基於PTP協議的時鍾服務器（授時服務器）設計
基於PTP協議的時鍾服務器（授時服務器）設計
京准電子科技官微——ahjzsz
1、 引言
以太網技術由於其開放性好、價格低廉和使用方便等特點，已經廣泛應用於電信級別的網絡中，以太網的數據傳輸速度也從早期的10M提高到100M，GE，10GE。40GE，100GE正式產品也於2009年推出。
以太網技術是“即插即用”的，也就是將以太網終端接到IP網絡上就可以隨時使用其提供的業務。但是，只有“同步的”的IP網絡才是一個真正的電信級網絡，才能夠為IP網絡傳送各種實時業務與數據業務的多重播放業務提供保障。目前，電信級網絡對時間同步要求十分嚴格，對於一個全國范圍的IP網絡來說，骨干網絡時延一般要求控制在50ms之內，現行的互聯網網絡時間協議NTP（Network Time Protocol），簡單網絡時間協議SNTP（Simple Network Time Protocol）等不能達到所要求的同步精度或收斂速度。基於以太網的時分復用通道仿真技術（TDM over Ethernet）作為一種過渡技術，具有一定的以太網時鍾同步概念，可以部分解決現有終端設備用於以太網的無縫連接問題。IEEE 1588標准則特別適合於以太網，可以在一個地域分散的IP網絡中實現微秒級高精度的時鍾同步。本文重點介紹IEEE 1588技術及其測試實現。
2 IEEE 1588PTP介紹
IEEE 1588PTP協議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網絡帶寬和資源消耗少等特點。IEEE1588標准的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鍾同步協議標准（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過一個同步信號周期性的對網絡中所有節點的時鍾進行校正同步，可以使基於以太網的分布式系統達到精確同步，IEEE 1588PTP時鍾同步技術也可以應用於任何組播網絡中。
IEEE 1588將整個網絡內的時鍾分為兩種，即普通時鍾（Ordinary Clock，OC）和邊界時鍾（Boundary Clock，BC），只有一個PTP通信端口的時鍾是普通時鍾，有一個以上PTP通信端口的時鍾是邊界時鍾，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時鍾通常用在確定性較差的網絡設備（如交換機和路由器）上。從通信關系上又可把時鍾分為主時鍾和從時鍾，理論上任何時鍾都能實現主時鍾和從時鍾的功能，但一個PTP通信子網內只能有一個主時鍾。整個系統中的最優時鍾為最高級時鍾GMC（Grandmaster Clock），有着最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上時鍾的精度和級別以及UTC（通用協調時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鍾算法（Best Master Clock）來自動選擇各子網內的主時鍾；在只有一個子網的系統中，主時鍾就是最高級時鍾GMC。每個系統只有一個GMC，且每個子網內只有一個主時鍾，從時鍾與主時鍾保持同步。圖1所示的是一個典型的主時鍾、從時鍾關系示意。
圖1 主時鍾、從時鍾關系示意圖
同步的基本原理包括時間發出和接收時間信息的記錄，並且對每一條信息增加一個“時間戳”。有了時間記錄，接收端就可以計算出自己在網絡中的時鍾誤差和延時。為了管理這些信息，PTP協議定義了4種多點傳送的報文類型和管理報文，包括同步報文（Sync），跟隨報文（Follow_up），延遲請求報文（Delay_Req），延遲應答報文（Delay_Resp）。這些報文的交互順序如圖2所示。收到的信息回應是與時鍾當前的狀態有關的。同步報文是從主時鍾周期性發出的(一般為每兩秒一次)，它包含了主時鍾算法所需的時鍾屬性。總的來說同步報文包含了一個時間戳，精確地描述了數據包發出的預計時間。
圖2 PTP報文與交換順序
由於同步報文包含的是預計的發出時間而不是真實的發出時間，所以Sync報文的真實發出時間被測量后在隨后的Follow_Up報文中發出。Sync報文的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up報文中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鍾與主時鍾之間的時差，並據此更正從屬時鍾的時間。但是此時計算出的時差包含了網絡傳輸造成的延時，所以使Delay_Req報文來定義網絡的傳輸延時。
Delay_Req報文在Sync報文收到后由從屬時鍾發出。與Sync報文一樣，發送方記錄准確的發送時間，接收方記錄准確的接收時間。准確的接收時間包含在Delay_Resp報文中，從而計算出網絡延時和時鍾誤差。同步的精確度與時間戳和時間信息緊密相關。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結合的方案可以達到微秒的精度。PTP協議基於同步數據包被傳播和接收時的最精確的匹配時間，每個從時鍾通過與主時鍾交換同步報文而與主時鍾達到同步。這個同步過程分為漂移測量階段和偏移測量與延遲測量階段。
第一階段修正主時鍾與從時鍾之間的時間偏差，稱為漂移測量。如圖3所示，在修正漂移量的過程中，主時鍾按照定義的間隔時間（缺省是2s）周期性地向相應的從時鍾發出惟一的同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鍾的時間估計值。主時鍾測量傳遞的准確時間T0 K，從時鍾測量接收的准確時間T1 K。之后主時鍾發出第二條報文——跟隨報文（Follow_up Message），此報文與同步報文相關聯，且包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值。這樣，對傳遞和接收的測量與標准時間戳的傳播可以分離開來。從時鍾根據同步報文和跟隨報文中的信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鍾的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鍾就會同步。
圖3 PTP時鍾漂移測量計算
為了提高修正精度，可以把主時鍾到從時鍾的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段（見圖4）。
圖4 PTP時鍾延遲和偏移計算
從時鍾向主時鍾發出一個“延遲請求”數據報文，在這個過程中決定該報文傳遞准確時間T2。主時鍾對接收數據包打上一個時間戳，然后在“延遲響應”數據包中把接收時間戳B送回到從時鍾。根據傳遞時間戳B和主時鍾提供的接收時間戳D，從時鍾計算與主時鍾之間的延遲時間。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進行的，其測量間隔時間（缺省值是4~60s之間的隨機值）比偏移值測量間隔時間要大。這樣使得網絡尤其是設備終端的負荷不會太大。采用這種同步過程，可以消減PTP協議棧中的時間波動和主從時鍾間的等待時間。從圖4右邊可以看到延遲時間D 和偏移時間數值O的計算方法。
IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要應用於相對本地化、網絡化的系統，內部組件相對穩定，其優點是標准非常具有代表性，並且是開放式的。由於它的開放性，特別適合於以太網的網絡環境。與其他常用於Ethernet TCP/IP網絡的同步協議如SNTP或NTP相比，主要區別是PTP是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少。NTP協議是針對於廣泛分散在互聯網上的各個獨立系統的時間同步協議。GPS(基於衛星的全球定位系統)也是針對於分散廣泛且各自獨立的系統。PTP定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時間戳更容易在硬件上實現，並且不局限於應用層，這使得PTP可以達到微秒以內的精度。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。
IEEE1588標准所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。
由於高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。
3 IXIA IEEE 1588PTP測試方案
美國IXIA公司目前提供最為完整的城域以太網功能、性能、一致性測試解決方案，並且最先在2~7層統一IP測試平台實現了IEEE 1588PTP時鍾同步技術方案。關於IXIA 的城域以太網測試解決方案在以前有過詳細介紹，在這里對相應的技術點和對應IXIA應用程序做一總結（見表1）。
表1 IXIA城域以太網測試方案及對應程序
圖5是典型的IEEE 1588PTP測試場景，IXIA測試端口可以仿真普通時鍾並處於主模式，被測設備，比如以太網交換機處於邊界時鍾狀態，驗證其對各種時鍾報文的處理能力與實現；另一種測試情況是IXIA端口仿真邊界時鍾並處於從屬模式，這時候被測設備處於主模式，驗證被測設備在主時鍾模式下的處理機制。IXIA端口都有PTP協議棧，可以對PTP時鍾信息做靈活的配置。
圖5 IEEE 1588典型測試場景
IXIA IEEE 1588PTP測試方案所支持的特性包括：支持目前最為流行的IEEE 1588 2.2版本；支持兩步時鍾配置；一個物理端口可以同時產生PTP流量和非PTP流量；一個物理端口一個時鍾信號設置，時鍾可以手動設置為主模式或者從模式；可以以柱狀圖顯示從時鍾對應於主時鍾的偏移量；IXIA IxExplorer內置的實時協議分析解碼軟件可以對PTP報文直接進行編輯或者解碼。在測試過程中可以實時顯示各種詳細的PTP統計信息，統計信息見表2。
表2 IXIA IEEE 1588PTP測試統計信息
IXIA IEEE 1588PTP方案還可以實現負面測試（Negative Testing），可以根據需要設定發送Sync報文中Follow-up報文的比例，觀察丟棄掉的Follow-up報文對被測設備的影響；在Follow-up報文中增加錯誤數據包，驗證被測設備的處理與檢測能力；發送包括抖動與偏移的帶有時間戳的數據包迫使Sync報文失敗，檢驗被測設備的處理機制。圖6所示為PTP時鍾配制界面。
4 結束語
根據最新的信息公告，IXIA 被eWeek授予年度十大產品獎之一，被Frost & Sullivan授予2008全球三重播放綜合測試和監測設備的年度市場領先獎，被Test & Measurement World授予三個最佳測試獎，以及被Internet Telephony授予年度產品獎，被如此眾多令人尊敬有技術影響力組織機構的認可，進一步證明了IXIA正在推動測試、測量和業務認證市場的進步和戰略創新，在城域以太網網技術方面，IXIA同樣保持領先的地位，推出了業界第一個100G高速以太網測試加速系統，第一個在統一2~7層IP測試平台上推出了IEEE 1588PTP 精密時鍾同步協議測試技術，IXIA這些技術創新和技術的領導地位，都為全面的IP測試提供了可靠保證。