網路測控系統精確時鐘同步協議（1588PTP伺服器）

網路測控系統精確時鐘同步協議（1588PTP伺服器）

京準電子科技官微——ahjzsz

1、引言

　　乙太網技術由於其開放性好、價格低廉和使用方便等特點，已經廣泛應用於電信級別的網路中，乙太網的資料傳輸速度也從早期的10M提高到100M，GE，10GE。40GE，100GE正式產品也於2009年推出。

　　乙太網技術是“即插即用”的，也就是將乙太網終端接到IP網路上就可以隨時使用其提供的業務。但是，只有“同步的”的IP網路才是一個真正的電信級網路，才能夠為IP網路傳送各種實時業務與資料業務的多重播放業務提供保障。目前，電信級網路對時間同步要求十分嚴格，對於一個全國範圍的IP網路來說，骨幹網路時延一般要求控制在50ms之內，現行的網際網路網路時間協議NTP（Network Time Protocol），簡單網路時間協議SNTP（Simple Network Time Protocol）等不能達到所要求的同步精度或收斂速度。基於乙太網的時分複用通道模擬技術（TDM over Ethernet）作為一種過渡技術，具有一定的乙太網時鐘同步概念，可以部分解決現有終端裝置用於乙太網的無縫連線問題。IEEE 1588標準則特別適合於乙太網，可以在一個地域分散的IP網路中實現微秒級高精度的時鐘同步。本文重點介紹IEEE 1588技術及其測試實現。

2、IEEE 1588PTP介紹

　　IEEE 1588PTP協議借鑑了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網路頻寬和資源消耗少等特點。IEEE1588標準的全稱是“網路測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過一個同步訊號週期性的對網路中所有節點的時鐘進行校正同步，可以使基於乙太網的分散式系統達到精確同步，IEEE 1588PTP時鐘同步技術也可以應用於任何組播網路中。

　　IEEE 1588將整個網路內的時鐘分為兩種，即普通時鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時鐘（Boundary Clock，BC），只有一個PTP通訊埠的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP通訊埠的時鐘是邊界時鐘，每個PTP埠提供獨立的PTP通訊。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網路裝置（如交換機和路由器）上。從通訊關係上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP通訊子網內只能有一個主時鐘。整個系統中的最優時鐘為最高階時鐘GMC（Grandmaster Clock），有著最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上時鐘的精度和級別以及UTC（通用協調時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘演算法（Best Master Clock）來自動選擇各子網內的主時鐘；在只有一個子網的系統中，主時鐘就是最高階時鐘GMC。每個系統只有一個GMC，且每個子網內只有一個主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。圖1所示的是一個典型的主時鐘、從時鐘關係示意。

 圖1  主時鐘、從時鐘關係示意圖

　　同步的基本原理包括時間發出和接收時間資訊的記錄，並且對每一條資訊增加一個“時間戳”。有了時間記錄，接收端就可以計算出自己在網路中的時鐘誤差和延時。為了管理這些資訊，PTP協議定義了4種多點傳送的報文型別和管理報文，包括同步報文（Sync），跟隨報文（Follow_up），延遲請求報文（Delay_Req），延遲應答報文（Delay_Resp）。這些報文的互動順序如圖2所示。收到的資訊迴應是與時鐘當前的狀態有關的。同步報文是從主時鐘週期性發出的(一般為每兩秒一次)，它包含了主時鐘演算法所需的時鐘屬性。總的來說同步報文包含了一個時間戳，精確地描述了資料包發出的預計時間。

圖2  PTP報文與交換順序

　　由於同步報文包含的是預計的發出時間而不是真實的發出時間，所以Sync報文的真實發出時間被測量後在隨後的Follow_Up報文中發出。Sync報文的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up報文中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，並據此更正從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網路傳輸造成的延時，所以使Delay_Req報文來定義網路的傳輸延時。

　　Delay_Req報文在Sync報文收到後由從屬時鐘發出。與Sync報文一樣，傳送方記錄準確的傳送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp報文中，從而計算出網路延時和時鐘誤差。同步的精確度與時間戳和時間資訊緊密相關。純軟體的方案可以達到毫秒的精度，軟硬體結合的方案可以達到微秒的精度。PTP協議基於同步資料包被傳播和接收時的最精確的匹配時間，每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達到同步。這個同步過程分為漂移測量階段和偏移測量與延遲測量階段。

第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為漂移測量。如圖3所示，在修正漂移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間（預設是2s）週期性地向相應的從時鐘發出惟一的同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量傳遞的準確時間T0 K，從時鐘測量接收的準確時間T1 K。之後主時鐘發出第二條報文——跟隨報文（Follow_up Message），此報文與同步報文相關聯，且包含同步報文放到PTP通訊路徑上的更為精確的估計值。這樣，對傳遞和接收的測量與標準時間戳的傳播可以分離開來。從時鐘根據同步報文和跟隨報文中的資訊來計算偏移量，然後按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那麼兩個時鐘就會同步。

圖3  PTP時鐘漂移測量計算

為了提高修正精度，可以把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段（見圖4）。

圖4  PTP時鐘延遲和偏移計算

　　從時鐘向主時鐘發出一個“延遲請求”資料報文，在這個過程中決定該報文傳遞準確時間T2。主時鐘對接收資料包打上一個時間戳，然後在“延遲響應”資料包中把接收時間戳B送回到從時鐘。根據傳遞時間戳B和主時鐘提供的接收時間戳D，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進行的，其測量間隔時間（預設值是4~60s之間的隨機值）比偏移值測量間隔時間要大。這樣使得網路尤其是裝置終端的負荷不會太大。採用這種同步過程，可以消減PTP協議棧中的時間波動和主從時鐘間的等待時間。從圖4右邊可以看到延遲時間D 和偏移時間數值O的計算方法。

　　IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要應用於相對本地化、網路化的系統，內部元件相對穩定，其優點是標準非常具有代表性，並且是開放式的。由於它的開放性，特別適合於乙太網的網路環境。與其他常用於Ethernet TCP/IP網路的同步協議如SNTP或NTP相比，主要區別是PTP是針對更穩定和更安全的網路環境設計的，所以更為簡單，佔用的網路和計算資源也更少。NTP協議是針對於廣泛分散在網際網路上的各個獨立系統的時間同步協議。GPS(基於衛星的全球定位系統)也是針對於分散廣泛且各自獨立的系統。PTP定義的網路結構可以使自身達到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時間戳更容易在硬體上實現，並且不侷限於應用層，這使得PTP可以達到微秒以內的精度。此外，PTP模組化的設計也使它很容易適應低端裝置。

　　IEEE1588標準所定義的精確網路同步協議實現了網路中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通訊，從而達到了通訊時間模式與應用程式執行時間模式分開的效果。

　　由於高精度的同步工作，使乙太網技術所固有的資料傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的範圍。

　　3  IXIA IEEE 1588PTP測試方案

　　美國IXIA公司目前提供最為完整的城域乙太網功能、效能、一致性測試解決方案，並且最先在2~7層統一IP測試平臺實現了IEEE 1588PTP時鐘同步技術方案。關於IXIA 的城域乙太網測試解決方案在以前有過詳細介紹，在這裡對相應的技術點和對應IXIA應用程式做一總結（見表1）。

表1  IXIA城域乙太網測試方案及對應程式

　　圖5是典型的IEEE 1588PTP測試場景，IXIA測試埠可以模擬普通時鐘並處於主模式，被測裝置，比如乙太網交換機處於邊界時鐘狀態，驗證其對各種時鐘報文的處理能力與實現；另一種測試情況是IXIA埠模擬邊界時鐘並處於從屬模式，這時候被測裝置處於主模式，驗證被測裝置在主時鐘模式下的處理機制。IXIA埠都有PTP協議棧，可以對PTP時鐘資訊做靈活的配置。

圖5  IEEE 1588典型測試場景

IXIA IEEE 1588PTP測試方案所支援的特性包括：支援目前最為流行的IEEE 1588 2.2版本；支援兩步時鐘配置；一個物理埠可以同時產生PTP流量和非PTP流量；一個物理埠一個時鐘訊號設定，時鐘可以手動設定為主模式或者從模式；可以以柱狀圖顯示從時鐘對應於主時鐘的偏移量；IXIA IxExplorer內建的實時協議分析解碼軟體可以對PTP報文直接進行編輯或者解碼。在測試過程中可以實時顯示各種詳細的PTP統計資訊，統計資訊見表2。

表2  IXIA IEEE 1588PTP測試統計資訊

IXIA IEEE 1588PTP方案還可以實現負面測試（Negative Testing），可以根據需要設定傳送Sync報文中Follow-up報文的比例，觀察丟棄掉的Follow-up報文對被測裝置的影響；在Follow-up報文中增加錯誤資料包，驗證被測裝置的處理與檢測能力；傳送包括抖動與偏移的帶有時間戳的資料包迫使Sync報文失敗，檢驗被測裝置的處理機制。圖6所示為PTP時鐘配製介面。

圖6  PTP時鐘配置介面

　　4  結束語

　　根據最新的資訊公告，IXIA 被eWeek授予年度十大產品獎之一，被Frost & Sullivan授予2008全球三重播放綜合測試和監測裝置的年度市場領先獎，被Test & Measurement World授予三個最佳測試獎，以及被Internet Telephony授予年度產品獎，被如此眾多令人尊敬有技術影響力組織機構的認可，進一步證明了IXIA正在推動測試、測量和業務認證市場的進步和戰略創新，在城域乙太網網技術方面，IXIA同樣保持領先的地位，推出了業界第一個100G高速乙太網測試加速系統，第一個在統一2~7層IP測試平臺上推出了IEEE 1588PTP 精密時鐘同步協議測試技術，IXIA這些技術創新和技術的領導地位，都為全面的IP測試提供了可靠保證。