями SerDes, например семейства LatticeECP3, обеспечивают эффективную реализацию протокола РТР за счет высокоскоростных интерфейсов SerDes, позволяющих быстро захватывать пакеты с временными метками.
Гибкая и точная схема фазовой синхронизации (PLL) легко настраивается в соответствии с требованиями системы, а блок FIFO для хранения пакетов синхронизации реализуется в структуре ПЛИС по соседству с высокоскоростными блоками I/O. Встроенные в ПЛИС аппаратные или программные процессоры также используются для реализации протокола РТР, что позволяет ПЛИС разгружать функции обработки протокола РТР, возложенные на центральный процессор системы. Более того, в гибких платформах ПЛИС протоколы РТР легко обновляются.

Быстрое внедрение Ethernet-сетей в промышленное производство требует метода точной синхронизации для согласованной работы сетевых устройств. С этой целью был создан протокол Precision Timing Protocol (IEEE 1588). Программная реализация этого протокола обеспечивает погрешность в несколько микросекунд, а аппаратный метод с алгоритмом временной маркировки и синхронизации (PTP v2.0) позволяет добиться лучшей погрешности — порядка наносекунд. По мере увеличения скоростей передачи данных требования к погрешности становятся намного жестче, что значительно повышает роль этого протокола в организации промышленных Ethernet-сетей.