【转帖】 IEEE 1588同步机制

 IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种，即普通时钟（Ordinary Clock，OC）和边界时钟（Boundary Clock，BC），只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。其中，边界时钟通常用在确定性较差的网络设备（如交换机和路由器）上。从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC（Grandmaster Clock），有着最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC（通用协调时间）的可追溯性等特性，由最佳主时钟算法（Best Master Clock）来自动选择各子网内的主时钟；在只有一个子网的系统中，主时钟就是最高级时钟GMC。每个系统只有一个GMC，且每个子网内只有一个主时钟，从时钟与主时钟保持同步。图1所示的是一个典型的主时钟、从时钟关系示意。

 

图1  主时钟、从时钟关系示意图

　　同步的基本原理包括时间发出和接收时间信息的记录，并且对每一条信息增加一个“时间戳”。有了时间记录，接收端就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时。为了管理这些信息，PTP协议定义了4种多点传送的报文类型和管理报文，包括同步报文（Sync），跟随报文（Follow_up），延迟请求报文（Delay_Req），延迟应答报文（Delay_Resp）。这些报文的交互顺序如图2所示。收到的信息回应是与时钟当前的状态有关的。同步报文是从主时钟周期性发出的(一般为每两秒一次)，它包含了主时钟算法所需的时钟属性。总的来说同步报文包含了一个时间戳，精确地描述了数据包发出的预计时间。

 

图2  PTP报文与交换顺序

　　由于同步报文包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间，所以Sync报文的真实发出时间被测量后在随后的Follow_Up报文中发出。Sync报文的接收方记录下真实的接收时间。使用Follow_Up报文中的真实发出时间和接收方的真实接收时间，可以计算出从属时钟与主时钟之间的时差，并据此更正从属时钟的时间。但是此时计算出的时差包含了网络传输造成的延时，所以使用Delay_Req报文来定义网络的传输延时。

　　Delay_Req报文在Sync报文收到后由从属时钟发出。与Sync报文一样，发送方记录准确的发送时间，接收方记录准确的接收时间。准确的接收时间包含在Delay_Resp报文中，从而计算出网络延时和时钟误差。同步的精确度与时间戳和时间信息紧密相关。纯软件的方案可以达到毫秒的精度，软硬件结合的方案可以达到微秒的精度。
PTP协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。这个同步过程分为漂移测量阶段和偏移测量与延迟测量阶段。

第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差，称为漂移测量。如图3所示，在修正漂移量的过程中，主时钟按照定义的间隔时间（缺省是2s）周期性地向相应的从时钟发出惟一的同步报文。这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值。主时钟测量传递的准确时间T0 K，从时钟测量接收的准确时间T1 K。之后主时钟发出第二条报文——跟随报文（Follow_up Message），此报文与同步报文相关联，且包含同步报文放到PTP通信路径上的更为精确的估计值。这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分离开来。从时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量，然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间，如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就会同步。

图3  PTP时钟漂移测量计算

为了提高修正精度，可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进来，即延迟测量，这是同步过程的第二个阶段（见图4）。

从时钟向主时钟发出一个“延迟请求”数据报文，在这个过程中决定该报文传递准确时间T2。主时钟对接收数据包打上一个时间戳，然后在“延迟响应”数据包中把接收时间戳B送回到从时钟。根据传递时间戳B和主时钟提供的接收时间戳D，从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间（缺省值是4~60s之间的随机值）比偏移值测量间隔时间要大。这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。采用这种同步过程，可以消减PTP协议栈中的时间波动和主从时钟间的等待时间。从图4右边可以看延迟时间D 和偏移时间数值O的计算方法。

　　IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要应用于相对本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，与SNTP和NTP相反，时间戳更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度。此外，PTP模块化的设计也使它很容易适应低端设备。

　　IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。