Giao thức PTP

- Tin tức
Giao thức PTP
1. Giao thức PTP Tiêu chuẩn IEEE 1588-20086 quy định phiên bản PTP thứ hai, nó cũng được gọi là "PTPv2" hoặc “1588v2”. Phiên bản  này có khả năng đồng bộ thời gian với độ chính xác cao bằng việc sử dụng phần cứng Ethernet chuyên dụng để ghi lại thời gian chính xác một bản tin đồng bộ PTP được nhận tại các card Ethernet. Thông tin này có thể bù đắp cho độ không đảm bảo được gây ra bởi các hệ điều hành và quá trình xử lý theo thời gian thực của  cả đồng hồ chủ và các thiết bị nhận đồng bộ. Công nghệ gán nhãn thời gian dùng phần cứng không làm ảnh hưởng đến hoạt động của các giao thức khác chạy trên mạng Ethernet, như vậy cùng một cổng có thể được sử dụng cho IEC 61850, DNP3, IEC 60870-5-104, Modbus / IP và các giao thức tự động hóa khác ở trạm biến áp. Việc thêm phần cứng cho PTP sẽ làm tăng lên một chút chi phí đối với các thiết bị chuyển mạch Ethernet. Những hỗ trợ cho PTP chỉ có ở thế hệ mới nhất của các rơle bảo vệ hoặc có thể là một tùy chọn được quy định tại thời điểm đặt hàng (tùy thuộc vào nhà cung cấp).

Giao thức PTP hỗ trợ nhiều đồng hồ chủ nhưng các đồng hồ chủ đó sẽ tự chọn ra một đồng hồ cấp đồng bộ chính "grandmaster". Nếu grandmaster bị lỗi hoặc bị suy giảm chất lượng thì một trong các đồng hồ chủ khác trên mạng sẽ được thay thế để làm grandmaster nếu nó có độ chính xác tốt hơn. Thời gian cần thiết cho việc thay đổi grandmaster này không cố định, tuy nhiên nếu các thiết lập PTP (thường biết đến là các Profile) được tối ưu hóa cho lĩnh vực điện thì thời gian để chuyển đổi này thường nhỏ hơn 5 giây.

Giao thức thời gian chính xác PTP rất linh hoạt có thể dùng cho nhiều ứng dụng đồng bộ thời gian, với độ chính xác đạt được là 10 ns qua các thiết bị mạng hiện có.
Độ chính xác cao hơn nữa vẫn có thể đạt được với PTPv2 bằng việc dùng một loại switch Ethernet chuyên hỗ trợ PTP gọi là "TC-transparent clock". Các thiết bị TC đo được "thời gian lưu trú" của các bản tin đồng bộ. Đây là khoảng thời gian để một khung Ethernet truyền qua switch, nó sẽ thay đổi theo lưu lượng tải và chuyển thông tin về thời gian lưu trú đó tới các thiết bị tiếp nhận đồng bộ. Việc này bù cho độ trễ của Switch do lưu lượng truy cập mạng khác và cải thiện đáng kể hiệu suất của PTP khi một mạng Ethernet chia sẻ được sử dụng. Việc sử dụng TC nhằm đơn giản hóa việc thiết kế mạng, không cần thiết lập mức ưu tiên cao cho PTP so với các  lưu lượng khác .

2. Thuật ngữ liên quan tới PTP

Tiêu chuẩn IEEE 1588-2008 định nghĩa một số thuật ngữ sử dụng cho các hệ thống đồng bộ thời gian PTP. Các thuật ngữ chính gồm:

•    Đồng hồ grandmaster : đồng hồ grandmaster là nguồn thời gian tham chiếu chính cho việc đồng bộ PTP, nó thường tích hợp một bộ thu GPS (hoặc hệ thống vệ tinh khác) ở bên trong thiết bị.
•    Đồng hồ master: là đồng hồ cấp ra tín hiệu đồng bộ  thời gian làm tham chiếu cho các đồng hồ khác.
•    Đồng hồ slave: là thiết bị nhận PTP, nó có thể là một rơle bảo vệ có hỗ trợ sẵn giao thức PTP hoặc một thiết bị biên dịch nó sẽ tạo ra các tín hiệu thời gian truyền thống IRIG-B hoặc 1-PPS.
•    Đồng hồ transparent: là thiết bị Switch Ethernet đo được thời gian bản tin PTP vượt qua thiết bị  và cung cấp thông tin đó tới các đồng hồ nhận bản tin PTP.
•    Đồng hồ boundary: là một đồng hồ có nhiều cổng PTP có thể dùng như một nguồn cấp đồng bộ thời gian, tức là thiết bị gồm một đồng hồ slave cho kết nối đầu vào và một đồng hồ master cho các kết nối cổng ra.

Trong một mạng đồng bộ thời gian cần ít nhất có một đồng hồ grandmaster và một đồng hồ slave, tuy nhiên trong tất cả trường hợp dù nhỏ nhất thì vẫn cần tới các thiết bị Switch Ethernet. Các Switch Ethernet trong mạng truyền PTP nhìn chung đống vai trò là các TC, coi như là cấu hình căn bản nhất. Tuy nhiên nhiều thiết bị chuyển mạch Ethernet có thể hỗ trợ bản tin PTP hoạt động như các đồng hồ boundary, nó tùy thuộc vào hãng sản xuất và model. Hình 5 minh họa một mạng thời gian đồng bộ PTP với nhiều loại thiết bị. Đồng hồ grandmaster trong ví dụ này có thể sử dụng nguồn PTP dự phòng từ mạng WAN trong trường hợp GPS bị lỗi (khi đó nó trở thành đồng hồ boundary). Hai loại đồng hồ slave được sử dụng gồm: rơ le bảo vệ đã hỗ trợ bản tin PTP và các thiết bị truyền tải không hỗ trợ PTP mà sử dụng tín hiệu IRIG-B và 1-PPS.

Giao thức PTP
Hình 5:  Mạng đồng bộ thời gian dùng giao thức PTP với Đồng hồ master, đồng hồ transparent/ Ethernet Switch và các loại đồng hồ slave.

3. Các loại bản tin PTP  

Đồng bộ PTP trong hệ thống điện sử dụng bốn loại bản tin để thực hiện đồng bộ thời gian, bao gồm:

3.1.    Sync messages. Bản tin này mang giá trị thời gian từ đồng hồ master theo định dạng giây và nano giây tính từ nửa đêm ngày 01/01/1970.
3.2.    Peer Delay messages. Đây là những trao đổi giữa các thiết bị PTP gần nhau để ước lượng độ trễ truyền trên mỗi đường truyền khác nhau giữa các thiết bị. Cơ chế của bản tin Peer Delay là sử dụng hai hoặc ba bản tin riêng biệt để so sánh độ trễ truyền, phụ thuộc vào chế độ hoạt động là một bước clock  (one-step clock) hay hai bước clock (two-step clock).
3.3.    Follow Up messages. Bản tin này mang giá trị thời gian chính xác của bản tin Sync đã gửi đi trước đó, cùng với thông tin điều chỉnh. Thông tin điều chỉnh là tổng thời gian truyền qua các đồng hồ transparent và độ trễ truyền giữa grandmaster và điểm tiếp nhận đó, giá trị thời gian này biểu diễn dưới dạng nano giây và một thập phân của nano giây.
3.4.    Announce messages. Đây là những bản tin thông báo được truyền đi bởi các grandmaster, nó cung cấp chi tiết về độ chính xác thời gian của tham chiếu (ví dụ như bộ thu GPS) và các thông tin khác của giao thức PTP.

Các hình 6, 7 và 8 minh họa cách thức truyền các bản tin trong một mạng nhỏ sử dụng các đồng hồ hai bước clock (two-step clock) thông dụng. Các bản tin Sync được truyền đi không bị thay đổi bởi các TC, ta (như trong hình) là thời gian truyền từ Grandmaster. Các bản tin Announce cũng được xử lý tương tự.

Giao thức PTP
Hình 6:  Sơ đồ biểu diễn sự truyền tải bản tin Sync trong một mạng PTP.

Bản tin Peer Delay (Peer Delay Request, Peer Delay Response and Peer Delay Follow Up) được trao đổi giữa các trạm gần nhau và không được truyền qua đồng hồ Transparent.

Giao thức PTP
Hình 7:  Bản tin Peer Delay được trao đổi qua các liên kết trong mạng và không được truyền đi qua Transparent clock.

Mỗi đồng hồ transparent ghi lại độ trễ truyền của các liên kết giữa nó và các đồng hồ đối chiếu (peer) lân cận, ví dụ một bản tin Sync truyền qua đồng hồ transparent thì đồng hồ này sẽ tính toán giá trị cần hiệu chỉnh qua nó bằng cách thêm vào độ trễ truyền và thời gian lưu trú vào bản tin được gửi đến đồng hồ transparent. Giá trị hiệu chỉnh này sau đó được thêm vào trường hiệu chỉnh của bản tin Follow Up message tương ứng.  Khi bản tin gửi đến đồng hồ slave, nó sẽ thêm độ trễ truyền vào giá trị hiệu chỉnh, giá trị hiệu chỉnh này sẽ là tổng thời gian thực hiện truyền bản tin Sync message từ  đồng hồ Master tới đồng hồ slave.
Vì tổng giá trị độ trễ trên đường truyền là tập hợp các thành phần gây ra trễ trong quá trình đi qua của bản tin sync message nên cơ chế peer-to-peer được sử dụng trong Power Profile là rất nhanh nhạy với những thay đổi cấu trúc mạng.  Một lưu ý quan trọng là bản tin  Follow Up messages có thể giống hệt nhau, chúng sẽ khác biệt tại mỗi điểm trên mạng. Các TC thay đổi nội dung của bản tin này mà chỉ giữ lại địa chỉ nguồn cấp từ Grandmaster.
Trong Hình 8 tb là thời gian thực tế bản tin Sync rời khỏi đồng hồ grandmaster và gần sát, nhưng không giống với ta. Mỗi đồng hồ slave biết khi nó nhận được bản tin Sync, và bằng cách sử dụng các nhãn thời gian và thông tin điều chỉnh chính xác có thể bù sự biến đổi độ trễ mạng.

Giao thức PTP
Hình 8:  Các bản tin Follow Up chứa thông tin được cập nhật bởi các TC trên mạng. Các bản tin Follow Up sẽ khác nhau trên toàn mạng, phản ánh sự khác biệt về độ trễ mạng tới mỗi nút.

 


Đánh giá - Bình luận
Nhấn vào đây để đánh giá
Sản phẩm liên quan
0.02972 sec| 2116.297 kb