IEEE 1588协议简单理解

​ IEEE 1588 是一个精密时间协议 (PTP)，用于同步计算机网络中的时钟。 在局域网中，它能将时钟精确度控制在亚微秒范围内，使其适于测量和控制系统。 IEEE 1588 标准为时钟分配定义了一个主从式架构，由一个或多个网段及一个或多个时钟组成。
​ TSN 网络中时间同步协议使用 IEEE 802.1AS 协议，它基于 IEEE 1588 协议进行精简和修改，也称为 gPTP 协议。
​ IEEE 1588 协议简称精确时钟协议 PTP（Precision Timing Protocol），它的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）。其工作的基本原理，是通过主从节点之间进行同步数据帧的发送，记录数据帧的发送时间和接收时间信息进行，并且将该时间信息添加到该数据帧中。从节点获取这些时间信息，并计算从节点本地时钟与主时钟的时间偏差和网络节点之间的传输延时，对本地时钟进行纠正，使之与主节点时钟同步。一个 PTP 网络只能存在一个主时钟。
​ PTP 协议主要分为两大部分来实现时钟同步功能：
​ 1、建立同步体系：
​ 协议使用最佳主时钟算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA），通过选取主时钟，建立主从拓扑关系，进而在整个 PTP 网络中建立起同步体系。
​ 2、同步本地时钟：
​ 协议使用本地时钟同步算法（Local Clock Synchronization Algorithm，LCS），通过 PTP 数据报文在网络主从节点之间的交换，计算各从节点本地时钟与主时钟间的时间偏差，调整本地时钟，使之与主时钟同步。

IEEE 1588v1

​ 整个 PTP 网络内的时钟可按照其上 PTP 通信端口的数目来划分成普通时钟（Ordinary Clock，OC）与边界时钟（Boundary Clock，BC）：普通时钟只存在一个，而边界时钟则存在多个。一般在确定性不高的网络节点处使用边界时钟，例如交换机或者路由器一般用作边界时钟，如下图所示。在每个端口上，PTP 通信都是独立进行的。

边界时钟的引入.png

​ 1、边界时钟：
​ 边界时钟上只允许存在一个从端口，与上级节点的主端口通信，将其本地时钟与级主端口进行同步。其余端口为主端口，与下游节点的从端口进行通信。边界时钟可以连接不同的网络协议。
​ 2、同步体系建立流程：
​ （1）初始状态，各个节点端口会在指定的时间内侦听网络中的 Sync 数据帧； 若接收到 Sync 数据帧，节点端口将根据最佳主时钟算法决定端口状态。若没有收到 Sync 数据帧，该节点状态变更为 Pre_Master，并将自己假定为主时钟节点。此时节点端口状态表现为主时钟，但是并不发送 Sync 帧。
​ （2）端口状态在一定时间内保持 Pre_Master：
若在端口指定时间内接收到 Sync 数据帧，则该端口状态由最佳主时钟算法决定。
若判定端口为主时钟，则将周期性地发送 Sync 帧；若判定为从时钟，则接受 Sync 帧，并计算偏差，纠正本地时钟。
​ 若在该时间段内端口没有收到 Sync 数据帧，则将状态变更为主时钟，并且开始定时发送 Sync 数据帧。
​ （3）主时钟和从时钟的状态随着时钟性能与运行状态的变化而变化。下图展示了 BMCA 中状态转移。

时钟同步状态转移.png

​ 3、时间同步建立流程：

​ 如下图PTP同步原理

PTP同步原理.png

​ 如图所示，Master为网路中的同步时钟源，可以认为其与UTC或者GPS时无限接近。Slave为网络中需要被同步设备。假设从Master到Slave的路径符合对称路径，那么路径上的延时我们设Delay，然后设备Master和设备Slave之间待同步的时间差值为Offset，即Slave比Master在同一时刻慢Offset。

​ 可以算出

​ Slave设备根据算出的Offset即可以进行本地时钟校准。但是1588V1协议依赖于链路的对称性，即Master到Slave与Slave到Master时延一致，这在实际网络状况下很难满足，故需要额外的不对称算法进行链路延时差计算和补偿校准。

IEEE 1588v2

​ IEEE1588V2在IEEE1588V1版本上做了改进和扩展。主要包括：

​ 1.新增点到点路径延时测量的独立消息模式。

点对点延时测量原理.png

端口 A 与端口 B 间的路径延迟时间 Delay 为

​ 在 PTPv1 中，平均路径延迟测量时通过 Sync 帧与 Delay_Req 帧配合使用的，但是在 PTPv2 中却不需要 Sync 帧的参与，仅通过 PDelay_Req 数据帧系列来进行测量。这是一个独立的延迟测量过程，不依赖 Sync 帧和同步体系建立的参与，使得测量精度有所提高，并且可以经过多次测量求得平均值得到更为准确的路径延迟。另一方面，如果网络中的同步体系发生改变，这时不需要重新计算该节点间的路径延迟，直接使用之前已测得的延迟数据，大大增强了协议执行的效率，使得协议更为方便灵活。在PTPv2 中，利用 PDelay_req 数据帧系列已成为主要的测量路径延迟方法。
​ 2、新增透明时钟模型
​ 在 PTPv1 中，网络中间节点均采用边界时钟模型。与网络中唯一的主时钟，即一个普通时钟连接的边界时钟，其上唯一的从端口接收主节点发送的同步数据帧，与主时钟实现同步，其余的主端口和与之相连的其他边界时钟发送同步数据帧，最后同步到网络边缘的普通时钟，这样便实现了整个网络的时间同步。这种方法虽然可行，但是由于这种方式是逐级同步，所以距离主时钟越远的节点，同步精度越低。
​ 当网络中的一些节点不需要进行时钟同步或者不具备同步功能时，便可采用透明时钟模型。透明时钟不像 BC/OC 模式那样，需要每个节点都与主时钟进行同步，它的端口只对协议数据帧进行转发，并将计算出的数据帧滞留时间添加在校正域中。这种方式将 PTP 数据帧的处理变得更为简单，降低了网络中 PTP 协议的实施难度，同时提高了各从节点的同步精度。
​ 透明时钟有模型两种：端对端透明时钟，和点对点透明时钟。
​ （1）端对端（E2E）透明时钟
​ E2E 透明时钟对网络中普通数据帧不做任何处理，仅进行转达让其正常通过。但是对于 PTP 事件数据帧，则将他们从接收端口到发送端口间的驻留延迟时间累加到数据帧中的修正域，用以弥补 PTP 数据帧在经过其自身所带来的延迟误差。
​ （2）点对点（P2P）透明时钟
​ 点对点（P2P）透明时钟只转发特定的 PTP 报文，包括 Sync 帧、Follo_Up 帧和Announce 帧等。并且会采用 Pdelay_Req 数据帧系列计算每个端口与所连接的端口间的路径延迟时间，再与端口间延迟时间合并添加到时间修正域，来补偿数据帧从源端口到点对点透明时钟出端口的时间延迟。
​ 3、增加单步时钟模型
​ 单步时钟模型解决了 Follow_Up 帧与 Sync 帧匹配问题。PTP 协议基本的同步过程采用双步模式，即主时钟节点发送 Sync 帧，和带有 Sync 帧发送时间的Follow_Up帧。这种方式虽然能提高 Sync 帧时间戳标记的精度，提高同步效果，但是在网络负载较大的情况下，数据帧很有可能发生丢失或者阻塞，造成两种数据帧的匹配出现差错。
​ 在 PTP 数据帧中设置一个标志，来使用单步模式，将 Sync 帧的发送时间与数据帧中的时间标签的差值作为传输延迟，并将其累加到修正域中。这样主时钟便通过单独的 Sync 帧而不需要 Follow_Up 进行时间的同步校准工作。
​ 单步模式可以减少网络流量，提高网络负载较大时同步的可靠性。单步模式需要额外的辅助硬件，来帮助计算时间修正值并将其累加到校正域中，这对网络的实时性有比较高的要求。

BMCA

​ BMCA，即最佳主时钟算法，它选择网络中性能最佳的时钟作为主时钟，并以
此建立网络拓扑，生成同步体系，进而实现时钟同步功能。
​ 最佳主时钟的选取是通过Announce帧在网络中各节点的传输，比较各个节点上的时钟属性（比如是否将时钟指定为主或者从时钟），用于标识精度的时钟等级，以及用于标识时钟源类型的时钟类型（比如铷钟、铯钟等），还有表示时钟偏移、方差等的时钟特性、时钟地址以及时钟端口号等特征来选择最佳主时钟，当其他时钟特征都一样是，协议会将端口号最小的节点时钟作为主时钟。IEEE 1588协议会以主时钟节点作为根节点形成树形拓扑结构，并且为避免生成回路，那些竞争失败的节点端口，协议将他们定义为被动或者禁用状态。