引言

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）要求所有設(shè)備在納秒級精度下協(xié)調(diào)工作。AS同步通過建立統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如工業(yè)控制、自動駕駛指令）在嚴(yán)格時間窗口內(nèi)傳輸，避免因時鐘偏差引發(fā)系統(tǒng)故障。在上一篇（AS三部曲之一：如何理解TSN同步概念中的時鐘角色？）中，我們詳細(xì)介紹了IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)作為IEEE 1588 PTP協(xié)議的特定應(yīng)用規(guī)范，在時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）中實現(xiàn)納秒級高精度時鐘同步的基礎(chǔ)概念與核心機(jī)制。

在掌握了AS的基礎(chǔ)概念之后，深入理解其內(nèi)部的同步運行機(jī)制是解鎖其強(qiáng)大能力的關(guān)鍵。理解AS同步機(jī)制，不僅是掌握TSN技術(shù)精髓的核心，更是設(shè)計高可靠性實時系統(tǒng)的基石。它解決了分布式系統(tǒng)中“時間一致性”的根本問題，為未來自動駕駛、工業(yè)4.0、元宇宙等低延遲高同步需求場景提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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01.

同步報文

gPTP (廣義精確時間協(xié)議) 是IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)定義的核心協(xié)議，它源于IEEE 1588 PTP，但為時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）進(jìn)行了優(yōu)化，旨在實現(xiàn)亞微秒級的時間同步。其同步過程主要依賴于以下報文類型的交互：

事件報文

時間概念報文，進(jìn)出設(shè)備端口時會打上精確的時間戳，用于計算主從時鐘之間的時間偏移和路徑延遲。事件報文包含以下4種：

Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp。

通用報文

非時間概念報文，進(jìn)出設(shè)備端口時不會打上時間戳，用于主從關(guān)系的建立、時間信息的請求和通告。通用報文包含以下6種：

Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling。

02.

同步原理

2.1 同步機(jī)制對比

gPTP采用主從設(shè)備（Master-Slave）間雙向交互時間同步報文的機(jī)制，通過記錄并計算報文收發(fā)的時間戳差值，獲取設(shè)備間的總往返時延。在假設(shè)雙向傳輸路徑對稱的前提下，將總時延除以2即可估算單向通信延遲，進(jìn)而推算出從設(shè)備相對于主設(shè)備的時間偏差。

從設(shè)備依據(jù)該偏差校準(zhǔn)本地時鐘，即可實現(xiàn)與主設(shè)備的高精度時間同步。相較于傳統(tǒng)同步協(xié)議如1588v2與NTP，gPTP在實現(xiàn)機(jī)制上更接近PTP（精確時間協(xié)議）的局部實現(xiàn)。

■ NTP協(xié)議通常運行于主控板，其測量的通信時延不僅包含鏈路傳輸時間，還引入了各類內(nèi)部處理延遲（如隊列擁塞、軟件調(diào)度及數(shù)據(jù)處理等），導(dǎo)致時延波動顯著，且難以保證雙向時延的對稱性，最終限制了時間同步的精度。

■ PTP1588協(xié)議基于以下假設(shè)：鏈路延遲相對穩(wěn)定（或在相鄰?fù)介g隔內(nèi)變化可忽略），且雙向路徑時延對稱。因此，該協(xié)議通過在物理鏈路兩端最近處標(biāo)記時間戳以測量鏈路時延，從而實現(xiàn)了較高的同步精度。

PTP1588協(xié)議進(jìn)一步定義了兩類時延測量與同步方式：

□ Delay機(jī)制：適用于端到端路徑的時延測量

□ Pdelay機(jī)制：用于在兩個支持該功能的通信端口之間直接測量端口到端口的傳播時延（即鏈路延遲），此過程與端口的主從角色無關(guān)

■ gPTP的同步過程通常遵循經(jīng)典的PTP延遲請求-響應(yīng)機(jī)制，習(xí)慣性沿用Pdelay機(jī)制，作為重要區(qū)別，gPTP要求（或強(qiáng)烈推薦）在網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）或MAC層對PTP報文打上時間戳，而不是在操作系統(tǒng)或應(yīng)用層。這完全消除了協(xié)議棧處理、中斷延遲、系統(tǒng)調(diào)度等帶來的不可控抖動。

2.2 同步原理

矯正對時原理

為了更深入理解同步原理的過程，我們從PTP1588這個協(xié)議出發(fā)介紹不同方式下的同步機(jī)理，然后通過實驗驗證gPTP的結(jié)果，證明其采用了何種方式。

在同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，當(dāng)報文發(fā)出或抵達(dá)時，會依據(jù)設(shè)備本地時鐘為其標(biāo)記時間戳。在一步（One-Step）模式下，延遲測量機(jī)制所使用的同步（Sync）報文會直接攜帶其自身的發(fā)送時刻信息。而在兩步（Two-Step）模式下，同步報文本身并不包含發(fā)送時間戳，設(shè)備僅記錄該報文的實際發(fā)送時刻，并通過隨后發(fā)出的Follow_Up報文傳遞這一時間信息。

√ 主設(shè)備于t1時刻發(fā)出Sync報文。若其工作在one-step模式，該報文中會直接攜帶時間戳t1；若為two-step模式，則t1將在后續(xù)的Follow_Up報文中發(fā)送。

√ 從設(shè)備在t2時刻收到Sync報文。在one-step模式下，t1可從該報文中直接提??；在two-step模式下，需等待接收Follow_Up報文以獲取t1。

√ 從設(shè)備于t3時刻向主設(shè)備發(fā)送Delay_Req報文。

√ 主設(shè)備在t4時刻接收到該Delay_Req報文。

√ 主設(shè)備通過Delay_Resp報文將時間戳t4傳送至從設(shè)備。

基于所獲得的t1、t2、t3、t4四個時間戳，從設(shè)備可計算出主從設(shè)備間的平均路徑延遲（Delay）及時鐘偏差（Offset），進(jìn)而校準(zhǔn)自身時鐘，實現(xiàn)與主設(shè)備的精確同步。具體計算原理如下：

需要注意的是：結(jié)果的精度取決于時間戳的精度。它們應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映發(fā)送和接收時間。從設(shè)備的偏移量和延遲計算是基于在兩個不同地方獲取的時間戳的差異。因此，兩個時鐘應(yīng)使用相同的刻度，即相同的tic間隔。這是通過漂移補償實現(xiàn)的：從屬時鐘速率通過控制環(huán)路加速或減慢。稍微不同的抽動間隔會降低結(jié)果。

設(shè)備通過協(xié)議計算出本地時鐘與主時鐘源之間的時間偏差，并依此對本地時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。這一持續(xù)且周期性的同步機(jī)制，保證了從設(shè)備能夠始終與主時鐘保持精確的時間同步。

根據(jù)上述工作機(jī)制，精確的時間同步依賴于主時鐘（Master）與從時鐘（Slave）之間傳輸路徑的時延對稱性。若雙向傳輸時延存在差異，將導(dǎo)致同步偏差，其數(shù)值等于上行與下行時延差值的一半。因此，實現(xiàn)高精度時間同步的核心在于確保節(jié)點間時延保持穩(wěn)定、避免抖動。盡管鏈路傳播時延通常較為一致，但設(shè)備節(jié)點處的處理時延往往波動較大。

為此，在IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，通過引入校正字段（correctionField）參與延遲計算，能夠有效補償時延不對稱性，從而更準(zhǔn)確地估計平均路徑時延（Delay）與時鐘偏移量（Offset）。

如圖轉(zhuǎn)發(fā)時延校正處理，在設(shè)備的入口與出口端口，系統(tǒng)會依次對報文中的correctionField字段進(jìn)行時間補償：入口階段減去當(dāng)前時間戳，出口階段則加上相應(yīng)時間戳。這一處理機(jī)制實際上相當(dāng)于將報文在當(dāng)前設(shè)備內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)時延值累積至校正字段（correctionField）中。

轉(zhuǎn)發(fā)中繼類型

端到端

端到端透明時鐘更新與單個數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的延遲的時間間隔字段。從設(shè)備通過端到端的延遲請求/延遲響應(yīng)消息交換來測量到主站的延遲。端到端延遲測量的基本操作如下圖所示：

點對點

對等透明時鐘測量與入口傳輸路徑相關(guān)的線路延遲，并將此延遲也包括在校正字段中。TC使用Pdelay-Req/Pdelay-Resp消息測量到所有相鄰時鐘的鏈路延遲。對等透明時鐘可以允許在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓暮蟾斓刂匦屡渲?。點對點延遲測量的基本操作如下圖所示：

需要注意的是：IEEE 802.1AS網(wǎng)橋傳輸同步的方式非常相似，事實上，在數(shù)學(xué)上等同于IEEE 1588對等透明時鐘（TC）傳輸同步的方式。

每座橋測量相對于其鄰居的頻率偏移；相對于GM的累積頻率偏移以及從端口上同步消息到達(dá)與主端口上后續(xù)同步消息發(fā)送之間的時間差用于構(gòu)造放置在后續(xù)消息中的同步時間。此外，相鄰網(wǎng)橋和/或終端站之間的傳播延遲是使用對等延遲機(jī)制測量的。

03.

AS同步機(jī)制測試

選取三臺交換機(jī)作為測試設(shè)備，兩臺交換機(jī)通過時鐘優(yōu)先級方式進(jìn)行Master和Slave設(shè)置，確立時鐘角色，其中一臺交換機(jī)作為DUT時間感知中繼器，去傳輸和同步Master和Slave的時鐘。

3.1 初始化參數(shù)

進(jìn)入交換機(jī)的Web管理頁面，首先確認(rèn)交換機(jī)設(shè)備處于出廠配置模式下，即確認(rèn)AS的參數(shù)是否進(jìn)行過調(diào)整。

3.2 Mater-DUT-Slave時鐘設(shè)置

根據(jù)第2節(jié)當(dāng)中對于BMCA最佳主時鐘選取的規(guī)則，設(shè)置IP地址192.168.4.64交換機(jī)的時鐘Priority1為100，192.168.4.65交換機(jī)的時鐘Priority1為默認(rèn)248（作為待測DUT），192.168.4.66交換機(jī)的時鐘Priority1設(shè)置為200，并開啟gPTP的start功能。

此時情況下，4.64交換機(jī)的時鐘作為Master存在，4.66交換機(jī)作為Slave存在，可以理解為它們作為兩個OC（普通時鐘存在并進(jìn)行同步）。

4.65交換機(jī)作為BC（本質(zhì)上它也是作為一個Slave時鐘參與同步，并轉(zhuǎn)發(fā)Master-slave之間的同步報文）。如下設(shè)置：

交換機(jī)1設(shè)置

交換機(jī)2設(shè)置

交換機(jī)3設(shè)置

gPTP（802.1AS）使能開啟

3.3 觀察DUT&Slave同步精度

由第2節(jié)所述，AS同步精度偏移是相對于Master時鐘的偏移量，所以精度誤差主要由Slave計算并獲得偏移結(jié)果。在RELY-TSN交換機(jī)中我們可以在Slave角色的交換機(jī)中觀察相對于Master角色的時鐘偏移量。

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在本次案例中，由于4.65和4.66的交換機(jī)充當(dāng)Slave（DUT=BC時鐘，Slave=OC時鐘），所以在兩臺交換機(jī)的同步打印窗口查看同步精度結(jié)果。

首先觀看主時鐘設(shè)備的PTP clockID實例，GM clock ID以及GM present布爾值。其中PTP clockID實例為本設(shè)備的時鐘源ID、GM clock ID為主時鐘Master ID、GM present為false時表示本設(shè)備作為主時鐘源Master設(shè)備；為ture時表示本設(shè)備作為從時鐘Slave設(shè)備（外部存在Master）。同時查看OC時鐘（Master&Slave clock）和BC構(gòu)建生成的同步樹，即三臺交換機(jī)的同步端口狀態(tài)（Master/Slave-port）。

Master時鐘狀態(tài)

DUT slave時鐘狀態(tài)

Slave時鐘狀態(tài)

結(jié)果顯示，Slave設(shè)備（交換機(jī)3）的GM clock ID為Mater設(shè)備（交換機(jī)1）的PTP clockID實例，并且GM present=true，同步精度GM offset為3ns左右。

DUT設(shè)備（交換機(jī)2）GM clock ID為Mater設(shè)備（交換機(jī)1）的PTP clockID實例，并且GM present=true，同步精度GM offset為3ns左右。

Master設(shè)備（交換機(jī)1）的Port-1端口作為Master-port，DUT設(shè)備（交換機(jī)2）的Port-0端口作為Slave-port，用于和上一極時鐘節(jié)點（交換機(jī)1）連接，Port-1端口作為master-port，用于和下一級時鐘節(jié)點進(jìn)行連接同步。Slave設(shè)備（交換機(jī)3）的Port-0端口作為slave-port，用于和上一級時鐘節(jié)點（DUT）進(jìn)行連接同步。整體同步樹與第2節(jié)中描述一致。

3.4 觀察同步報文

利用Slave（交換機(jī)3）設(shè)備的端口進(jìn)行端口鏡像，此例中采用port-1進(jìn)行端口鏡像，對port-0同步端口進(jìn)行同步報文捕獲。Slave設(shè)備開始port-1的鏡像捕獲，捕獲port-0端口的Ingress和Egress幀，如圖所示。

Slave設(shè)備（交換機(jī)3）的port-1接入電腦PC，并通過wireshark進(jìn)行報文捕獲，如圖所示。

在捕獲的報文中我們查看用于AS同步的幾條特定報文，Sync，Announce、Follow_Up、Pdelay_Req和Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up。

特別說明的是，RELY-TSN交換機(jī)采用的是2步法P2P對等延遲計算方式，該方式是指Pdelay方式下的Pdelay_Resp報文，不帶有本報文發(fā)送時刻的時間戳，設(shè)備只是記錄Pdelay_Resp報文發(fā)送時的時間，由后續(xù)的Pdelay_Resp_Follow_Up報文帶上Pdelay_Resp報文發(fā)送時刻的時間戳。

Correctionfield的修正值有數(shù)值，該測試案例中存在DUT這個邊界時鐘，同步報文在轉(zhuǎn)發(fā)過程需要進(jìn)行對等延遲計算和駐留延遲補償?shù)龋瑥亩砑拥叫拚龍笪漠?dāng)中。此外我們還可以在看到用于同步計算的preciseOriginTimestamp (seconds)和preciseOriginTimestamp。

結(jié)語.

AS同步機(jī)制的成熟，標(biāo)志著TSN技術(shù)在自動駕駛、工業(yè)4.0和元宇宙等領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。其納秒級精度和輕量化架構(gòu)，解決了“時間一致性”這一分布式系統(tǒng)的根本挑戰(zhàn)。未來，隨著TSN生態(tài)的擴(kuò)展，AS協(xié)議有望進(jìn)一步優(yōu)化低延遲高同步需求場景，推動網(wǎng)絡(luò)從“盡力而為”向“確定性傳輸”的范式轉(zhuǎn)變。敬請期待“AS三部曲”終篇，我們將深入解析協(xié)議優(yōu)化與前沿應(yīng)用。

作者簡介

羅顯志

虹科高級技術(shù)工程師，專注TSN技術(shù)領(lǐng)域，具有豐富的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗，提供專業(yè)的TSN測試和培訓(xùn)服務(wù)。