IEEE1588及其測試方法簡介

1 IEEE1588概述

IEEE1588定義了為網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)提供精確時鐘同步協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，運營商、電力、制造、運輸?shù)雀鞔笮袠I(yè)的部分系統(tǒng)都需要一個能在低成本、易部署的以太網(wǎng)上為其提供高精度時鐘同步的方法，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設(shè)備能力進(jìn)行充分的測試，以確保滿足業(yè)務(wù)要求。

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

2 IEEE1588基本原理

2.1 IEEE1588幾個基本概念

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

●普通時鐘(Ordinary Clock)，在一個域中只有一個運行PTP協(xié)議的端口，既可以是主時鐘，也可以是從時鐘。

●邊界時鐘(Boundary Clock)，在一個域中有多個運行PTP協(xié)議的端口，可以同時是主時鐘和從時鐘。

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

●點到點(Peer-to-peer)P2P透明時鐘，位于主從時鐘之間，計算點到點鏈路時延和自身的駐留時間并累加到報文的修正域中。

2.2 主從關(guān)系的建立

在一個域中，普通時鐘和邊界時鐘的每個端口都有各自獨立的狀態(tài)，各個端口通過最佳主時鐘算法(BMC，Best Master Clock algorithm)，比較收到的宣告(Announce)報文內(nèi)容以及自身配置，計算端口狀態(tài)，狀態(tài)包括主、從、消極(既不是主時鐘，也不向主時鐘同步，出現(xiàn)在環(huán)路情況下)，BMC算法在一個網(wǎng)段上只會選擇一個主設(shè)備。此外，一個域中還存在一個超級主時鐘(Grandmaster Clock)，其它設(shè)備的都直接或間接向其同步。一個域中會達(dá)到一個相對穩(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)議報文交互

PTP協(xié)議是IEEE1588的核心協(xié)議，設(shè)備之間通過運行PTP協(xié)議，交互PTP報文，實現(xiàn)時間和頻率的同步。普通的PTP協(xié)議交互步驟如下(見圖2)：

圖2 PTP協(xié)議報文交互

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

●從設(shè)備在t3時刻發(fā)送時延請求報文，主設(shè)備在t4時刻收到此報文，并將此時間戳放在時延響應(yīng)報文中發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備此時又記錄下了t3和t4。

2.4 同步計算方法

IEEE1588有個前提：主從設(shè)備之間的雙向時延需要相對穩(wěn)定(IEEE1588支持雙向時延不同，可以通過異步時延(Delay Asymmetry)進(jìn)行修正，但仍要求雙向時延穩(wěn)定，Delay Asymmetry的測量不在IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，需要通過其它方法測出雙向的時延。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)擁塞時會將一部分報文緩存，引入了不確定的報文在設(shè)備內(nèi)駐留的時間，但報文從相反方向進(jìn)入設(shè)備時可能沒有擁塞，這樣雙向時延有可能相差很大，所以PTP協(xié)議最好不要跨越不感知PTP報文的路由器或交換機(jī)來同步時鐘。

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

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

2.5 E2E透明時鐘

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

2.6 P2P透明時鐘

P2P對協(xié)議流程進(jìn)行了優(yōu)化，不只計算駐留時間，還計算出了鏈路時延，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報文時已經(jīng)知道了總的傳輸時間和駐留時間，這樣就可以直接計算出Offset并同步了，不用再發(fā)送時延請求，主設(shè)備也不用再回應(yīng)時延應(yīng)答了。P2P透明時鐘通過和其相連的PTP設(shè)備交互對端時延請求報文和對端時延響應(yīng)報文，能夠知道4個時間t1，t2，t3，t4，通過Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2的計算方法算出鏈路時延(見圖3)。

圖3 P2P透明時鐘

E2E透明時鐘會修正和轉(zhuǎn)發(fā)所有的PTP報文，P2P透明時鐘只修正和轉(zhuǎn)發(fā)Sync和Follow_up報文。P2P時鐘的特點是Sync和Follow_up報文只需單向(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)的時延請求和確認(rèn)，網(wǎng)絡(luò)中兩臺設(shè)備之間的鏈路時延已經(jīng)計算出，這樣網(wǎng)絡(luò)路徑切換后從時鐘能夠快速在新路徑上完成時鐘同步。

2.7 各種時鐘模式適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

時鐘模式適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒉皇墙^對的，需綜合考慮網(wǎng)絡(luò)特點、設(shè)備支持的IEEE1588功能等，在降低管理維護(hù)難度的同時，確保時鐘同步準(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，邊界時鐘數(shù)量少，普通時鐘數(shù)量多，時鐘同步的級數(shù)少，不需要引入透明時鐘，用普通的主從時鐘方式即可(見圖4)。

圖4 層次化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/em>