提供時間同步和頻率同步的IEEE1588協(xié)議的測試方法分析

1、引言

目前，運營商在大規(guī)模部署下一代網(wǎng)絡(luò)，分組交換網(wǎng)將替代TDM成為主流承載網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)全IP化的發(fā)展，在分組交換網(wǎng)絡(luò)上傳送TDM業(yè)務(wù)，IPTV業(yè)務(wù)，3G/4G等實時要求較高的應(yīng)用時，需要分組交換網(wǎng)絡(luò)提供更高質(zhì)量的同步與定時機制。傳統(tǒng)以太網(wǎng)沒有內(nèi)置時鐘的分布能力，同步以太網(wǎng)對現(xiàn)有以太網(wǎng)做了一種擴展，類似TDM網(wǎng)絡(luò)在物理層發(fā)布時鐘，實現(xiàn)了設(shè)備間時鐘頻率同步。但是還有一些應(yīng)用需要時間上的同步，IEEE1588-2008 PTP（Precision Timing Protocol）應(yīng)運而生，成為公用的提供時間同步和頻率同步的協(xié)議。

回顧同步技術(shù)的發(fā)展，我們曾在以太網(wǎng)上用過NTP技術(shù)，GPS技術(shù)或用T1/E1和以太網(wǎng)組成混合網(wǎng)絡(luò)來增加以太網(wǎng)的時鐘同步能力，但由于NTP自身技術(shù)的限制，其精度只能在1~50ms之間；GPS廣泛應(yīng)用在CDMA基站和許多其它應(yīng)用，提供時間和頻率的同步，但GPS接收機需要在空中架設(shè)天線，在辦公室或運營商機房里實施是比較困難的；在T1/E1和以太網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò)，用T1/E1傳遞時鐘，用以太網(wǎng)擴大帶寬，但從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本來講用這種方法是不經(jīng)濟的。IEEE1588v2是一種精確時間同步協(xié)議，可以認為是對NTP協(xié)議的一種進化版本，IEEE1588v1精度可以達到亞ms級，IEEEv2精度可以達到亞us級的精度。IEEE1588v2對IEEE1588v1進行了改進和提高，提高了同步精度，加入了故障容限，滿足冗余和安全的保障功能，并引入邊界時鐘和透傳時鐘兩種新類型設(shè)備。通過主從設(shè)備間傳遞PTP消息包，從時鐘計算時間和頻率偏移，實現(xiàn)與主時鐘的頻率和時間的同步。

在研發(fā)和部署PTP設(shè)備時，在主要功能、性能和壓力測試方面，我們面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，對PTP的協(xié)議測試主要有以下方面：

（1）校正系數(shù)測試：測試PTP設(shè)備是否能精確計算校正系數(shù)（CorrecTIon Factor）。

（2）PTP設(shè)備規(guī)模測試：測試主時鐘在不同的各種消息速率下，能夠支持的最大從時鐘數(shù)。

（3）BMC測試：主要指最佳主時鐘（BMC）選擇測試和錯誤倒換測試。

（4）對PTP包優(yōu)先級的測試：測試PTP設(shè)備如何對PTP的包做到有保證的轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)合L2和L3 QoS的測試。

（5）多時間域測試：測試多時間域的規(guī)模和多時間域下是否有相互交互。

（6）加載控制面：在測試PTP協(xié)議時，通過仿真STP和路由協(xié)議等，可以加載控制平面，并同時仿真網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定情況。

（7）異常測試和加載額外壓力的測試。

（8）協(xié)議定時器的測試：例如在發(fā)送了Sync消息以后可以控制發(fā)送Follow UP的間隔時間。

（9）穩(wěn)定性測試：通過發(fā)送異常包來測試PTP設(shè)備的穩(wěn)定性。

2、主要測試項目

2.1 校正系數(shù)錯誤測試（CorrecTIon Factor Error）

透傳時鐘（Transparent Clock）最重要的一個功能就是能夠正確測量PTP包經(jīng)過它時的延遲（ns級），這個延遲我們又叫做“駐留時間”。透傳時鐘在發(fā)向下游的PTP消息里攜帶延遲信息，稱為校正系數(shù)（CorrecTIon Factor），如果CF不準確，下游的從時鐘就無法與上游的主時鐘精確同步。

用IXIA測試儀表可以測量每個PTP包經(jīng)過透傳時鐘的實際延遲，并比較PTP消息里所報告的CF值，可以更有效地測試透傳時鐘所計算的CF值是否準確。CF Error計算公式為：CF Error=CorrecTIon Factor-Actual Latency。

CF Error如果是正的，則表示透傳時鐘過高估算了駐留時間。反之，則表示透傳時鐘過低估算了駐留時間。如果CF Error過大和變化過大，將引起下游的從時鐘同步丟失。通常CF值在幾十ns是可以接受的。在ISPCS2009研討會上IXIA展示了CF的測試結(jié)果，被公認為是透傳時鐘測試的業(yè)界標準。

（1）IXIA測試的配置模式

●校準模式：用校準線纜直接背靠背連接IXIA測試儀表的兩個端口，執(zhí)行校準過程（見圖1）。

圖1 校準測試拓撲圖

●測試模式：用測試儀表的兩個端口連接被測設(shè)備的兩個端口，執(zhí)行測試過程。校準線纜長度是測試線纜的2倍（見圖2）。

圖2 Correction Factor Error測試拓撲圖

為了測試的準確性，在測試前需先校準，減少由于測試儀表內(nèi)部的時間開銷或光纜/電纜傳送的延遲引起的不準確性，主要包括：測試儀表內(nèi)部的時間開銷和通過光纜或電纜傳送的延遲（如五類電纜線的傳送延遲是48ns/m，光纜傳送延遲是29ns/m）。圖3所示的是校準幫助修正測試儀表內(nèi)部時間開銷和線纜傳送延遲示意圖。

圖3 校準幫助修正測試儀表內(nèi)部時間開銷和線纜傳送延遲

（2）CF Error測試步驟

●校準時間戳

①在兩個測試端口分別設(shè)置主時鐘仿真和從時鐘仿真，Tx和Rx校準因子（Calibration Factor）的缺省值為0，測試拓撲如圖1所示。

②測試執(zhí)行一段時間后，測試系統(tǒng)會顯示平均Sync Latency和平均Delay Request Latency。

③在模擬主時鐘的測試端口，我們可以根據(jù)公式（1）和公式（2）配置Tx和Rx校準因子（Calibration Factor）：

Tx Calibration Factor=Sync Latency/2 （1）

Rx Calibration Factor=Delay Request Latency/2 （2）

④在模擬從時鐘的測試端口，可以根據(jù)公式（3）和公式（4）配置Tx和Rx校準因子 （Calibration Factor）：

Tx Calibration Factor=Delay Request Latency/2 （3）

Rx Calibration Factor=Sync Latency/2 （4）

⑤重新啟動測試，再從時鐘結(jié)果顯示界面，可以檢查Sync Latency的值（接近0，低于100ns），Delay Request Latency的值（接近0，低于100ns），Latency Asymmetry的值（接近0，低于50ns），Offset From Master （OFM）的值（接近0，低于100ns）的參數(shù)：

可以微調(diào)校準因子（Calibration Factor），使得以上參數(shù)接近0。

●在兩個測試端口分別模擬主時鐘和從時鐘

在主時鐘測試接口發(fā)送Sync message的速率，在從時鐘測試接口發(fā)送Delay Request的速率可以調(diào)節(jié)。測試拓撲如圖2所示。

●測試結(jié)果

如圖4所示，測試結(jié)果會非常直觀地顯示在界面上，測試系統(tǒng)會實時顯示Sync Correction Factor Error和Delay Request Correction Factor Error等。

圖4 CF Error測試結(jié)果

●變化以下條件，重復(fù)上述測試步驟

①加快Sync和Delay Request消息的發(fā)送速率。

②增加在一個測試端口模擬從時鐘的數(shù)量。

③用多對端口，并分布在不同的時間域中雙向測試，由于端口的不對稱，發(fā)現(xiàn)商用透傳時鐘在多端口存在測試結(jié)果的差異性，因此需要我們用多對端口測試，可以觀察在大的壓力下透傳時鐘計算CF值的準確性。

④同時在多個時間域中執(zhí)行測試。這將測試透傳時鐘是否會與上行多個主時鐘（在多個時間域）同步。如果不能同步上，透傳時鐘的時間基準就會不準確，造成CF值的計算錯誤。

⑤在測試過程中，在數(shù)據(jù)平面可以增加背景業(yè)務(wù)流，模擬真實環(huán)境。

⑥在控制平面，可以同時仿真多個協(xié)議，例如同時仿真最小生成樹和其它路由協(xié)議。

⑦PTP協(xié)議可以在單播和組播兩種模式下分別進行測試。

2.2 PTP大規(guī)模測試（PTP Scalability）

大多數(shù)PTP系統(tǒng)里有很多從時鐘。在系統(tǒng)中隨著從時鐘數(shù)量的增加，會加重主時鐘或邊界時鐘的處理負擔。因此，在設(shè)計、布置和升級PTP設(shè)備的時候，主時鐘、邊界時鐘和透傳時鐘的大規(guī)?；鶞蕼y試非常重要。利用IXIA測試系統(tǒng)，可以非常容易模擬在多個時間域里大量的主時鐘和從時鐘。PTP設(shè)備所能支持的規(guī)模與很多因素有關(guān)，例如，Sync和Delay-Request消息的發(fā)送速率，是用單播模式還是組播模式等。以下詳細介紹測試主時鐘規(guī)模的測試方法。測試拓撲如圖5所示。

圖5 PTP大規(guī)模測試拓撲圖

（1）測試步驟

●IXIA測試系統(tǒng)可以實時監(jiān)測每塊板卡上CPU和內(nèi)存的占用情況。啟動Dashboard功能，以保證測試的瓶頸不是由于測試儀表造成的。如果發(fā)現(xiàn)測試儀表板卡的CPU和內(nèi)存的占用過高，可以使用更多數(shù)量的測試板卡，以降低每塊測試板卡的壓力，并可把壓力匯聚到被測系統(tǒng)。

●仿真50個從時鐘，建立從時鐘的速率可以設(shè)置為5 slaves/100sm。

●判斷被測設(shè)備主時鐘能支持的最大從時鐘數(shù)量。根據(jù)兩個條件判斷，即所有仿真的從時鐘都達到Slave狀態(tài)；經(jīng)過一段測試時間，從時鐘所發(fā)送的Delay response 消息數(shù)應(yīng)等于所接收的Delay request消息數(shù)。

●如果通過測試，則再增加從時鐘的數(shù)量；如果沒有通過測試，就減少從時鐘的數(shù)量。用二次折半法，可以測試出被測設(shè)備所能支持的最大從時鐘數(shù)量（見表1）。也可以通過改變不同消息的發(fā)送速率，來測量被測設(shè)備所能支持最大的從時鐘數(shù)量（見表2）。

表1 用二次折半法查找被測設(shè)備所支持的最大從時鐘數(shù)量

表2 在不同的條件下測量被測設(shè)備所支持的從時鐘數(shù)量

●在測試過程中，改變條件（在多個時間域中測試，在單播和多播兩種模式下進行測試，在one-step模式和two-step模式下進行測試）來測試被測設(shè)備的規(guī)?；鶞省?/p>

2.3 最佳主時鐘選擇算法（Best Master Clock）

最佳主時鐘（MBC）選擇算法主要應(yīng)用在從時鐘和邊界時鐘的從時鐘端口上，在本時間域選擇質(zhì)量最好的主時鐘。此算法主要是比較不同的時鐘質(zhì)量參數(shù)，以特定的優(yōu)先級順序選擇最佳主時鐘。IXIA測試系統(tǒng)可以模擬多個帶有不同時鐘質(zhì)量參數(shù)的主時鐘。如果被測設(shè)備是邊界時鐘，則下游IXIA測試系統(tǒng)所仿真的從時鐘可以很容易地確定系統(tǒng)的祖時鐘（Grandmaster）和被測設(shè)備所選擇的是否相同。以測試邊界時鐘為例，詳細介紹測試過程，測試拓撲如圖6所示。

圖6 BMC測試拓撲圖

測試步驟如下：

（1）在IXIA測試系統(tǒng)的兩個測試端口上分別仿真兩個主時鐘Master Clock 1和Master Clock 2，但兩個主時鐘的時鐘質(zhì)量參數(shù)不同。Master Clock 2的時鐘質(zhì)量低于Master Clock 1的時鐘質(zhì)量，但高于被測設(shè)備的時鐘質(zhì)量。

（2）在IXIA測試系統(tǒng)的第3個測試端口仿真從時鐘，目的是在從時鐘上查看Grandmaster Clock ID和Clock Quality參數(shù)是否與被測設(shè)備所選定的相同。

（3）在被測設(shè)備和所仿真的從時鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為Master Clock 1。

（4）改變Master Clock 1和Master Clock 2的時鐘質(zhì)量，使Master Clock2的時鐘質(zhì)量高于Master 1，重新執(zhí)行測試。

（5）在被測設(shè)備和所仿真的從時鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（6）如果現(xiàn)有的最佳時鐘損壞了，被測設(shè)備是否會選擇次佳時鐘。仿真Master Clock 1出現(xiàn)故障，在被測設(shè)備和所仿真的從時鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（7）讓兩個或更多Clock Quality參數(shù)的組合不斷變化，重復(fù)以上測試；可以在組播和單播兩種模式下重復(fù)以上測試；在多個端口仿真多個主時鐘，并且分布在不同的時間域里，重復(fù)以上測試。

3、IXIA IEEE1588測試解決方案

IXIA IEEE1588測試軟件提供了全面和豐富的測試功能。用于測試主/從時鐘、邊界時鐘和透傳時鐘的協(xié)議功能，性能和規(guī)模。

3.1 測試功能

（1）可以在一個端口仿真多個主時鐘和從時鐘，并分布在不同時間域。

（2）可以實時地測試主要性能參數(shù)，例如校正系數(shù)錯誤（Correction Factor Error），主時鐘的時間開銷和平均路徑延遲。

（3）能夠控制協(xié)議仿真性能，例如對于Follow-up Delay，可以仿真立即或延遲很大的Follow-up消息，對被測系統(tǒng)的性能影響很大。

（4）可以全面設(shè)置主時鐘和從時鐘的屬性，包括Unicast和Multicast模式，one-step和two-step行為，Unicast協(xié)商，QoS級別，時間域，Clock ID，時鐘質(zhì)量參數(shù)，E2E和P2P參數(shù)，Announce/Sync/Delay-Request 消息間隔等。

（5）可以在測試運行過程中實時改變參數(shù)（如發(fā)送消息速率）。

（6）可以實時跟蹤PTP仿真狀態(tài)和觀察統(tǒng)計結(jié)果。

（7）可以跟蹤時間值（如T1，T1等），以便更詳細的故障排除。

（8）在PTP仿真的同時，在相同端口可以同時加入其它協(xié)議的仿真（如STP和路由協(xié)議的仿真等）；也可以在相同端口加載流量，模擬真實的背景業(yè)務(wù)流。

（9）可以模擬復(fù)雜的PTP DDoS攻擊。

（10）提供對被測設(shè)備容錯能力的測試。

3.2 特色

（1）在大壓力的環(huán)境下，可以測試透傳時鐘的校正系數(shù)錯誤（CF Error）

IXIA IEEE1588可以快速地監(jiān)測和測量透傳時鐘CF Error，通過比較Sync消息所報告的Correction Factor和用硬件級的時間戳所測量的實際在被測設(shè)備的駐留時間（包轉(zhuǎn)發(fā)延遲），測試儀表可以實時檢測到CF Error。為了更準確的測試，測試系統(tǒng)提供校準功能，可以消除測試系統(tǒng)內(nèi)部時鐘和光纖/電纜傳送時間。

（2）能夠有效驗證BMC和錯誤倒換

IXIA IEEE1588提供全面的BMC測試解決方案，用來測試透傳時鐘、邊界時鐘和從時鐘的處理速度和支持規(guī)模。IXIA IEEE 1588可以在每個時間域?qū)崟r跟蹤和顯示當前的主時鐘和上次變化的時間，以便測試主時鐘的改變和BMC的性能，所能支持的主要測試場景包括：

●最優(yōu)主時鐘選擇：可以測試BMC的精確度和處理速度。

●錯誤倒換測試：可以仿真錯誤主時鐘，驗證次優(yōu)主時鐘的選擇和倒換時間。

●模擬主時鐘振蕩：通過停止和重發(fā)Announce或Sync消息，可以仿真主時鐘不斷振蕩的情況，用以測試主時鐘的操作和穩(wěn)定性。

●實時改變時鐘質(zhì)量參數(shù)：可以實時改變時鐘質(zhì)量屬性，用以對IEEE 1588 BMC執(zhí)行協(xié)議一致性認證。

●彈性測試：可以插入不正確的Announce消息，驗證被測系統(tǒng)對BMC處理的穩(wěn)定性。

●不同時間域的相互作用：通過模擬多個不同時間域的主時鐘并改變所報告的主時鐘質(zhì)量，來驗證時鐘能夠區(qū)分不同時間域并能夠在同一時間處理多個時間域。

●可以驗證CF的精確性：在BMC處理出現(xiàn)錯誤時，可以檢測透傳時鐘的CF Error，以確認透傳時鐘是否會受到影響。

4、結(jié)束語

IEEE1588最初是由Agilent Laboratories（安捷倫實驗室）發(fā)明，并得到IEEE的贊助，2002年11月得到IEEE批準。Agilent在此測試領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，隨著IXIA收購Agilent N2X，兩家公司將聯(lián)手推出業(yè)界最領(lǐng)先的測試解決方案。IEEE1588作為測試的新興領(lǐng)域，IXIA引領(lǐng)了業(yè)界的測試標準。