IEEE1588协议介绍

IEEE1588精准时间同步协议软件二部内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588同步过程n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用内容提纲n时间分发协议概述系统时间及其重要性时钟同步精度为什么引入IEEE1588协议nIEEE1588同步过程n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用系统时间定义及作用n提供参考时间的时钟所表示的数值n系统时间协调测量常数测量时间间隔确定事件触发顺序确定数据或动作存活时间执行协同操作的基础n精准系统时间-设计分布式系统新方式系统时间精确性及稳定性时间同步精度为什么需要低于us级的精度n自动化和控制系统n测量和自动化测试系统n遥测、遥感和导航系统n通信网络NGN时间和频率分发包交换网络中应用TDM移动通信网络n基站同步n报文解析、小区和用户区分（CDMA2000）GPS备用时钟源时间同步协议协议之间的比较NTPGPSIEEE1588Spatial areaWide areaWide areaa few subnetsCommunicationInternetSatellitesLANAccuracyA few msSub-usSub-usAdministrationConfiguredN/ASelf-organizingHardwareNoReceiverOptionalSecurityYesNoAvailable in v2Update intervalVaries,seconds1s2s(lower in v2)Latency correctionYesYesYesTTP、SERCOS等相对小众的协议基于总线结构，不做详细比较时间同步协议为什么选择IEEE1588nNTPInternet上广域AS目前不能实现足够高的精度nGPS天线安装、维护不易成本较高nIEEE1588针对LAN设计在硬件支持下可以实现高精度(sub-us)时间同步协议IEEE1588设计目标nSub-microsecond synchronization of real-time clocks in components of a networked distributed measurement and control systemnIntended for relatively localized systems typical of industrial automation and test and measurement environments.nApplicable to any local area networks supporting multicast communicationsnSimple,administration free installation,easy configurationnSupport heterogeneous systems of clocks with varying precision,resolution and stabilitynMinimal resource requirements on networks and host componentsnFast convergence内容提纲n时间分发协议概述系统时间及其重要性时钟同步精度为什么引入IEEE1588协议nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作基本报文交互流程偏差和延迟测量时钟调整n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用IEEE1588基本操作报文发送与接收n但远不止如此简单IEEE1588基本操作Delay,Jitter两个待解决问题IEEE1588基本操作Drift(Phase change rate)计算IEEE1588基本操作Drift 补偿频率同步nDrift诱因Slave晶振处于free-running状态，频率与Master晶振不同晶振频率随环境参数而变化nDrift补偿方法通过连续的Sync报文确定频率偏差并补偿补偿操作（改变晶振频率）周期性执行,interval=f(stability,accuracy)频率调整后slave晶振处于syntonized状态IEEE1588基本操作Offset,Delay计算IEEE1588基本操作Offset校准相位同步n校准简要过程根据报文中时间戳确定offset计算往返网络延迟DelaynDelay Request-Response mechanismnPeer Delay Request-Response mechanism根据offset,delay值计算时间调整量校准Slave时钟为Master时钟内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作基本报文交互流程偏差和延迟测量时钟调整n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍时钟类型及模型报文类型、数据类型拓扑、BMC、协议状态机及Data setsn协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用IEEE1588协议内容时钟类型nVersion 1Ordinary clockn单个PTP端口n一般为系统end设备Boundary clockn多个PTP端口n通常为网络中的路由器或交换机等通信设备nVersion 2End-to-End transparent clockPeer-to-Peer transparent clockIEEE1588协议内容Ordinary clockIEEE1588协议内容Ordinary clockn一个物理端口通过两个逻辑端口通信Event interfacen发送和接收event报文General interfacen发送和接收general报文n在网络中的角色Grand-master clockSlave clock in Master-Slave hierarchy IEEE1588协议内容Ordinary clockn右图为有硬件支持的Ordinary clockIEEE1588协议内容硬件时间标签操作IEEE1588协议内容Boundary clockIEEE1588协议内容Boundary clock modeln多个物理端口通过两个逻辑端口通信一个slave端口N-1个Master端口n除管理报文外的协议报文在此处终止n对于非PTP报文正常转发或路由IEEE1588协议内容Boundary clock的多子网拓扑应用IEEE1588协议内容End-to-end transparent clockn等同路由器等网络设备，正常转发报文n对于event报文，需要测量报文在设备内的驻留时间(residence time bridge)n同一个设备上不同端口上测量所得驻留时间不一定相同n同一个路径下不同报文所得驻留时间也不一定相同IEEE1588协议内容End-to-end transparent clockn驻留时间修正模型在精度要求较高的情况下，还需考虑透明时钟频率与主时钟频率不同步引入的误差IEEE1588协议内容E2E transparent clock应用拓扑nLinear topologyIEEE1588协议内容Peer-to-peer transparent clock处理PTP时间报文的方式与E2E透明时钟不同，其他方面一致仅校准和转发Sync,Follow_Up报文与对等Peer之间通过Pdelay_Req-Pdelay_Resp报文交互测量链路延迟与Delay_Req-Delay_Resp机制不兼容,所以支持该机制的设备不能出现在P2P链路中逐跳测量与Peer之间延迟，correctField中反映的是真实路径延迟（E2E则只是新路径延迟对之前路径延迟的大致估计）IEEE1588协议内容Peer-to-peer transparent clockn驻留时间及链路延迟修正模型IEEE1588协议内容P2P transparent clock应用拓扑nMultiply connected topologyIEEE1588协议内容报文类型nEvent报文accurate timestampSyncDelay_ReqPdelay_Req(v2)Pdelay_Resp(v2)nGeneral报文Announce(v2)Follow_UpDelay_RespPdelay_Resp_Follow_Up(v2)ManagementSignalingIEEE1588协议内容SyncnMaster clock发送n记录并交互两端时间信息n包含时钟特性信息n为了提高精度，这种报文应较易被PHY识别和监测，并精确地记录发送时间IEEE1588协议内容Follow_UpnMaster clock发送n包含Sync报文的精确发送时间n如果Sync报文中发送时间戳精度足够高则不需要Follow_Up报文IEEE1588协议内容Delay_Req,Delay_RespnDelay_Req报文格式（上）nDelay_Resp报文格式（下）IEEE1588协议内容其他报文nAnnounce报文建立同步关系接收节点执行BMC时应用报文中的信息nManagement报文查询、更新时钟所维护的PTP data setsnSignaling报文用于时钟间协商，如报文发送间隔等IEEE1588协议内容时间格式n时间基点：1970.1.1 00:00n126年后s域溢出n8925512年后epoch_number溢出n与其他时间基准之间的转换PTP_sec=NTP_sec 2208988800+currentUTCoffset PTP_sec=GPS_sec+315964819n其中，currentUTCoffset=TAI-UTCIEEE1588协议内容Data setsnOrdinary,boundary clocksdefaultDS:本地时钟属性，用于确定作为grandmaster时的性能和行为ntwoStepFlagnclockIdentitycurrentDS:Current synchronization and topological operational propertiesnoffsetFromMasternmeanPathDelayparentDS:parent和master clock的属性 nparentPortIdentityngrandmasterIdentitytimeProperitiesDS:Time base属性ncurrentUTCoffsetnLeap59ntimeSourceportDS:Clock port propertiesnpeerMeanPathDelaynlogSyncIntervalndelayMechanismIEEE1588协议内容Data setsnTransparent clockstransparentClockDefaultDSnclockIdentitynnumberPortsndelayMechanismtransparentClockPortDSnportIdentitynlogMinPdelayReqIntervalnpeerMeanPathDelayIEEE1588协议内容时钟状态n在状态机运行过程中本地时钟可能经历的状态有如下几种：PTP_INITIALIZINGn 端口初始化状态，初始化data sets,硬件等PTP_FAULTYn不参与协议同步操作，可以执行特定操作解除fault状态PTP_DISABLEDn不能发送任何报文PTP_LISTENINGn等待sync报文，从而在sub-domain内有序添加新的时钟PTP_PRE_MASTERn与Master状态下操作相同，但不能发送non-management报文PTP_MASTERnMaster portPTP_PASSIVEn除非用户指定不发送任何报文PTP_UNCALIBRATEDn监测到多个Master，BMC算法执行过程中的瞬态，选中新Master情况下执行同步servo初始化和data sets更新等操作PTP_SLAVEn与选中的Master端口同步IEEE1588协议内容State machineFull-implementationSlave-onlyIEEE1588协议内容Best Master Clock算法nBMC在每个端口上独立运行用于确定PTP系统中每个端口的状态各个时钟之间不相互协商，各自独立决定自身状态算法持续运行，能够重新适应(re-adapt)网络或时钟变化端口状态的确定是基于Sync报文中所包含信息以及本地时钟的defaultDSnPreferred:用户指定的特定时钟系列(defaultDS.priority1)nStratum:时钟层级(defaultDS.clockIdentity)nIdentifier:时钟精度(defaultDS.clockQuality.clockAccuracy)nVariance:时钟稳定性和噪声特性(offsetScaledLogVariance)nClosest:生成树算法中的最短距离(stepsRemoved)nUUID:tie-breakerIEEE1588协议内容BMC状态判决nErbest,EbestnClass 1-127自身不是Master时同步到其他参考时钟源的节点clockClass值应大于127，即在1-127范围内的时钟不能为slaveclockClass值小于128的时钟至少要比其值大于128的时钟稳定内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍时钟类型及模型报文类型、数据类型拓扑、BMC、协议状态机及Data setsn协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证协议实现同步精度硬件对协议的支持nIEEE1588 v2新特性n协议应用协议实现 PTP over UDP/IPv4/EthernetnUDPPort 319:event portPort 320:general portnIPTTL=0MC address:224.0.1.129 default domain 224.0.1.130 132 alternate domain 224.0.0.107 PTP-pdelaynEthernetEthertype:88F7MC MAC address:n01-1b-19-00-00-00n01-80-c2-00-00-0e协议实现如何实现高精度时钟同步n获取时间戳的位置尽量靠近PHY消除操作系统和协议栈对时间戳的影响有硬件支持nMII处增加报文监测和打时间戳装置n为每个timing报文获取精准时间戳无硬件支持n通过SW在ISR出口和入口获取时间戳n交换机或路由器设备支持边界时钟设备时钟同步到Master时钟源一个端口工作在slave状态，其余端口Master状态n统计方法减小抖动数值过滤，求均值等方法引入统计操作减缓收敛时间n区分报文优先级n本地时钟稳定性n消除路径延迟非对称性超出协议讨论范围协议实现遗留的误差n时间戳表示方法的量子化效应n数据路径的抖动n晶振不稳定性n非对称性物理传输介质收发器n测量误差内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证协议实现同步精度硬件对协议的支持nIEEE1588 v2新特性n协议应用内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性设备类型报文类型和报文格式其他n协议应用IEEE1588 v2新特性设备类型nE2E transparent clocks可用于hierarchy systems适用于线性系统随着设备数量增加性能降低（所有slave设备对Master可见）nP2P transparent clocks可用于hierarchy systems能够适应设备较多的情况系统拓扑变化时能够快速恢复必须在每个端口都维护路径长度状态和测量机制只能应用于homogenous P2P系统每个链路都要执行6次测量，一定程度上降低了精度IEEE1588 v2新特性报文格式nv2将时间测量与M-S体系结构建立分离v1:sync报文(165 octets)v2:sync报文(46 octets)+announce报文(88 octets)n报文中增加correctionField域Integer64高48位为ns数,低16位表示小数位,以1/216 ns为单位n0 x0000000000048000=4.5ns nsfrac64 16 0IEEE1588 v2新特性其他nSync,announce报文发送间隔更多选择2的幂次n新增TLV拓展机制n定义了新的profile以适应市场需求n增加UC选项n安全特性Integrity protection mechanismChallenge-response mechanismnSNMP MIBnTimescale可选The timescale PTPThe timescale ARB内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性设备类型报文类型和报文格式其他n协议应用内容提纲n时间分发协议概述nIEEE1588基本操作n协议内容介绍n协议具体实现及精度保证nIEEE1588 v2新特性n协议应用移动通信测量系统应用移动通信应用移动通信应用移动通信应用我们的实现nIEEE1588 v2n基于原有RC551设备n应用于基站回程网络n传输协议二层MC二层UCUDP MCUDP UCn支持设备类型支持TC支持BC可作为GrandmasterOrdinary clock作为Slaven设备可以在网络中灵活布置n同步精度满足3G网络要求=50ppbn支持SNMP MIB