引言

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）要求所有設(shè)備在納秒級(jí)精度下協(xié)調(diào)工作。AS同步通過建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛指令）在嚴(yán)格時(shí)間窗口內(nèi)傳輸，避免因時(shí)鐘偏差引發(fā)系統(tǒng)故障。在上一篇（AS三部曲之一：如何理解TSN同步概念中的時(shí)鐘角色？）中，我們?cè)敿?xì)介紹了IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)作為IEEE 1588 PTP協(xié)議的特定應(yīng)用規(guī)范，在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）中實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)高精度時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)概念與核心機(jī)制。

在掌握了AS的基礎(chǔ)概念之后，深入理解其內(nèi)部的同步運(yùn)行機(jī)制是解鎖其強(qiáng)大能力的關(guān)鍵。理解AS同步機(jī)制，不僅是掌握TSN技術(shù)精髓的核心，更是設(shè)計(jì)高可靠性實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基石。它解決了分布式系統(tǒng)中“時(shí)間一致性”的根本問題，為未來自動(dòng)駕駛、工業(yè)4.0、元宇宙等低延遲高同步需求場(chǎng)景提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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01.

同步報(bào)文

gPTP (廣義精確時(shí)間協(xié)議) 是IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)定義的核心協(xié)議，它源于IEEE 1588 PTP，但為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）進(jìn)行了優(yōu)化，旨在實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的時(shí)間同步。其同步過程主要依賴于以下報(bào)文類型的交互：

事件報(bào)文

時(shí)間概念報(bào)文，進(jìn)出設(shè)備端口時(shí)會(huì)打上精確的時(shí)間戳，用于計(jì)算主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移和路徑延遲。事件報(bào)文包含以下4種：

Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp。

通用報(bào)文

非時(shí)間概念報(bào)文，進(jìn)出設(shè)備端口時(shí)不會(huì)打上時(shí)間戳，用于主從關(guān)系的建立、時(shí)間信息的請(qǐng)求和通告。通用報(bào)文包含以下6種：

Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling。

02.

同步原理

2.1 同步機(jī)制對(duì)比

gPTP采用主從設(shè)備（Master-Slave）間雙向交互時(shí)間同步報(bào)文的機(jī)制，通過記錄并計(jì)算報(bào)文收發(fā)的時(shí)間戳差值，獲取設(shè)備間的總往返時(shí)延。在假設(shè)雙向傳輸路徑對(duì)稱的前提下，將總時(shí)延除以2即可估算單向通信延遲，進(jìn)而推算出從設(shè)備相對(duì)于主設(shè)備的時(shí)間偏差。

從設(shè)備依據(jù)該偏差校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，即可實(shí)現(xiàn)與主設(shè)備的高精度時(shí)間同步。相較于傳統(tǒng)同步協(xié)議如1588v2與NTP，gPTP在實(shí)現(xiàn)機(jī)制上更接近PTP（精確時(shí)間協(xié)議）的局部實(shí)現(xiàn)。

■ NTP協(xié)議通常運(yùn)行于主控板，其測(cè)量的通信時(shí)延不僅包含鏈路傳輸時(shí)間，還引入了各類內(nèi)部處理延遲（如隊(duì)列擁塞、軟件調(diào)度及數(shù)據(jù)處理等），導(dǎo)致時(shí)延波動(dòng)顯著，且難以保證雙向時(shí)延的對(duì)稱性，最終限制了時(shí)間同步的精度。

■ PTP1588協(xié)議基于以下假設(shè)：鏈路延遲相對(duì)穩(wěn)定（或在相鄰?fù)介g隔內(nèi)變化可忽略），且雙向路徑時(shí)延對(duì)稱。因此，該協(xié)議通過在物理鏈路兩端最近處標(biāo)記時(shí)間戳以測(cè)量鏈路時(shí)延，從而實(shí)現(xiàn)了較高的同步精度。

PTP1588協(xié)議進(jìn)一步定義了兩類時(shí)延測(cè)量與同步方式：

□ Delay機(jī)制：適用于端到端路徑的時(shí)延測(cè)量

□ Pdelay機(jī)制：用于在兩個(gè)支持該功能的通信端口之間直接測(cè)量端口到端口的傳播時(shí)延（即鏈路延遲），此過程與端口的主從角色無關(guān)

■ gPTP的同步過程通常遵循經(jīng)典的PTP延遲請(qǐng)求-響應(yīng)機(jī)制，習(xí)慣性沿用Pdelay機(jī)制，作為重要區(qū)別，gPTP要求（或強(qiáng)烈推薦）在網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）或MAC層對(duì)PTP報(bào)文打上時(shí)間戳，而不是在操作系統(tǒng)或應(yīng)用層。這完全消除了協(xié)議棧處理、中斷延遲、系統(tǒng)調(diào)度等帶來的不可控抖動(dòng)。

2.2 同步原理

矯正對(duì)時(shí)原理

為了更深入理解同步原理的過程，我們從PTP1588這個(gè)協(xié)議出發(fā)介紹不同方式下的同步機(jī)理，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證gPTP的結(jié)果，證明其采用了何種方式。

在同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，當(dāng)報(bào)文發(fā)出或抵達(dá)時(shí)，會(huì)依據(jù)設(shè)備本地時(shí)鐘為其標(biāo)記時(shí)間戳。在一步（One-Step）模式下，延遲測(cè)量機(jī)制所使用的同步（Sync）報(bào)文會(huì)直接攜帶其自身的發(fā)送時(shí)刻信息。而在兩步（Two-Step）模式下，同步報(bào)文本身并不包含發(fā)送時(shí)間戳，設(shè)備僅記錄該報(bào)文的實(shí)際發(fā)送時(shí)刻，并通過隨后發(fā)出的Follow_Up報(bào)文傳遞這一時(shí)間信息。

√ 主設(shè)備于t1時(shí)刻發(fā)出Sync報(bào)文。若其工作在one-step模式，該報(bào)文中會(huì)直接攜帶時(shí)間戳t1；若為two-step模式，則t1將在后續(xù)的Follow_Up報(bào)文中發(fā)送。

√ 從設(shè)備在t2時(shí)刻收到Sync報(bào)文。在one-step模式下，t1可從該報(bào)文中直接提取；在two-step模式下，需等待接收Follow_Up報(bào)文以獲取t1。

√ 從設(shè)備于t3時(shí)刻向主設(shè)備發(fā)送Delay_Req報(bào)文。

√ 主設(shè)備在t4時(shí)刻接收到該Delay_Req報(bào)文。

√ 主設(shè)備通過Delay_Resp報(bào)文將時(shí)間戳t4傳送至從設(shè)備。

基于所獲得的t1、t2、t3、t4四個(gè)時(shí)間戳，從設(shè)備可計(jì)算出主從設(shè)備間的平均路徑延遲（Delay）及時(shí)鐘偏差（Offset），進(jìn)而校準(zhǔn)自身時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)與主設(shè)備的精確同步。具體計(jì)算原理如下：

需要注意的是：結(jié)果的精度取決于時(shí)間戳的精度。它們應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映發(fā)送和接收時(shí)間。從設(shè)備的偏移量和延遲計(jì)算是基于在兩個(gè)不同地方獲取的時(shí)間戳的差異。因此，兩個(gè)時(shí)鐘應(yīng)使用相同的刻度，即相同的tic間隔。這是通過漂移補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的：從屬時(shí)鐘速率通過控制環(huán)路加速或減慢。稍微不同的抽動(dòng)間隔會(huì)降低結(jié)果。

設(shè)備通過協(xié)議計(jì)算出本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘源之間的時(shí)間偏差，并依此對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。這一持續(xù)且周期性的同步機(jī)制，保證了從設(shè)備能夠始終與主時(shí)鐘保持精確的時(shí)間同步。

根據(jù)上述工作機(jī)制，精確的時(shí)間同步依賴于主時(shí)鐘（Master）與從時(shí)鐘（Slave）之間傳輸路徑的時(shí)延對(duì)稱性。若雙向傳輸時(shí)延存在差異，將導(dǎo)致同步偏差，其數(shù)值等于上行與下行時(shí)延差值的一半。因此，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步的核心在于確保節(jié)點(diǎn)間時(shí)延保持穩(wěn)定、避免抖動(dòng)。盡管鏈路傳播時(shí)延通常較為一致，但設(shè)備節(jié)點(diǎn)處的處理時(shí)延往往波動(dòng)較大。

為此，在IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，通過引入校正字段（correctionField）參與延遲計(jì)算，能夠有效補(bǔ)償時(shí)延不對(duì)稱性，從而更準(zhǔn)確地估計(jì)平均路徑時(shí)延（Delay）與時(shí)鐘偏移量（Offset）。

如圖轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延校正處理，在設(shè)備的入口與出口端口，系統(tǒng)會(huì)依次對(duì)報(bào)文中的correctionField字段進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償：入口階段減去當(dāng)前時(shí)間戳，出口階段則加上相應(yīng)時(shí)間戳。這一處理機(jī)制實(shí)際上相當(dāng)于將報(bào)文在當(dāng)前設(shè)備內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延值累積至校正字段（correctionField）中。

轉(zhuǎn)發(fā)中繼類型

端到端

端到端透明時(shí)鐘更新與單個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的延遲的時(shí)間間隔字段。從設(shè)備通過端到端的延遲請(qǐng)求/延遲響應(yīng)消息交換來測(cè)量到主站的延遲。端到端延遲測(cè)量的基本操作如下圖所示：

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

對(duì)等透明時(shí)鐘測(cè)量與入口傳輸路徑相關(guān)的線路延遲，并將此延遲也包括在校正字段中。TC使用Pdelay-Req/Pdelay-Resp消息測(cè)量到所有相鄰時(shí)鐘的鏈路延遲。對(duì)等透明時(shí)鐘可以允許在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓暮蟾斓刂匦屡渲?。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲測(cè)量的基本操作如下圖所示：

需要注意的是：IEEE 802.1AS網(wǎng)橋傳輸同步的方式非常相似，事實(shí)上，在數(shù)學(xué)上等同于IEEE 1588對(duì)等透明時(shí)鐘（TC）傳輸同步的方式。

每座橋測(cè)量相對(duì)于其鄰居的頻率偏移；相對(duì)于GM的累積頻率偏移以及從端口上同步消息到達(dá)與主端口上后續(xù)同步消息發(fā)送之間的時(shí)間差用于構(gòu)造放置在后續(xù)消息中的同步時(shí)間。此外，相鄰網(wǎng)橋和/或終端站之間的傳播延遲是使用對(duì)等延遲機(jī)制測(cè)量的。

03.

AS同步機(jī)制測(cè)試

選取三臺(tái)交換機(jī)作為測(cè)試設(shè)備，兩臺(tái)交換機(jī)通過時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)方式進(jìn)行Master和Slave設(shè)置，確立時(shí)鐘角色，其中一臺(tái)交換機(jī)作為DUT時(shí)間感知中繼器，去傳輸和同步Master和Slave的時(shí)鐘。

3.1 初始化參數(shù)

進(jìn)入交換機(jī)的Web管理頁面，首先確認(rèn)交換機(jī)設(shè)備處于出廠配置模式下，即確認(rèn)AS的參數(shù)是否進(jìn)行過調(diào)整。

3.2 Mater-DUT-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100，192.168.4.65交換機(jī)的時(shí)鐘Priority1為默認(rèn)248（作為待測(cè)DUT），192.168.4.66交換機(jī)的時(shí)鐘Priority1設(shè)置為200，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，4.66交換機(jī)作為Slave存在，可以理解為它們作為兩個(gè)OC（普通時(shí)鐘存在并進(jìn)行同步）。

4.65交換機(jī)作為BC（本質(zhì)上它也是作為一個(gè)Slave時(shí)鐘參與同步，并轉(zhuǎn)發(fā)Master-slave之間的同步報(bào)文）。如下設(shè)置：

交換機(jī)1設(shè)置

交換機(jī)2設(shè)置

交換機(jī)3設(shè)置

gPTP（802.1AS）使能開啟

3.3 觀察DUT&Slave同步精度

由第2節(jié)所述，AS同步精度偏移是相對(duì)于Master時(shí)鐘的偏移量，所以精度誤差主要由Slave計(jì)算并獲得偏移結(jié)果。在RELY-TSN交換機(jī)中我們可以在Slave角色的交換機(jī)中觀察相對(duì)于Master角色的時(shí)鐘偏移量。

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無論您處于產(chǎn)業(yè)鏈的哪個(gè)環(huán)節(jié)，是進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)，還是構(gòu)建完整的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，都能在我們這里找到適配的產(chǎn)品與服務(wù)，滿足您多樣化的需求。

在本次案例中，由于4.65和4.66的交換機(jī)充當(dāng)Slave（DUT=BC時(shí)鐘，Slave=OC時(shí)鐘），所以在兩臺(tái)交換機(jī)的同步打印窗口查看同步精度結(jié)果。

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）。同時(shí)查看OC時(shí)鐘（Master&Slave clock）和BC構(gòu)建生成的同步樹，即三臺(tái)交換機(jī)的同步端口狀態(tài)（Master/Slave-port）。

Master時(shí)鐘狀態(tài)

DUT slave時(shí)鐘狀態(tài)

Slave時(shí)鐘狀態(tài)

結(jié)果顯示，Slave設(shè)備（交換機(jī)3）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3ns左右。

DUT設(shè)備（交換機(jī)2）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3ns左右。

Master設(shè)備（交換機(jī)1）的Port-1端口作為Master-port，DUT設(shè)備（交換機(jī)2）的Port-0端口作為Slave-port，用于和上一極時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（交換機(jī)1）連接，Port-1端口作為master-port，用于和下一級(jí)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接同步。Slave設(shè)備（交換機(jī)3）的Port-0端口作為slave-port，用于和上一級(jí)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（DUT）進(jìn)行連接同步。整體同步樹與第2節(jié)中描述一致。

3.4 觀察同步報(bào)文

利用Slave（交換機(jī)3）設(shè)備的端口進(jìn)行端口鏡像，此例中采用port-1進(jìn)行端口鏡像，對(duì)port-0同步端口進(jìn)行同步報(bào)文捕獲。Slave設(shè)備開始port-1的鏡像捕獲，捕獲port-0端口的Ingress和Egress幀，如圖所示。

Slave設(shè)備（交換機(jī)3）的port-1接入電腦PC，并通過wireshark進(jìn)行報(bào)文捕獲，如圖所示。

在捕獲的報(bào)文中我們查看用于AS同步的幾條特定報(bào)文，Sync，Announce、Follow_Up、Pdelay_Req和Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up。

特別說明的是，RELY-TSN交換機(jī)采用的是2步法P2P對(duì)等延遲計(jì)算方式，該方式是指Pdelay方式下的Pdelay_Resp報(bào)文，不帶有本報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳，設(shè)備只是記錄Pdelay_Resp報(bào)文發(fā)送時(shí)的時(shí)間，由后續(xù)的Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文帶上Pdelay_Resp報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳。

Correctionfield的修正值有數(shù)值，該測(cè)試案例中存在DUT這個(gè)邊界時(shí)鐘，同步報(bào)文在轉(zhuǎn)發(fā)過程需要進(jìn)行對(duì)等延遲計(jì)算和駐留延遲補(bǔ)償?shù)?，從而添加到修正?bào)文當(dāng)中。此外我們還可以在看到用于同步計(jì)算的preciseOriginTimestamp (seconds)和preciseOriginTimestamp。

結(jié)語.

AS同步機(jī)制的成熟，標(biāo)志著TSN技術(shù)在自動(dòng)駕駛、工業(yè)4.0和元宇宙等領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。其納秒級(jí)精度和輕量化架構(gòu)，解決了“時(shí)間一致性”這一分布式系統(tǒng)的根本挑戰(zhàn)。未來，隨著TSN生態(tài)的擴(kuò)展，AS協(xié)議有望進(jìn)一步優(yōu)化低延遲高同步需求場(chǎng)景，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)從“盡力而為”向“確定性傳輸”的范式轉(zhuǎn)變。敬請(qǐng)期待“AS三部曲”終篇，我們將深入解析協(xié)議優(yōu)化與前沿應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)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)。