【8A文】IEEE1588协议介绍

基本报文交互流程 偏差和延迟测量 时钟调整

协议内容介绍 协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用
IEEE1588基本操作
报文发送与接收

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

currentDS: Current synchronization and topological operational properties



parentDS: parent和master clock的属性


timeProperitiesDS: Time base属性

currentUTCoffset Leap59 timeSource

时间分发协议概述 IEEE1588基本操作 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 sets

协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用
IEEE1588协议内容
时钟类型

Version 1

Ordinary clock
IEEE1588精准时间同步协议
软件二部
内容提纲


时间分发协议概述 IEEE1588同步过程 协议内容介绍 协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用
内容提纲

时间分发协议概述



IEEE1588同步过程 协议内容介绍 协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用

GPS


IEEE1588

时间同步协议

IEEE1588设计目标
Sub-microsecond synchronization of real-time clocks in components of a networked distributed measurement and control system Intended for relatively localized systems typical of industrial automation and test and measurement environments. Applicable to any local area networks supporting multicast communications Simple, administration free installation, easy configuration Support heterogeneous systems of clocks with varying precision, resolution and stability Minimal resource requirements on networks and host components Fast convergence
IEEE1588基本操作
Offset, Delay计算
IEEE1588基本操作
Offset校准——相位同步

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Delay

Delay Request-Response mechanism Peer Delay Request-Response mechanism




IEEE1588协议内容

End-to-end transparent clock
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

Linear topology
IEEE1588协议内容

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

时间分发协议概述 IEEE1588基本操作

基本报文交互流程 偏差和延迟测量 时钟调整

协议内容介绍 协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用
内容提纲


为什么需要低于us级的精度

自动化和控制系统 测量和自动化测试系统 遥测、遥感和导航系统 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

基站同步 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
NTP
Spatial area Wide area Communication Internet Accuracy Administration Hardware Security A few ms Configured No Yes

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）
GPS
Wide area Satellites Sub-us N/A Receiver No
IEEE1588
a few subnets LAN Sub-us Self-organizing Optional Available in v2
Update interval
Latency correction
IEEE1588协议内容
Delay_Req, Delay_Resp

Delay_Req报文格式（上） Delay_Resp报文格式（下）
IEEE1588协议内容
其他报文

Announce报文

建立同步关系 接收节点执行BMC时应用报文中的信息 查询、更新时钟所维护的PTP data sets 用于时钟间协商，如报文发送间隔等





内容提纲

时间分发协议概述


IEEE1588基本操作 协议内容介绍 协议具体实现及精度保证 IEEE1588 v2新特性 协议应用
系统时间及其重要性 时钟同步精度 为什么引入IEEE1588协议
内容提纲

时间分发协议概述 IEEE1588基本操作




IEEE1588协议内容

Peer-to-peer transparent clock
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

Multiply connected topology
IEEE1588协议内容
报文类型



其中，currentUTCoffset = TAI - UTC
IEEE1588协议内容
Data sets



Ordinary, boundary clocks
defaultDS:本地时钟属性，用于确定作为grandmaster时的性能和行为
twoStepFlag clockIdentity offsetFromMaster meanPathDelay parentPortIdentity grandmasterIdentity


General报文



IEEE1588协议内容
Sync



Master clock发送 记录并交互两端时间 信息 包含时钟特性信息 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_Up


Master clock发送 包含Sync报文的精确发送时间 如果Sync报文中发送时间戳精度足够高 则不需要Follow_Up报文
系统时间及其重要性 时钟同步精度 为什么引入IEEE1588协议
系统时间

定义及作用 提供参考时间的时钟所表示的数值 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

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
Event报文——accurate timestamp
Sync Delay_Req Pdelay_Req(v2) Pdelay_Resp(v2) Announce(v2) Follow_Up Delay_Resp Pdelay_Resp_Follow_Up(v2) Management Signaling
peerMeanPathDelay logSyncInterval delayMechanism

portDS: Clock port properties

Management报文


Signaling报文

IEEE1588协议内容
时间格式

时间基点：1970.1.1 00:00 126年后s域溢出 8925512年后epoch_number溢出 与其他时间基准之间的转换

PTP_sec = NTP_sec – 2208988800 + currentUTCoffset PTP_sec = GPS_sec + 315964819

一个slave端口 N-1个Master端口


除管理报文外的协议报文 在此处终止 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 clock
等同路由器等网络设备， 正常转发报文 对于event报文，需要测量 报文在设备内的驻留时间 (residence time bridge) 同一个设备上不同端口上 测量所得驻留时间不一定 相同 同一个路径下不同报文所 得驻留时间也不一定相同
Ordinary clock
IEEE1588协议内容
Ordinary clock

一个物理端口通过两个逻辑端口通信

Event interface

发送和接收event报文 发送和接收general报文

General interface


在网络中的角色

Grand-master clock Slave clock in Master-Slave hierarchy

单个PTP端口 一般为系统end设备 多个PTP端口 通常为网络中的路由器或交换机等通信设备

Boundary clock


Version 2

End-to-End transparent clock Peer-to-Peer transparent clock
IEEE1588协议内容
IEEE1588基本操作
Drift 补偿——频率同步

Drift诱因


Slave晶振处于free-running状态，频率与 Master晶振不同 晶振频率Fra bibliotek环境参数而变化

Drift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
Varies, seconds
Yes
~1s
Yes
~2s(lower in v2)
Yes
TTP、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IEEE1588
NTP

Internet上广域AS 目前不能实现足够高的精度 天线安装、维护不易 成本较高 针对LAN设计 在硬件支持下可以实现高精度(sub-us)
IEEE1588协议内容
Ordinary clock

右图为有硬件支持的Ordinary clock
IEEE1588协议内容
硬件时间标签操作
IEEE1588协议内容
Boundary clock
IEEE1588协议内容
Boundary clock model

多个物理端口通过两个逻 辑端口通信