带你读懂时间敏感网络 (TSN) 中的时间同步协议 gPTP（一）

judy -- 周一, 05/20/2024 - 14:42

TSN旨在通过对以太网数据流的控制和管理，在以太网网络中同时提供高性能、高可靠性和精确时延的实时通信，与高带宽高吞吐量的普通通信。以满足工业控制、汽车、音视频等领域对实时通信与大量数据传输的需求。IEEE Std 802.1AS 对 IEEE 1588 进行扩展产生了gPTP协议，它用于TSN中的时间同步，为数据流的控制和管理提供时间参考。本文对gPTP的基本工作原理进行介绍，以帮助你快速了解gPTP协议。

gPTP简介

一个时间感知网络由多个相互连接的支持gPTP的时间感知系统组成。这些时间感知系统可以是任何网络设备，包括桥接器、路由器和终端站等。每个时间感知系统支持的gPTP实例都在一个gPTP域中，这些gPTP实例都是该gPTP域的一部分。每个域中会选举出一个GrandMaster，域中的所有实例按照GrandMaster的时钟对网络流量进行调度和管理。一个时间感知系统可以支持多个gPTP实例，每个实例与不同的gPTP域相关联，成为多个gPTP域的一部分。
PTP 实例分为两种类型
  • PTP终端实例: 如果不是GrandMaster就是Slave，GrandMaster发送时间信息到域中其他实例，其他实例将自身时钟源同步到GrandMaster。
  • PTP中继实例: 从主GrandMaster或其他中继实例接收时间信息，校正局域网和自身的延迟，并重新传输校正后的信息。
每个PTP实例都具有以下属性
  • Priority1: 用于选举GrandMaster。取值范围为0-255，数值越小优先级越高，255代表实例不支持GrandMaster功能
  • ClockClass: PTP实例的时钟源与国际标准时间或其他已知准确度的时钟之间的关系，该值越小与其标准时间的偏差越小
  • ClockAccuracy: 时钟源的精度
  • OffsetScaledLogVariance: 时钟源的稳定性
  • Priority2: 作用与priority1相同，但优先级比priority1低
  • ClockIdentity: 用于识别不同PTP实例
  • TimeSource: 实例的时钟源类型如GNSS、原子钟或晶振
  • NumberPorts: 实例有多少个端口
不同gPTP域通过域号与SdoId标识

  • 域号范围为0-127，每个时间感知系统必须支持域0

  • SdoId为12位无符号数，高4位位majorSdoId，低8位位minorSdoId。gPTP域的majorSdoId为0x1，minorSdoId为0x00

gPTP的工作流程

以下是简化的两个只有一个全双工以太网接口的gPTP设备连接后的通信流：    

1.png

交换GptpCapable Signaling与Pdelay报文    
gPTP要求相同域中的所有设备都支持gPTP，它不会通过不支持该协议的系统传输时间信息。支持802.1AS的设备会定期发送GptpCapable Signaling报文与PdelayReq报文，GptpCapable Signaling报文用于通知链路对端设备本设备支持gPTP，PdelayReq报文发起链路延迟测量请求，测得的链路延迟将用于判断链路中是否包含不支持802.1AS设备和随后的时间同步。设备通过以下条件判断链路及对端设备是否支持802.1AS (802.1AS-2020 11.2.2 Determination of asCapable and asCapableAcrossDomains)
  • 判断链路支持802.1AS (asCapableAcrossDomains)
  • 链路正在交换延迟测量报文
  • 延迟未超过meanLinkDelayThresh，100BASE-TX和1000BASE-T链路中该值为800纳秒
  • 未收到对同一Pdelay_Req报文的多个响应
  • 连接到链路的端口未收到来自自身或同一PTP实例的另一端口的响应

  • 判断链路支持特定PTP域 (asCapable)
  • 链路支持802.1AS
  • 收到来自相同域的GptpCapable报文 (neighborgptpcapable)，或域号为0且收到SdoId为0x100的延迟测量报文（兼容802.1AS-2011）
如果链路未能满足以上要求，GptpCapable Signaling和PdelayReq报文仍然会持续发送以定期检查链路是否能运行802.1AS协议。
交换Announce报文并选举Grandmaster
802.1AS设备的Master端口会周期性发送Announce报文向其他设备通报GrandMaster信息，报文发送周期称为announceInterval。收到Announce报文的设备会使用BMCA (Best Master Clock Selection) 算法比较Announce报文中的GrandMaster，若Announce中的GrandMaster优于自身当前的GrandMaster，会将自身的GrandMaster替换为Announce中的GrandMaster。在设备未收到Announce报文时，会尝试将自身选举为GrandMaster。    
BMCA主要通过systemIdentity判断哪个设备是更优的GrandMaster，设备该值越小代表它是更优的GrandMaster。设备的该值由它的以下参数按照有效位从高到低顺序连接而成：
SystemIdentity
  • Priority1 (1 octet; see 8.6.2.1)
  • ClockClass (1 octet; see 8.6.2.2 and 6.4.3.8)
  • ClockAccuracy (1 octet; see 8.6.2.3 and 6.4.3.8)
  • OffsetScaledLogVariance (2 octets; see 8.6.2.4 and 6.4.3.8)
  • Priority2 (1 octet; see 8.6.2.5)
  • ClockIdentity (8 octets; see 8.5.2.2 and 6.4.3.6)

发送Sync报文同步时间

802.1AS设备的Master端口会周期性发送Sync报文，接收到该报文Slave设备将可计算出与Master设备的时钟偏移。

延迟测量

2.png

传播延迟测量始于发起方发出 Pdelay_Req 报文并生成时间戳t1。响应者接收到该报文并生成时间戳t2。响应者返回包含t2的Pdelay_Resp 报文，并生成时间戳t3。响应者在Pdelay_Resp_Follow_Up报文中返回t3。发起方在收到Pdelay_Resp报文后生成时间戳t4。随后发起方使用这四个时间戳通过以下公式计算平均传播延迟D（meanLinkDelay）。

传播延迟.JPG

时间同步

3.png

Master设备发送首先Sync报文并生成时间戳t1，随后发送包含t1的Followup报文。Slave设备收到Sync报文并生成时间戳t2。Slave设备使用这两个时间戳通过公式t2-t1-linkDelay得到自身时钟与Master时钟的偏移。 

参考文献：

IEEE Std 802.1AS-2020

IEEE Std 1588-2019    

文章来源：Arrow Solution

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