IEEE1588及其測(cè)試方法簡(jiǎn)介

1 IEEE1588概述

IEEE1588定義了為網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)提供精確時(shí)鐘同步協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商、電力、制造、運(yùn)輸?shù)雀鞔笮袠I(yè)的部分系統(tǒng)都需要一個(gè)能在低成本、易部署的以太網(wǎng)上為其提供高精度時(shí)鐘同步的方法，IEEE1588能滿足此需求?？梢灶A(yù)見，IEEE1588將是這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，在部署它之前需要對(duì)設(shè)備能力進(jìn)行充分的測(cè)試，以確保滿足業(yè)務(wù)要求。

IEEE1588分為兩個(gè)版本，本文參照版本2——IEEE Std 1588-2008。

2 IEEE1588基本原理

2.1 IEEE1588幾個(gè)基本概念

●域(Domain)是一個(gè)邏輯概念，屬于同一個(gè)域的設(shè)備之間進(jìn)行信息同步，不同域之間不需要同步。

●普通時(shí)鐘(Ordinary Clock)，在一個(gè)域中只有一個(gè)運(yùn)行PTP協(xié)議的端口，既可以是主時(shí)鐘，也可以是從時(shí)鐘。

●邊界時(shí)鐘(Boundary Clock)，在一個(gè)域中有多個(gè)運(yùn)行PTP協(xié)議的端口，可以同時(shí)是主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。

●端到端(End-to-end)E2E透明時(shí)鐘，位于主從時(shí)鐘之間，計(jì)算自身的駐留時(shí)間并累加到報(bào)文的修正域中。

●點(diǎn)到點(diǎn)(Peer-to-peer)P2P透明時(shí)鐘，位于主從時(shí)鐘之間，計(jì)算點(diǎn)到點(diǎn)鏈路時(shí)延和自身的駐留時(shí)間并累加到報(bào)文的修正域中。

2.2 主從關(guān)系的建立

在一個(gè)域中，普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘的每個(gè)端口都有各自獨(dú)立的狀態(tài)，各個(gè)端口通過最佳主時(shí)鐘算法(BMC，Best Master Clock algorithm)，比較收到的宣告(Announce)報(bào)文內(nèi)容以及自身配置，計(jì)算端口狀態(tài)，狀態(tài)包括主、從、消極(既不是主時(shí)鐘，也不向主時(shí)鐘同步，出現(xiàn)在環(huán)路情況下)，BMC算法在一個(gè)網(wǎng)段上只會(huì)選擇一個(gè)主設(shè)備。此外，一個(gè)域中還存在一個(gè)超級(jí)主時(shí)鐘(Grandmaster Clock)，其它設(shè)備的都直接或間接向其同步。一個(gè)域中會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，具體參見圖1。

圖1 主從關(guān)系的建立

2.3 PTP協(xié)議報(bào)文交互

PTP協(xié)議是IEEE1588的核心協(xié)議，設(shè)備之間通過運(yùn)行PTP協(xié)議，交互PTP報(bào)文，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和頻率的同步。普通的PTP協(xié)議交互步驟如下(見圖2)：

圖2 PTP協(xié)議報(bào)文交互

●主設(shè)備會(huì)發(fā)送sync報(bào)文，如果報(bào)文中包括發(fā)送此報(bào)文的時(shí)間戳且不再發(fā)Follow_up報(bào)文則稱作一步時(shí)鐘，如果隨后再發(fā)送個(gè)Follow_up報(bào)文記錄發(fā)送Sync報(bào)文的精確時(shí)間戳則稱為兩步時(shí)鐘(一步時(shí)鐘對(duì)芯片的精度要求更高)，從設(shè)備收到這一個(gè)或兩個(gè)報(bào)文后記錄下兩個(gè)時(shí)間t1(Sync發(fā)出時(shí)間)，t2(從設(shè)備收到Sync報(bào)文時(shí)間)。

●從設(shè)備在t3時(shí)刻發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求報(bào)文，主設(shè)備在t4時(shí)刻收到此報(bào)文，并將此時(shí)間戳放在時(shí)延響應(yīng)報(bào)文中發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備此時(shí)又記錄下了t3和t4。

2.4 同步計(jì)算方法

IEEE1588有個(gè)前提：主從設(shè)備之間的雙向時(shí)延需要相對(duì)穩(wěn)定(IEEE1588支持雙向時(shí)延不同，可以通過異步時(shí)延(Delay Asymmetry)進(jìn)行修正，但仍要求雙向時(shí)延穩(wěn)定，Delay Asymmetry的測(cè)量不在IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，需要通過其它方法測(cè)出雙向的時(shí)延。在普通以太網(wǎng)的鏈路上基本能夠滿足此要求，但以太網(wǎng)設(shè)備如路由器交換機(jī)等則很難滿足，在設(shè)備出現(xiàn)擁塞時(shí)會(huì)將一部分報(bào)文緩存，引入了不確定的報(bào)文在設(shè)備內(nèi)駐留的時(shí)間，但報(bào)文從相反方向進(jìn)入設(shè)備時(shí)可能沒有擁塞，這樣雙向時(shí)延有可能相差很大，所以PTP協(xié)議最好不要跨越不感知PTP報(bào)文的路由器或交換機(jī)來同步時(shí)鐘。

當(dāng)從設(shè)備知道了4個(gè)時(shí)間后就計(jì)算出了從設(shè)備與主設(shè)備之間的傳輸時(shí)延，Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。從設(shè)備與主設(shè)備的時(shí)間偏差為Offset=t2-(t1+Delay)=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。從設(shè)備根據(jù)計(jì)算出來的偏差修改本地時(shí)間，完成了時(shí)鐘同步。

在多跳組網(wǎng)環(huán)境中通過，相連的兩臺(tái)設(shè)備建立主從關(guān)系，將時(shí)鐘一跳一跳同步下去，這樣精度會(huì)隨著跳數(shù)增加顯著降低，積累誤差逐漸增加，而PTP跨越不感知PTP報(bào)文的設(shè)備也會(huì)使精度降低，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)問題，如何在多跳的大型網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高精度的同步時(shí)鐘，解決方法就是引入透明時(shí)鐘。透明時(shí)鐘用來減少網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的影響，進(jìn)行非對(duì)稱性修正，透明時(shí)鐘沒有主從狀態(tài)，能夠減少大型網(wǎng)絡(luò)中的積累誤差。透明時(shí)鐘包括端到端(E2E)透明時(shí)鐘和點(diǎn)到點(diǎn)(P2P)透明時(shí)鐘。

2.5 E2E透明時(shí)鐘

E2E可以理解為對(duì)直連模式的擴(kuò)展，允許主設(shè)備和從設(shè)備之間有多臺(tái)設(shè)備，但這些設(shè)備需要感知PTP報(bào)文，即作為E2E透明時(shí)鐘。E2E透明時(shí)鐘設(shè)備需要在報(bào)文中將該報(bào)文在設(shè)備里的駐留時(shí)間累加到修正域中，對(duì)所有經(jīng)過的PTP報(bào)文都進(jìn)行此操作。在普通PTP報(bào)文交互的基礎(chǔ)上，增加了兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)是報(bào)文從主設(shè)備到從設(shè)備的時(shí)間修正值c1(可以經(jīng)過任意跳E2E透明時(shí)鐘，最終得到的值)，另一個(gè)是反向時(shí)間修正值c2，此時(shí)Delay=[(t2-t1-c1)+(t4-t3-c2)]/2，從設(shè)備與主設(shè)備的時(shí)間偏差為Offset=t2-t1-Delay-c1(此處只介紹了一步時(shí)鐘的情況，兩步時(shí)鐘參見標(biāo)準(zhǔn))。簡(jiǎn)單的說E2E模式下把主設(shè)備和從設(shè)備之間的不穩(wěn)定的駐留時(shí)間扣除，利用穩(wěn)定的雙向傳輸時(shí)間之和除以二來計(jì)算Delay，之后再進(jìn)行同步。

2.6 P2P透明時(shí)鐘

P2P對(duì)協(xié)議流程進(jìn)行了優(yōu)化，不只計(jì)算駐留時(shí)間，還計(jì)算出了鏈路時(shí)延，并把二者加在一起放到修正域中，逐跳傳播累加，直到從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備收到Sync報(bào)文時(shí)已經(jīng)知道了總的傳輸時(shí)間和駐留時(shí)間，這樣就可以直接計(jì)算出Offset并同步了，不用再發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求，主設(shè)備也不用再回應(yīng)時(shí)延應(yīng)答了。P2P透明時(shí)鐘通過和其相連的PTP設(shè)備交互對(duì)端時(shí)延請(qǐng)求報(bào)文和對(duì)端時(shí)延響應(yīng)報(bào)文，能夠知道4個(gè)時(shí)間t1，t2，t3，t4，通過Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2的計(jì)算方法算出鏈路時(shí)延(見圖3)。

圖3 P2P透明時(shí)鐘

E2E透明時(shí)鐘會(huì)修正和轉(zhuǎn)發(fā)所有的PTP報(bào)文，P2P透明時(shí)鐘只修正和轉(zhuǎn)發(fā)Sync和Follow_up報(bào)文。P2P時(shí)鐘的特點(diǎn)是Sync和Follow_up報(bào)文只需單向(主設(shè)備向從設(shè)備)傳播，不需要反向(從設(shè)備向主設(shè)備)的時(shí)延請(qǐng)求和確認(rèn)，網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)設(shè)備之間的鏈路時(shí)延已經(jīng)計(jì)算出，這樣網(wǎng)絡(luò)路徑切換后從時(shí)鐘能夠快速在新路徑上完成時(shí)鐘同步。

2.7 各種時(shí)鐘模式適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

時(shí)鐘模式適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒉皇墙^對(duì)的，需綜合考慮網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、設(shè)備支持的IEEE1588功能等，在降低管理維護(hù)難度的同時(shí)，確保時(shí)鐘同步準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

(1)層次化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平，邊界時(shí)鐘數(shù)量少，普通時(shí)鐘數(shù)量多，時(shí)鐘同步的級(jí)數(shù)少，不需要引入透明時(shí)鐘，用普通的主從時(shí)鐘方式即可(見圖4)。

圖4 層次化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/em>