IEEE1588周密時(shí)鐘同步協(xié)議測(cè)試技術(shù)

1、1引言以太網(wǎng)技術(shù)由于其開(kāi)放性好、價(jià)錢(qián)低廉和利用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)普遍應(yīng)用于電信級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度也從初期的10M提高到100M,GE，10GE。40GE，100GE正式產(chǎn)品也將于2020年推出。以太網(wǎng)技術(shù)是“即插即用”的，也確實(shí)是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò)上就能夠夠隨時(shí)利用其提供的業(yè)務(wù)?？墒牵挥小巴降摹钡腎P網(wǎng)絡(luò)才是一個(gè)真正的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)，才能夠?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)傳送各類(lèi)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。目前，電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)刻同步要求十分嚴(yán)格，關(guān)于一個(gè)全國(guó)范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一樣要求操縱在50ms之內(nèi)，現(xiàn)行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻協(xié)議NTP(NetworkTimeProtoc

2、ol)/簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻協(xié)議SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)等不能達(dá)到所要求的同步精度或收斂速度?；谝蕴W(wǎng)的時(shí)分復(fù)用通道仿真技術(shù)(TDMoverEthernet)作為一種過(guò)渡技術(shù)，具有必然的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步概念，能夠部份解決現(xiàn)有終端設(shè)備用于以太網(wǎng)的無(wú)縫連接問(wèn)題。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)那么專(zhuān)門(mén)適合于以太網(wǎng)，能夠在一個(gè)地域分散的IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)高精度的時(shí)鐘同步。本文重點(diǎn)介紹IEEE1588技術(shù)及其測(cè)試實(shí)現(xiàn)。2IEEE1588PTP介紹IEEE1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂和對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和操

3、縱系統(tǒng)的周密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(IEEE1588PrecisionClockSynchronizationProtocol)”，簡(jiǎn)稱(chēng)PTP(PrecisionTimingProtocol)，它的要緊原理是通過(guò)一同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，能夠使基于以太網(wǎng)的散布式系統(tǒng)達(dá)到精準(zhǔn)同步，IEEE1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也能夠應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。IEEE1588將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)鐘分為兩種，即一般時(shí)鐘(OrdinaryClock，OC)和邊界時(shí)鐘(BoundaryClock，BC)，只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是般時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每一個(gè)PTP端口提

4、供獨(dú)立的PTP通信。其中，邊界時(shí)鐘通經(jīng)常使用在確信性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如互換機(jī)和路由器)上。從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè)PTP通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個(gè)主時(shí)鐘。整個(gè)系統(tǒng)中的最優(yōu)時(shí)鐘為最高級(jí)時(shí)鐘GMC(GrandmasterClock)，有著最好的穩(wěn)固性、精準(zhǔn)性、確信性等。依照各節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別和UTC(通用和諧時(shí)刻)的可追溯性等特性，由最正確主時(shí)鐘算法(BestMasterClock)來(lái)自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘；在只有一個(gè)子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時(shí)鐘確實(shí)是最高級(jí)時(shí)鐘GMC。每一個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)GMC,且每一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)

5、鐘維持同步。圖1所示的是一個(gè)典型的主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意。MKljLtd曲PS-Aiafluiniii.S-Uivc|IkruiiliinCIlkIfLickUMIllHhiyC3ik3l皿c圖1主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示用意同步的大體原理包括時(shí)刻發(fā)出和接收時(shí)刻信息的記錄，而且對(duì)每一條信息增加一個(gè)“時(shí)刻戳”。有了時(shí)刻記錄，接收端就能夠夠計(jì)算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘誤差和延時(shí)。為了治理這些信息，PTP協(xié)議概念了4種多點(diǎn)傳送的報(bào)文類(lèi)型和治理報(bào)文，包括同步報(bào)文(Sync)，跟從報(bào)文(Follow_up)，延遲請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req)，延遲應(yīng)答報(bào)文(Delay_Resp)。這些報(bào)文的交互順序如圖2所示。收

6、到的信息回應(yīng)是與時(shí)鐘當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)的。同步報(bào)文是從主時(shí)鐘周期性發(fā)出的(一樣為每?jī)擅胍淮?，它包括了主時(shí)鐘算法所需的時(shí)鐘屬性?？偟膩?lái)講同步報(bào)文包括了一個(gè)時(shí)刻戳，精準(zhǔn)地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的估量時(shí)刻。圖2PTP報(bào)文與互換順序由于同步報(bào)文包括的是估量的發(fā)出時(shí)刻而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)刻，因此Sync報(bào)文的真實(shí)發(fā)出時(shí)刻被測(cè)量后在隨后的Follow_Up報(bào)文中發(fā)出。Sync報(bào)文的接收方記錄下真實(shí)的接收時(shí)刻。利用Follow_Up報(bào)文中的真實(shí)發(fā)出時(shí)刻和接收方的真實(shí)接收時(shí)刻，能夠計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)差，并據(jù)此更正從屬時(shí)鐘的時(shí)刻?？墒乾F(xiàn)在計(jì)算出的時(shí)差包括了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時(shí)，因此利用Delay_Req報(bào)文來(lái)概

7、念網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。Delay_Req報(bào)文在Sync報(bào)文收到后由從屬時(shí)鐘發(fā)出。與Sync報(bào)文一樣，發(fā)送方記錄準(zhǔn)確的發(fā)送時(shí)刻，接收方記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)刻。準(zhǔn)確的接收時(shí)刻包括在Delay_Resp報(bào)文中，從而計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)鐘誤差。同步的精準(zhǔn)度與時(shí)刻戳和時(shí)刻信息緊密相關(guān)。純軟件的方案能夠達(dá)到毫秒的精度，軟硬件結(jié)合的方案能夠達(dá)到微秒的精度。PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時(shí)的最精準(zhǔn)的匹配時(shí)刻，每一個(gè)從時(shí)鐘通過(guò)與主時(shí)鐘互換同步報(bào)文而與主時(shí)鐘達(dá)到同步。那個(gè)同步進(jìn)程分為漂移測(cè)量時(shí)期和偏移測(cè)量與延遲測(cè)量時(shí)期。第一時(shí)期修正主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)刻誤差，稱(chēng)為漂移測(cè)量。如圖3所示，在修正漂移量的進(jìn)程中，主時(shí)鐘依

8、照概念的距離時(shí)刻(缺省是2s)周期性地向相應(yīng)的從時(shí)鐘發(fā)出惟一的同步報(bào)文。那個(gè)同步報(bào)文包括該報(bào)文離開(kāi)主時(shí)鐘的時(shí)刻估量值。主時(shí)鐘測(cè)量傳遞的準(zhǔn)確時(shí)刻TOK，從時(shí)鐘測(cè)量接收的準(zhǔn)確時(shí)刻T1K。以后主時(shí)鐘發(fā)出第二條報(bào)文跟從報(bào)文(Follow_upMessage)，此報(bào)文與同步報(bào)文相關(guān)聯(lián)，且包括同步報(bào)文放到PTP通信途徑上的更為精準(zhǔn)的估量值。如此，對(duì)傳遞和接收的測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻戳的傳播能夠分離開(kāi)來(lái)。從時(shí)鐘依照同步報(bào)文和跟從報(bào)文中的信息來(lái)計(jì)算偏移量，然后依照那個(gè)偏移量來(lái)修正從時(shí)鐘的時(shí)刻，若是在傳輸途徑中沒(méi)有延遲，那么兩個(gè)時(shí)鐘就會(huì)同步。)1吟j3=6二一二嚴(yán)Drift圖3PTP時(shí)鐘漂移測(cè)量計(jì)算為了提高修正精度，能

9、夠把主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的報(bào)文傳輸延遲等待時(shí)刻考慮進(jìn)來(lái)，即延遲測(cè)量，這是同步進(jìn)程的第二個(gè)時(shí)期（見(jiàn)圖4）。D-lktay-i,i*tzh-aOJIwel-C履訂材Cl站、*MnslrrClKkLWVIBlSflI|fIjhGp.l：4OffbfEQyavcCIcKk”圖4PTP時(shí)鐘延遲和偏移計(jì)算從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)出一個(gè)“延遲請(qǐng)求”數(shù)據(jù)報(bào)文，在那個(gè)進(jìn)程中決定該報(bào)文傳遞準(zhǔn)確時(shí)刻T2。主時(shí)鐘對(duì)接收數(shù)據(jù)包打上一個(gè)時(shí)刻戳，然后在“延遲響應(yīng)”數(shù)據(jù)包中把接收時(shí)刻戳B送回到從時(shí)鐘。依照傳遞時(shí)刻戳B和主時(shí)鐘提供的接收時(shí)刻戳D，從時(shí)鐘計(jì)算與主時(shí)鐘之間的延遲時(shí)刻。與偏移測(cè)量不同，延遲測(cè)量是不規(guī)那么進(jìn)行的，其測(cè)量距離時(shí)刻（缺省

10、值是460s之間的隨機(jī)值）比偏移值測(cè)量距離時(shí)刻要大。如此使得網(wǎng)絡(luò)尤其是設(shè)備終端的負(fù)荷可不能太大。采納這種同步進(jìn)程，能夠消減PTP協(xié)議棧中的時(shí)刻波動(dòng)和主從時(shí)鐘間的等待時(shí)刻。從圖4右邊能夠看到延遲時(shí)刻D和偏移時(shí)刻數(shù)值O的計(jì)算方式。IEEE1588目前的版本是，要緊應(yīng)用于相對(duì)本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)固，其優(yōu)勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)具有代表性，而且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，專(zhuān)門(mén)適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。與其他經(jīng)常使用于EthernetTCP/IP網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相較，要緊區(qū)別是PTP是針對(duì)更穩(wěn)固和更平安的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)的，因此更為簡(jiǎn)單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源也更少。NTP協(xié)議是針關(guān)于普遍分

11、散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的時(shí)刻同步協(xié)議。GPS（基于衛(wèi)星的全世界定位系統(tǒng)）也是針關(guān)于分散普遍且各自獨(dú)立的系統(tǒng)。PTP概念的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠使自身達(dá)到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時(shí)刻戳更易在硬件上實(shí)現(xiàn)，而且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP能夠達(dá)到微秒之內(nèi)的精度。另外，PTP模塊化的設(shè)計(jì)也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所概念的精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分派操縱工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)刻模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)刻模式分開(kāi)的成效。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻波動(dòng)降低到能夠同意的，不阻礙操縱精度的范圍。3IXIAIEEE1

12、588PTP測(cè)試方案美國(guó)IXIA公司目前提供最為完整的城域以太網(wǎng)功能、性能、一致性測(cè)試解決方案，而且最先在27層統(tǒng)一IP測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了IEEE1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)方案。關(guān)于IXIA的城域以太網(wǎng)測(cè)試解決方案在以前有過(guò)詳細(xì)介紹，在那個(gè)地址對(duì)相應(yīng)的技術(shù)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)IXIA應(yīng)用程序做一總結(jié)（見(jiàn)表1）。表1IXIA城域以太網(wǎng)測(cè)試方案及對(duì)應(yīng)程序技耒點(diǎn)方棗對(duì)應(yīng)IXIA應(yīng)用程暉I?EF測(cè)試洌,Io砸鈕Lab推菩工具ijtMT兀一站晌MEF14施PL4測(cè)試fflJftL/fettttLiB推薦工hAHtUMAU掠準(zhǔn)測(cè)試側(cè)I?常由RJFhQSFFJSiS.EIGRF,BGFIzEflorerflxNetwcrk

13、nxAitoznaie功能和性肓卻|試MPLSWRHSVP-IEI価卩軸加lxNetusk功能和性能測(cè)試高可靠性(Hh)特性GtaceFulRestartPFafft-HeroutetBirDiwctwna.lFoircLngretectL&n(BTD)lxHetwoik功能和性$測(cè)試VFLSVPLS.LDF,WPLS-BUPQin.Q7LAJ1bekingRou1噸Q-in-Qk刪吒到生躺ktspkirerUxMotworkflxA(LtomaiP功鏈和性WEillll試5TP/RSTP/M5TF協(xié)議偽瓦與一鎖性唧武IxKbrTL,hNetwurk%.站M曲02laMFBB/FBT(FBB-

14、TE)數(shù)據(jù)平面和轉(zhuǎn)版平面測(cè)宦IxHctwoikLACPLAC?Te貝3喝完整的協(xié)諫訪真IxAntomjate?IxNehrork(Etud-to-EndTestmg)10/KM/lCOCiEtlemffiCopper,FiberadDualIvtdiaPorte攝高審度便件，一亍梗決達(dá)1ST口10GbEthenet10GLANAVAKnJni-Pky杲高密度硬件，一1卜模塊達(dá)E個(gè)端口SOHET(FOSDH)0(42,1?2所有岡扎應(yīng)用程序取太網(wǎng)0啟IMITU-TY.n31rEEES02.1S02.3ihIxNetroik功能和f生能測(cè)試LrMT吒一致1生測(cè)試3021x30213)Support

15、仙2(K.lrJ4ACCL2JL3)IzHetuFuiktIxLoad功皚和堆能測(cè)泣圖5是典型的IEEE1588PTP測(cè)試場(chǎng)景,XIA測(cè)試端口能夠仿真一般時(shí)鐘并處于主模式，被測(cè)設(shè)備，比如以太網(wǎng)互換機(jī)處于邊界時(shí)鐘狀態(tài)，驗(yàn)證其對(duì)各類(lèi)時(shí)鐘報(bào)文的處置能力與實(shí)現(xiàn)；另一種測(cè)試情形是IXIA端口仿真邊界時(shí)鐘并處于從屬模式，這時(shí)被測(cè)設(shè)備處于主模式，驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備在主時(shí)鐘模式下的處置機(jī)制。IXIA端口都有PTP協(xié)議棧，能夠?qū)TP時(shí)鐘信息做靈活的配置。圖5IEEE1588典型測(cè)試場(chǎng)景IXIAIEEE1588PTP測(cè)試方案所支持的特性包括：支持目前最為流行的IEEE1588版本；支持兩步時(shí)鐘配置；一個(gè)物理端口能夠同

16、時(shí)產(chǎn)生PTP流量和非PTP流量；一個(gè)物理端口一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)設(shè)置，時(shí)鐘能夠手動(dòng)設(shè)置為主模式或從模式；能夠以柱狀圖顯示從時(shí)鐘對(duì)應(yīng)于主時(shí)鐘的偏移量；IXIAIxExplorer內(nèi)置的實(shí)時(shí)協(xié)議分析解碼軟件能夠?qū)TP報(bào)文直接進(jìn)行編輯或解碼。在測(cè)試進(jìn)程中能夠?qū)崟r(shí)顯示各類(lèi)詳細(xì)的PTP統(tǒng)計(jì)信息，統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表2。表2IXIAIEEE1588PTP測(cè)試統(tǒng)計(jì)信息ClockID該接口上時(shí)鐘的識(shí)別ID號(hào)State主，從，不確定或者耒校準(zhǔn)4種時(shí)鐘狀態(tài)TimeStamp時(shí)間戳統(tǒng)計(jì)AtmouhceMessagesSent發(fā)訣的T応總報(bào)文數(shù)量AimniiiLceMessagesRecerved接收的hiuioimce報(bào)文數(shù)星S

17、yncMessagesSent發(fā)送的Sync報(bào)立數(shù)量SyncMessigeERj&ceived接枝的Sync報(bào)文數(shù)量Folioir-upIvfesagesSent發(fā)訣的氐血叫叩報(bào)文數(shù)量FuEjw-upMessagesReceivied.接收的Folkii-up報(bào)立數(shù)量DelayRjeqiiestMessagesSent發(fā)哇的DelayRequest報(bào)文數(shù)量DelayRjeqwestMessagesReceived.接收的DelayRequest掘文數(shù)量DelayP.espjriseMessagesSent發(fā)送的DeLayResponse報(bào)文數(shù)晝DelayKjespoxiwMessagesRje

18、ceiwd.接收的DelayRespcjnse報(bào)丈數(shù)邂ClockOffset時(shí)鐘偏移量TimeSlope時(shí)間偏斜度MeanPathDelay平均適道延時(shí)RjecQidHistQgmuData將測(cè)試結(jié)果記錄対柱伏圖SaveHislgnamData,toDisk將柱弒圖數(shù)據(jù)保存到硬盤(pán)上IXIAIEEE1588PTP方案還能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)面測(cè)試（NegativeTesting廠能夠依照需要設(shè)定發(fā)送Sync報(bào)文中Follow-up報(bào)文的比例觀看拋棄掉的Follow-up報(bào)文對(duì)被測(cè)設(shè)備的阻礙；在Follow-up報(bào)文中增加錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備的處置與檢測(cè)能力；發(fā)送包括抖動(dòng)與偏移的帶有時(shí)刻戳的數(shù)據(jù)包迫使Sync報(bào)文失敗，查驗(yàn)被測(cè)設(shè)備的處置機(jī)制。圖6所示為PTP時(shí)鐘配制界面。FIT!PutNwteLfiflSw：T-f4aTvlvl3諭PRC*網(wǎng)呻即呼AlRTFClockConfiguration圖6PTP時(shí)鐘配置界面4終止語(yǔ)依照最新的信息公告，IXIA被eWeek授予年度十大產(chǎn)品獎(jiǎng)之一，被Frost&Sullivan