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

1 引言

　　以太網(wǎng)技術(shù)由于其開放性好、價(jià)格低廉和使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度也從早期的10M提高到100M，GE，10GE。40GE，100GE正式產(chǎn)品也將于2009年推出。

　　以太網(wǎng)技術(shù)是“即插即用”的，也就是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò)上就可以隨時(shí)使用其提供的業(yè)務(wù)。但是，只有“同步的”的IP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)傳送各種實(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)間同步要求十分嚴(yán)格，對(duì)于一個(gè)全國(guó)范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般要求控制在50ms之內(nèi)，現(xiàn)行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol），簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP（SimpleNetwork Time Protocol）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)（TDM over Ethernet）作為一種過(guò)渡技術(shù)，具有一定的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步概念，可以部分解決現(xiàn)有終端設(shè)備用于以太網(wǎng)的無(wú)縫連接問(wèn)題。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)則特別適合于以太網(wǎng)，可以在一個(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IEEE 1588技術(shù)及其測(cè)試實(shí)現(xiàn)。

2 IEEE1588PTP介紹

　　IEEE1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE1588Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡(jiǎn)稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過(guò)一個(gè)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，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(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，即普通時(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)鐘是普通時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每個(gè)PTP端口提供獨(dú)立的PTP通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(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（Grandmaster Clock），有著最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock）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)鐘就是最高級(jí)時(shí)鐘GMC。每個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)GMC，且每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步。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。

圖1主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意圖

　　同步的基本原理包括時(shí)間發(fā)出和接收時(shí)間信息的記錄，并且對(duì)每一條信息增加一個(gè)“時(shí)間戳”。有了時(shí)間記錄，接收端就可以計(jì)算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘誤差和延時(shí)。為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了4種多點(diǎn)傳送的報(bào)文類型和管理報(bào)文，包括同步報(bào)文（Sync），跟隨報(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(一般為每?jī)擅胍淮?，它包含了主時(shí)鐘算法所需的時(shí)鐘屬性?？偟膩?lái)說(shuō)同步報(bào)文包含了一個(gè)時(shí)間戳，精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。