大白兔每章都黄到爆，“大白兔”：每纳秒都很重要的时候

很多朋友对大白兔每章都黄到爆，“大白兔”：每纳秒都很重要的时候不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在围绕Xilinx FPGA和SoC器件构建的产品中，一种基于以太网的高精度时序解决方案正在进入市场。

电信和信息科学的最新发展正在推动工业时间传递的要求接近科学研究和应用的水平。例如，即将到来的100G以太网和5G移动电信要求时间精度在几纳秒内，而用于配电的智能电网要求亚微秒精度。高频交易(一般指股票交易)的时间戳需要一个可靠的机制来分配从认证机构到业务中心的时间。最后，使用GNSS技术(如GPS或Galileo)的定位服务可以通过高精度同步机制获得优势。

一项名为“白兔”的以太网技术诞生于欧洲核子研究机构CERN，旨在满足这些和其他应用的高精度时间要求。以《爱丽丝仙境奇遇记》中痴迷时间的兔子命名的“白兔”技术基于并兼容PTPv2(IEEE-1588v2)和同步以太网等标准机制，但经过适当修改后可以达到亚纳秒精度。“白兔”不仅可以通过长距离链路进行自校准，还可以将时间分配给大量设备，并且性能下降最小。

我们的分支Seven Solutions SL自2009年创建以来一直在开发“白兔”技术，并一直致力于用Xilinx全可编程解决方案将白兔产品推向市场。我们的最新产品是ZEN(Zynq嵌入式节点)电路板，这是一种定时电路板，旨在保持高精度的参考时钟。它不仅可以为其他节点提供定时信息，还可以在“白兔”网络的框架内同步自身。

因为价格的原因，基于芯片级原子钟等高精度时钟的解决方案过于昂贵，无法大规模采用。时间简史

物理学家一直明白时间的重要性，多年来发明了各种测量时间的方法。从简单的天空扫描技术(太阳规、寻星器)到依赖亚原子世界属性的复杂机制(原子钟)，科学家们一直在孜孜不倦地研发精确的时钟。现有的时钟在3亿年左右不会有一秒的误差，这种精度在很多应用中非常重要，比如维护国家计量实验室的时间刻度。

然而，这些极其精确的时钟非常昂贵、易碎，并且占据大量的物理空间。所以，它们并不适合很多真实的场景。事实上，大多数应用通常依赖于电子产品，其中包含低成本的时钟(晶体振荡器)。只需几美元，我们就可以从大量不同规格的振荡器中进行选择。

对于简单的应用，振荡器的精度就足够了。但在其他许多需要同步通信或全球时间概念才能同步工作的应用领域(分布式仪器)，这些互不连接的“自由运行时钟”是无法使用的。虽然设计师可以通过安装更好的振荡器来部分解决这个问题，但在技术上并不总是可行的。单个时钟仍然不同步，即使很小的频率偏差也会使这种方法无效。

然而，由于价格的原因，基于高精度时钟(如芯片级原子钟或CSAC)的解决方案对于大规模采用来说过于昂贵。在这些情况下，另一种方法是将来自参考时钟的时钟信息(非常稳定，通常很昂贵)分发给网络中需要精确同步的所有其他组件。问题是我们怎样才能做到？时间传输技术

分配时间的方法有很多。请注意，分配频率(包括通过电线发送振荡器信号)不同于分配相位(当事件在网络的所有组件中以极其一致的时刻触发时)。

比如我们可以用同轴电缆或者光纤传输时钟振荡来解决第一个问题(频率分配)。在第二个场景(相位分配)中，我们不仅可以在导线上每秒编码一个脉冲进行传输，还可以以这个脉冲为参考，知道每秒新的开始时间。这种技术通常被称为每秒脉冲(PPS)信号。

此外，还有第三个问题。我们可能还需要提供时间，这不仅是为了让所有的任务同时运行，或者提供相同的关于何时开始计数(相位)的参考，也是为了保证我们在所有的设备中拥有相同的时间。因此，可以通过从中央时间服务器传播时间信息，然后测量消息的传播时间并在每个节点上进行标记来分发时间值。

有了频率、相位(PPS)和时间这三个要素，我们就可以说网络是同步的。

当前的工业解决方案以不同的方式提供这些属性。例如，GPS设备通过提供参考频率(10到50MHz)、PPS信号和串行代码(一般基于NMEA协议)来提供时间。这种方法广泛应用于大量需要精确同步的系统，因为不同的仪器可以很容易地连接到不同的GPS接收机。但是它使用了大量的低电平信号。在电网应用中，这些值是通过一个称为IRIG-B的简单协议提供的，该协议可以提供时间和PPS信息。

在过去，IRIG-B方法已经能够完全满足同步电网的需要。然而今天，它无法处理“智能电网”，因为这种电网变得比以往任何时候都更复杂，而且它还包含需要更高精度的新能源监控应用。

随着分组网络的基本普及，交换网络中使用的机制已经演进并适应于分组网络。在基于精确时间协议(PTPv2或IEEE-1588v2)和同步以太网(SynCE)的解决方案中，SDH/SONET技术也在逐渐发生变化。PTPv2是网络时间协议(NTP)的工业演进版本，是互联网用来同步全网计算机的协议。PTPv2依靠硬件时间戳机制来显著提高时间同步的准确性。

第二种机制SynCE可以实现数据载体上时钟信号的编码。使用这种对用户透明的方法，我们可以向所有设备分发时钟信息和频率。将PTPv2与SynCE配对将有助于我们无缝地将分组网络用于电信。这种组合是电信、电网和自动化应用中最常见的解决方案。请注意，与相位传播和系统可扩展性相关的一些关键问题仍然非常重要，还有待解决。科学应用和高级应用

许多应用需要将参考时钟源信息传播到不同的目的地。科研机构可能是最严格的基础设施，需要高精度的时间分配。从CERN的LHC加速器到CTA、SKA或KM3NeT等大型射电天文分布式设施，这些都需要超高精度的时间和频率分配。

然而，新一代IT和通信应用仍然需要使用当前标准方法无法实现的极高精度时间传输。例如，在GPS应用领域，测量卫星信号的传播时间相当于测量距离，因此定位与时间精度测量密切相关。一般来说，全球导航卫星系统容易出现阻塞或欺骗问题。因此，当用于时间分配时，建议重要的基础设施使用地面替代方案(基于光纤)作为补充冗余机制。“白兔”解决方案

“白兔”()是精确定时以太网的延伸和扩展。它是CERN在2009年构想的一个开放的协作软件和硬件项目，技术行业一直渴望参与其开发。源代码在开放硬件资源库(OHWR)中提供，以鼓励不同的企业和研究机构进行开发。

从一开始，位于西班牙格拉纳达的Seven Solutions()就一直在合作设计各种白兔产品，包括电子产品、固件和门控。此外，公司还可以提供基于该技术的定制解决方案和交钥匙解决方案。图1:大白兔应用总结

“白兔”技术作为以太网的延伸，正在评估加入高精度profile框架下的新一代高精度时间协议标准(IEEE-1588v3)。标准化将有助于“白兔”在未来融入不同的技术，如图1所示。深入介绍“白兔”技术

“白兔”集成了大量机制，可以在以太网扩展框架中优化其定时精度，因此可以保留以太网通信结构。此外，“白兔”还集成了PTP、同步以太网和数字双混频器时差(DMTD)相位跟踪技术。

Seven Solutions提供的新ZEN电路板将展示“大白兔”的主要组件是如何在产品中组合的(图2)。ZEN电路板基于Xilinx Zynq-7000全可编程SoC，包含“白兔”内核和可以提供高精度时钟的千兆以太网MAC实现方案。在“白兔”内核中实现的同步机制包括以下组件：

频率同步(同步):这可以通过使用SynCE来实现，SynCE可以将时钟信号编码在数据载体中。为了确保所有节点使用相同的频率，我们采用了一种基于本地振荡器的机制，它可以由从光链路恢复的外部时钟来控制。

相位同步：节点的物理时钟可以转发到主组件，或者从主组件转发到节点，以便主组件可以将信号的相位(来自从组件)与其自身的相位进行比较。偏差应与信号通过光纤的传播时间相同(PTP用于正确测量)。有了这些信息，主器件可以确定自己的时钟与从器件的时钟之间的相位差，并要求从器件将其相位转换为与主器件相同的值。

这一过程可以通过在FPGA门控制中实现数字DMTD来数字化完成。

时间同步：这是使用PTPv2协议的结果，不仅可以测量链路传播时间，还提供了全局时间的概念。此外，“白兔”还考虑了双向光纤中每次通信传输(环路中的前向和后向)使用不同波长所导致的传播时间的不对称性，从而提高了标准PTP协议的准确性。因为之前已经同步了频率和相位，所以可以保证“白兔”网络中所有设备的全球时间概念。

所有这些任务都可以在“白兔”内核中实现，其中有些使用合适的FPGA门控，有些使用嵌入式软件内核。“白兔”产品包括执行这些不同时钟操作所需的适当振荡器、PLL和定时电子器件。

作为案例研究，我们将在下面了解更多关于ZEN电路板的信息。电路板采用双通道“白兔”内核(D-WRC)，这是Seven Solutions用我们最新的Xilinx 7系列产品开发的原始“白兔”内核的修订版。D-WRC可以同步两个“白兔”节点，也可以用作菊花链网络中的中间链路。此外，ZEN电路板还包含由D-WRC控制的高精度、低抖动和温度补偿时钟资源。图2-基于Xilinx Zynq SoC器件的“白兔”门控组件

图3——“白兔”的LEN电路板(上)和ZEN电路板(右)。它们分别由Artix FPGA和Zynq SoC器件支持，并采用合适的外壳来支持工业应用。此外，Zynq SoC在Linux操作系统下运行的双核ARM Cortex-A9处理器可以促进用户应用的开发。板上提供了Linux，这有助于使用有趣的新功能，例如用于配置的Web服务、用于状态监控的SNMP支持以及远程固件加载和更新。

ZEN电路板旨在提供高精度的时间，可以提供多样化连接和扩展带来的大量可能性：IRIG-B I/O是使用ZEN电路板时的一天中的时间，它可以用作主设备，也可以用作从设备。连接到ARM处理器的两个10/100/1000以太网端口可用于各种网络应用和协议(NTP、sNTP、PTPv2和管理等。).提供两个SFP模块来插入符合“白兔”规范的链路。

SMA连接器可以将ZEN电路板与更精确的时钟(如GPS源或高稳定度振荡器)同步，并提供“白兔”同步的各种时钟。FMC连接器可以插入在“白兔”项目框架下开发的夹层板，或市场上任何其他工业电路板。这些FMC卡不仅可以提升ZEN的发展潜力，还可以实现大量的产品配置。内存资源包括SD、DDR3和闪存。

包含两个UART-USB连接器，可在D-WRC和Cortex处理器中进行管理和调试。

简言之，ZEN电路板可为最终用户提供一个节点，其不仅可实现亚纳秒同步并以菊花链方式工作，同时还可尽其所能地提供最佳的Zynq SoC与全新水平的系统设计功能。

“大白兔”设备

“大白兔”技术肇始于CERN提倡的开放式硬件社区（开放式硬件库，OHWR）。为加速该技术的学习进程，Seven Solutions开发出了一款由两片名为SPEC的Spartan-6电路板组成的“大白兔”入门套件。其中一个可配置为主设备，另一个则可配置为从设备。目的是鼓励用户执行几个早期评估实验。

这项技术最复杂的组份是交换机。我们通过与CERN、GSI以及其他合作伙伴合作，共同开发了18端口“大白兔”交换机，从而设计了采用MicroTC尺寸规格的主板。核心组份是一款Virtex-6 （LX240T） FPGA。我们将该器件与一款运行嵌入式Linux 操作系统的外部处理器（ARM926E）进行配对，执行了系统更新和文件管理等各项高级工作。

该交换机使用了18个针对SFP的GTX链路以及40个面向通用任务（LEDS、SFP检测等）的GPIO。这是一种非常复杂的产品，既能分配时间，也能在使用标准电信工具的同时处理数据包。

近期，Seven Solutions将“大白兔”内核移植到了LEN电路板中的赛灵思Artix FPGA系列中（图3），实现了比现有OHWR器件成本更低、能效更高的解决方案。此外，我们刚刚开发出了一款基于Zynq SoC器件的“大白兔”产品。该WR-ZEN节点（之前的名称）代表一个完整的通用片上系统方法，其中节点和计算机都整合在同一电路板中。

该解决方案可在降低成本，改善系统灵活性的同时，实现更便捷的维护。

Seven Solutions目前开发的工业产品可为管理、配置和监控提供标准接口，不仅能充分利用“大白兔”技术的各项优势，同时还可提供更强大的特性、支持和文档。

“大白兔”应用

“大白兔”技术的第一个目标是科学应用。近期该技术已经在一些设备及研究项目中整合，用于高能物理及分布式射电天文设施的框架中。“大白兔”技术已经在多个粒子加速器（CERN、GSI以及其他机构）中使用，而且KM3NeT与HISCORE等国际科研计划也正在考虑使用该技术。

因此，“大白兔”方法已在各种要求严格的应用中得到验证，这类应用要求通过大型设施上的分布式仪器实现精确的时序与频率转移。

2014年，“大白兔”还由荷兰VSL进行了125km的远距离链路测试，并由芬兰MIKES进行了1，000km的远距离链路测试。

在科研领域之外的广泛应用中也需要精确时序。智能电网要求准确可靠的时序，而高频率交易也离不开经过认证的精确时序。

许多此类应用领域目前依赖的是GPS时序信号，这种信号生来就容易受到影响（由于环境条件或者由于意外或恶意阻塞及电子欺骗）。GPS不应该用于安全关键性基础设施（2010年1月20日《美国空军首脑对过度依赖GPS的警告》 ，摘自《Inside GNSS》 杂志新闻）。在这一点上，“大白兔”代表着一种替代性解决方案，其可实现通过地面光纤进行高精度时序及频率传输。可通过部署标准电信网络来降低这种方法的成本。

除“大白兔”的功能特性外，Seven Solutions还正在面向要求高可用性的重要应用开发全新工业产品。冗余电源、热插拔风扇、延期振荡器以及其它技术允许其部署于不能承受系统故障或长时间维修过程的设施。

图4 — 为不同节点提供精确时序的“大白兔”网络。

菊花链配置允许通过WR-LEN节点。

图4是如何将WR-LEN用作分布式机制，以简单低成本的方式提供时序信息。该系统能够以类似GPS的方式分配时序。它使用适用于电网应用的IRIG-B输出格式提供时序。此外，PTPv2也是一种可用的接口，是一种有效选项，因为它能够与现代电网设施上使用的PTP网络集成。

图5是基于ZEN时间提供技术的网络配置。该实例中显示了更多功能强大的特性。关键组份上的冗余电源、冗余网络拓扑及延期CSAC振荡器都可实现。此外，FMC扩展端口还可实现添加夹层卡，进一步开发更多传感与控制应用。

未来发展

“大白兔”是一项前景光明的技术，能够解决智能电网、电信以及高频率交易等各类终端应用领域的同步需求问题。“大白兔”不仅能解决相位同步等问题，同时还能以亚纳秒精度为分布在遥远距离（数百公里）的数以万计的设备同步时钟。因此，“大白兔”还能实现超高精度时间传输以及无损的全面数据传输。

这些特性加上“大白兔”的可扩展性，将有助于开发整个世界范围的地面同步机制，其不仅可用作GPS解决方案（基于地面卫星接收站天线）的后台技术，而且还能开启自动驾驶汽车或室内导航等全新应用的大门。即将来临的100G电信网络将通过高精度服务质量评估机制获得巨大优势，而5G无线技术则可使用“大白兔”解决众所周知的相位同步问题。

这些只是“大白兔”可能会在其中产生巨大影响的未来应用的部分示例。此外，由于“大白兔”可能会在IEEE-1588v3配置文件（目前正在考虑）中得到标准化，因此它将非常容易适应多家厂商。而且我们认为最具挑战性的应用还未出现。

Seven Solutions正在提供第一批基于“大白兔”技术的工业产品。我们的交钥匙解决方案不仅可便捷集成在基于标准电信接口的用户应用中，而且只需使用Web服务或SNMP等标准软件便可完成配置/读取。下一步我们将针对分配RF生成（无需发送参考频率）或触发事件采集整合各种特性，提供大量电信应用所需的高精度。

以上知识分享希望能够帮助到大家！