IEEE 1588协议的基本原理是主从时钟之间周期性交换带有时间戳的报文，从时钟根据时间戳信息计算出路径时延以及主从相位差，进而校正从设备时间，具体的一次时间同步过程如图1所示。

图  1  PTP同步过程

Figure 1.  Synchronization Process of PTP

IEEE 1588定义了4种报文格式，分别是同步信息报文(Sync)、跟随报文(FollowUp)、延迟请求报文(DelayReq)、延迟响应报文(DelayResq)。PTP协议主时钟节点和从时钟节点的同步过程主要包括两个阶段：计算主从时钟偏差阶段和计算线路时延阶段。时钟偏差即主从时钟节点的时钟偏差，由于受到网络延迟，时钟自身型号以及数据报文的递交延迟的影响，一次传送同步报文而计算的时钟偏差并不准确，还必须计算线路延迟加以修正^[4]。

Sync是主时钟定时发送的周期性报文，包含此报文的时间戳，其发送间隔一般为2 s,间隔太短会使网络负担严重，间隔太长又影响同步精度。首先主时钟向从时钟发送含有准确时间戳信息的Sync报文。由于时间发送的精确时间不可能与预计的时间完全相同，所以PTP中定义了FollowUp报文来解决该问题。FollowUp报文中包含了Sync报文实际发送的精确时间T_m1。

从时钟收到Sync报文时记录下当时的精确时间Ts1，从时钟在接收到Sync报文后，会随机延迟一段时间向主时钟发出一个延迟请求报文DelayReq。DelayReq报文类似Sync报文，不过它是由从时钟发出，同时从时钟记录下DelayReq实际发出的精确时间T_s2。主时钟收到DelayReq时记录下接收的精确时间T_m2，并将该精确时间放入DelayResq报文中发回从时钟，至此从时钟便得到了T_m1，T_s1，T_m2，T_s2，四个时间，由这四个时间可以简单地计算出线路延迟D_d和时间偏差T_offset。

设主时钟到从时钟的路径延时为D_d1，从时钟到主时钟的路径延时为D_d2，时间偏移为T_offset则可以得到下列等式：

PTP同步原理假设链路是对称的，即：T_d1＝T_d2，则由上述等式(1)，(2)可以得出时钟偏差T_offset和路径时延T_d。

由以上两个公式可以推出一般通用的时间同步计算公式^[2]：

其中，T_m(k)和T_s(k)分别为第k次同步时主时钟和从时钟分别记录下的时间戳，T_offset(k)为第k次同步时从时钟计算出的与主时钟的偏移，设Ts为第k次同步之前的从时钟本地时间，则第k次同步之后的从时钟精确时间为T_s(ture)＝T_s＋T_offset(k)到此即完成了本次主从时钟同步。

目前在电力行业，IEEE 1588在SDH通道内传输已得到广泛的应用^[5]，且由于所有时间戳均在物理层获得，所以网络协议栈处理延时对精度不产生影响。传输网络中路径延迟包括主时钟和交换机之间的链路延时，交换机内部延时，交换机和从时钟之间的链路延时，以及传输链路的倒换尤其传输链路的通道切换对链路的影响较大^[6]，而这种链路的变化不确定性必然导致主从时钟之间链路的不对称性。从1588同步原理可以看出，这种同步机制的前提是路径必须对称，即报文的传输时延Delay在不同方向上是相同的。

在这种前提下计算的时间偏移必然是不可靠的，因为在实际的传输链路中这种对称性前提很难保证。为了保证链路的对称性，在1588v2不对称补偿方案探讨中卢灵宣提出逐点补偿的方案^[3]，在基于1588协议的精确时间同步算法改进一文中李学桥等提出对同步延时进行加权修正的方法^[2]。但大多数文章所提供的方法均未在实际的现网中进行测试运行观察，缺少一定的说服力。

本改进算法在主从时钟出现偏差时进行先判断后补偿的大致思路展开的，根据1588原理(如图2)有如下公式：

图  2  1588原理

Figure 2.  Prinple of 1588

其中(t为主从时钟之间时间差，T_d1为从钟接收报文是的路径延迟，T_d2为从钟发送报文到主钟是路径延迟，理想状态下T_d1＝T_d2，即路径对称，但在实际E1的通道上，T_d1通常不等于T_d1。)

在初始化期间路径不改变情况下假设主从同步：

即t＝0，则T_d1＝T₂-T₁，T_d2＝T₄-T₃

此时的路径不对称性：

再做不对称性补偿时可使用T_D/2在通信的过程中，当未发生相位改变和路径切换的情况下，四个时间戳(T₁—T₄)之间的差值会进入相对稳定状态。

当稳定状态发生变化时(通常情况下主时钟的相位抖动小于100 ns，加上通道传输时间抖动，目前设置T_d1或T_d2变化超过100 ns时即认为出现了状态变化，同时当未出现变化值超过100 ns时也会隔一段的时间进行一次状态判断)，造成改变的原因有以下三种情况：

(1)路径未改变，发生相位改变。

由式(6)和式(7)得，

假设相位改变T，，，，为改变后的时间戳

由式(10)-式(8)，式(11)-式(9)可得，

通过式(12)，式(13)(即前后两次时间戳改变值T_D1和T_D2的改变值刚好抵消)判断出只发生了相位改变的状态，这种状态若做时间检测设备时不做不对称性T_D的重新计算，若做时钟准确授时设备则要进行相应的补偿。

(2)主钟相位不变，只发生路径切换。

当路径发生切换时，路径的不对称性会发生改变，但用(1)做判断时未出现式(12)，式(13)所列改变值相等状态时，则通常认为发生路径切换，这时通过T_d1和T_d2的改变值重新计算不对称性T_D。路径不对称性的重新计算是在时间戳稳定时，比较状态改变前和改变后的稳定数据进行的计算，变化的过程中不计算。

(3)相位和路径同时改变。

这种状态比较复杂，通常认为主钟发生相位变化的情况较少，或相位变化一般比较缓慢，相位的变化量相对于路径变化量来说影响较小，这种情况直接用第二种状态等效。

依托广州市供电局时间同步测试试点项目，在时间监测设备终端实现。在广州市供电局通信机房进行试点测试时间监测设备，机房摆放两台时间监测设备(一台站端监测设备，一台中心站监测设备)，站端监测设备输出PTP(IEEE 1588)OVER E1信号，通过SDH传输网络的E1支路信号环回中心端监测设备，在此过程中验证传输准确性，可靠性和稳定性(测试拓扑图如图4)。

图  4  测试拓扑图

Figure 4.  Testing Topology

图5为统计一段时间内四个时间戳数值前后分析计算的时间偏移表，其中横坐标为统计时间以秒为单位，纵坐标为时间偏移值以纳秒为单位。

图  5  改进前后时间数据偏移表

Figure 5.  Time Data Offset Table Before and After Improving

通过对比可以很明显的看出算法改进后的偏移量明显减少且趋于稳定的控制在100 ns以内。

本文在深入研究IEEE 1588同步原理的基础上，分析了通信路径不对称对同步精度的影响并提出了一种先判断后补偿的算法。通过验证，可以很明显的看出算法改进后的偏移量明显减少且趋于稳定的控制在100 ns以内，表明该算法有效地降低了通讯路径不对称对时钟同步精度的影响，进一步提高了IEEE 1588同步系统的同步精度，同时也为解决链路不对称这一问题提出一个方向。