導(dǎo)讀

隨著時(shí)間同步需求的增長，IRIG-B、LORAN-C、NTP、PTP、GPS同步和SyncE等技術(shù)相繼被提出并應(yīng)用。然而，這些方案要么難以滿足高精度要求，要么實(shí)現(xiàn)成本過高，限制了它們?cè)诘统杀靖呔葓?chǎng)景下的適用性。

在此背景下，AS脫穎而出——它僅需極少的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和硬件資源，即可實(shí)現(xiàn)納秒的同步精度。因此，作為PTP協(xié)議下的一個(gè)精簡協(xié)議規(guī)范，正日益成為高精度時(shí)間同步領(lǐng)域最具競爭力的技術(shù)方案，所以如何理解AS，是TSN應(yīng)用人員的入門第一步。

01 .

如何定義AS

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的核心技術(shù)之一在于建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，以確保網(wǎng)絡(luò)具備確定性傳輸能力。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)中的所有終端設(shè)備必須保持高度一致的時(shí)鐘同步。其中，IEEE 802.1AS-2020標(biāo)準(zhǔn)作為IEEE 1588v2的特定應(yīng)用規(guī)范，專門針對(duì)TSN環(huán)境優(yōu)化，能夠提供納秒級(jí)的高精度時(shí)鐘同步。

在該機(jī)制下，主時(shí)鐘服務(wù)器會(huì)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有參與設(shè)備廣播同步信息，這些設(shè)備通過運(yùn)行最佳主時(shí)鐘選擇算法（BMCA）來確定最優(yōu)時(shí)間源。

此外，每個(gè)PTP實(shí)例在接收同步數(shù)據(jù)時(shí)，需結(jié)合路徑延遲信息對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以確保時(shí)鐘同步的準(zhǔn)確性。

02 .

AS基本概念

在IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被劃分為兩類角色：邊界時(shí)鐘（BC） 和 普通時(shí)鐘（OC）。

盡管兩者均需參與最佳主時(shí)鐘（BMCA）選舉，但功能存在差異——邊界時(shí)鐘需承擔(dān)同步信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而終端設(shè)備則通過應(yīng)用服務(wù)接口向上層提供同步時(shí)間。

值得注意的是，IEEE 802.1AS邊界時(shí)鐘的同步傳輸機(jī)制在數(shù)學(xué)建模上與IEEE1588的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘（TC）具有等效性。其核心原理在于：

①. 時(shí)間同步域

在時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中（Time Synchronization Network），設(shè)備按照層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，其中一級(jí)節(jié)點(diǎn)部署1級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，二級(jí)節(jié)點(diǎn)部署2級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，依此類推，形成多級(jí)同步架構(gòu)。

采用精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)PTP域（PTP Domain），每個(gè)PTP域內(nèi)僅存在一個(gè)主時(shí)鐘源，域內(nèi)所有設(shè)備均與該時(shí)鐘源同步。在AS2020標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可包含多個(gè)同步域，各域之間相互獨(dú)立，各自維護(hù)獨(dú)立的同步時(shí)間，彼此不直接同步。

這種架構(gòu)確保了不同時(shí)鐘域之間的時(shí)間隔離性，適用于需要多時(shí)鐘源協(xié)同工作的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

②. 時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)/角色

時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中的同步域由若干時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，根據(jù)功能差異主要分為兩類：

普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，簡稱OC）

同一個(gè)PTP域內(nèi)，只存在單個(gè)物理端口參與PTP時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)。設(shè)備通過該端口從上游節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間，或者向下游節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間。

邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，簡稱BC）

邊界時(shí)鐘在PTP系統(tǒng)中被定義為替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器的設(shè)備。這類時(shí)鐘具有多個(gè)PTP端口，每個(gè)端口都能獨(dú)立訪問PTP通信路徑。作為不同PTP域之間的接口，邊界時(shí)鐘負(fù)責(zé)攔截并處理所有PTP消息，同時(shí)傳遞其他網(wǎng)絡(luò)流量。

通過BMC算法，邊界時(shí)鐘會(huì)選擇各端口能感知的最佳時(shí)鐘源。被選中的端口將被設(shè)置為主從關(guān)系，而邊界時(shí)鐘的其他端口則會(huì)被激活為主設(shè)備，向其所屬域發(fā)送指令。

這類時(shí)鐘角色通常具備不少于兩個(gè)同步端口，通過指定那些端口用于接收主時(shí)鐘信號(hào)，以及其余端口負(fù)責(zé)時(shí)間信息轉(zhuǎn)發(fā)。

③. AS同步端口

在時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口可被配置為功能端口，根據(jù)其在時(shí)間同步拓?fù)渲械墓δ芙巧珓澐譃橐韵氯悾?/p>

主同步端口（Master Port）

它作為時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)布節(jié)點(diǎn)，主動(dòng)發(fā)送Sync/Follow_Up報(bào)文，可配置于普通時(shí)鐘(OC)或邊界時(shí)鐘(BC)，通常作為同步域的根時(shí)鐘接口。

從屬端口（Slave Port）

它作為時(shí)間基準(zhǔn)接收節(jié)點(diǎn)，主要處理Delay_Req/Resp報(bào)文交換，可存在于OC或BC設(shè)備，關(guān)鍵影響端到端時(shí)間誤差。

待機(jī)端口（Passive Port）

它通常保持協(xié)議運(yùn)行但不參與同步，監(jiān)聽PTP報(bào)文但不響應(yīng)，僅出現(xiàn)于BC設(shè)備，在主從端口故障時(shí)快速切換。

④. 時(shí)鐘主從關(guān)系

在PTP同步網(wǎng)絡(luò)中，各設(shè)備通過動(dòng)態(tài)的主從架構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，其中時(shí)間發(fā)布方作為主節(jié)點(diǎn)（Master Node）及其主時(shí)鐘（Master Clock）通過主端口（Master Port）發(fā)送同步信號(hào)，而時(shí)間接收方作為從節(jié)點(diǎn)（Slave Node）及其從時(shí)鐘（Slave Clock）則通過從端口（Slave Port）進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，這種主從關(guān)系具有相對(duì)性，同一設(shè)備在不同同步層級(jí)中可能同時(shí)具備主從雙重角色。

⑤. 時(shí)鐘選源

同步協(xié)議提供兩種時(shí)鐘源選擇機(jī)制：靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)BMC算法。

靜態(tài)模式允許管理員直接指定主時(shí)鐘源

BMC模式則通過協(xié)議自動(dòng)選取最優(yōu)時(shí)鐘源以確保同步精度。在同步協(xié)議框架下，時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過交互Announce報(bào)文來共享時(shí)鐘源參數(shù)，包括主時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)、時(shí)間等級(jí)、精度指標(biāo)以及拓?fù)涮鴶?shù)等關(guān)鍵信息?；谶@些參數(shù)，各節(jié)點(diǎn)能夠智能確定最佳主時(shí)鐘源、選擇同步端口并建立主從同步關(guān)系，最終構(gòu)建出以主時(shí)鐘為根節(jié)點(diǎn)的無環(huán)生成樹拓?fù)?/p>

在正常工作狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送Announce報(bào)文維持同步關(guān)系。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到Announce報(bào)文超時(shí)丟失時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)重新選源流程，切換至備用端口建立新的主從同步鏈路。

⑥. BMC算法

在協(xié)議定義的同步網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)通過最佳主時(shí)鐘(BMC)決策機(jī)制動(dòng)態(tài)確定主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)并配置端口角色。該算法通過分析各節(jié)點(diǎn)通告報(bào)文(Announce)中的時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判，具體決策依據(jù)包括：

主優(yōu)先級(jí)(Priority1)：用戶可配置參數(shù)(0-255)，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高

時(shí)鐘等級(jí)(Clock-Class)：表征時(shí)鐘源級(jí)別，數(shù)值越小等級(jí)越高

時(shí)鐘精度(Clock-Accuracy)：反映時(shí)間準(zhǔn)確度，數(shù)值與精度成反比

穩(wěn)定性指標(biāo)(OffsetScaledLogVariance)：數(shù)值越小穩(wěn)定性越佳

次優(yōu)先級(jí)(Priority2)：輔助決策參數(shù)(0-255)，數(shù)值小者優(yōu)先

決策流程遵循嚴(yán)格的多級(jí)比較原則：首先比對(duì)Priority1參數(shù)，若相同則依次比較Clock-Class、Clock-Accuracy、OffsetScaledLogVariance和Priority2。通過調(diào)整這些參數(shù)的配置，可以靈活控制系統(tǒng)的主時(shí)鐘選舉結(jié)果，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步與故障保護(hù)。BMC機(jī)制確保了整個(gè)PTP網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)構(gòu)建最優(yōu)的時(shí)鐘同步拓?fù)?/strong>。

03 .

虹科TSN設(shè)備

AS時(shí)鐘角色測(cè)試示例

①. 基于RELYUM TSN交換機(jī)的AS Master—Slave同步測(cè)試

選取兩臺(tái)RELY-TSN交換機(jī)完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈接，例如交換機(jī)1的Port-0與交換機(jī)2的Port-0相連。

修改交換機(jī)1和交換機(jī)2的IP地址，例如其中交換機(jī)1的IP地址為192.168.4.64，交換機(jī)2的IP地址為192.168.4.65，這樣通過交換機(jī)1/2其中一個(gè)Port就可以同時(shí)訪問兩個(gè)Web配置頁面。

注：建議連接作為Master交換機(jī)的Port-1.

虹科合作伙伴SOC-E RelyUm系列

RELY-TSN-Bridge TSN交換機(jī)

4端口TSN交換機(jī)

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適用于鐵路、航空航天、汽車、工業(yè)自動(dòng)化等技術(shù)條件苛刻的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景

②. Mater-Slave時(shí)鐘設(shè)置

根據(jù)第2節(jié)當(dāng)中對(duì)于BMCA最佳主時(shí)鐘選取的規(guī)則，設(shè)置IP地址192.168.4.64交換機(jī)的時(shí)鐘Priority1為200，192.168.4.65交換機(jī)的時(shí)鐘Priority1為默認(rèn)248，并開啟gPTP的start功能。

此時(shí)情況下，4.64交換機(jī)的時(shí)鐘作為Master存在，4.65交換機(jī)作為Slave存在。如下設(shè)置：

③. 觀察時(shí)間同步角色差異

首先觀看主時(shí)鐘設(shè)備的PTP clockID實(shí)例，GM clock ID以及GM present布爾值。

其中PTP clockID實(shí)例為本設(shè)備的時(shí)鐘源ID、GM clock ID為主時(shí)鐘Master ID、GM present為false時(shí)表示本設(shè)備作為主時(shí)鐘源Master設(shè)備；為ture時(shí)表示本設(shè)備作為從時(shí)鐘Slave設(shè)備（外部存在Master）。

由結(jié)果顯示，Slave設(shè)備（交換機(jī)2）的GM clock ID為Mater設(shè)備（交換機(jī)1）的PTP clockID實(shí)例，并且GM present=true，同步精度GM offset為18ns左右。

在打印信息中，Master設(shè)備（交換機(jī)1）的Port-1端口作為Master-port，Slave設(shè)備（交換機(jī)2）的Port-2端口作為Slave-port，與第2節(jié)中描述一致。

結(jié)語 .

在工業(yè)控制、車載網(wǎng)絡(luò)等對(duì)時(shí)間敏感的關(guān)鍵領(lǐng)域，高精度時(shí)鐘同步是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心基石。IEEE 802.1AS憑借納秒級(jí)同步精度與輕量化實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，正成為破解低成本高精度同步難題的關(guān)鍵技術(shù)，為TSN的大規(guī)模落地提供了堅(jiān)實(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)支撐。

本系列文章將分3期深入剖析AS技術(shù)，了解更多關(guān)于AS的深度解讀與實(shí)踐技巧，敬請(qǐng)關(guān)注虹科，以便及時(shí)獲取后續(xù)文章動(dòng)態(tài)。

作者簡介

羅顯志

虹科高級(jí)技術(shù)工程師，專注TSN技術(shù)領(lǐng)域，具有豐富的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提供專業(yè)的TSN測(cè)試和培訓(xùn)服務(wù)。