前言
之前的主題TSN的發展歷史和協議族現狀介紹了TSN技術的緣起，最近一期的主題TSN協議導讀從定時與同步、延時、可靠性、資源管理四個方面，幫助大家了解TSN協議族包含哪些子協議，以及這些子協議的作用及功能。相信大家對TSN技術已經有了整體的概念。
時間同步作為諸多TSN協議的基礎，無疑是十分重要的。今天就帶大家深入了解TSN協議族中802.1AS是如何實現時間同步的。
協議基本介紹
802.1AS通用精確時間協議（Generalized Precision Time Protocol），將為汽車、工業自動化控制等領域實現精確時間的測量。本章將從基本概念、測量方式入手，再介紹時間同步過程，最后介紹802.1AS的新特性及汽車領域profile。
1. 802.1AS概念
1）基本構成
在802.1AS中，時間同步是按照“域”（domain）划分的，包含多個PTP節點。在這些PTP節點中，有且僅有一個全局主節點（GrandMaster PTP Instance），其負責提供時鍾信息給所有其他從節點。
PTP節點又分為兩類：PTP End Instance（PTP端節點）和PTP Relay Instance（PTP交換節點）。其中：
- PTP End Instance或者作為GrandMaster，或者接收來自GrandMaster的時間同步信息；
- PTP Relay Instance從某一接口接收時間同步信息，修正時間同步信息后，轉發到其他接口。
2）GrandMaster的選取
GrandMaster的選取除了手動設置以外，可以通過比較每個PTP節點的屬性，自動選出GrandMaster，這一策略就是BMCA（Best Master Clock Algorithm）。
在BMCA建立的過程中，首先各個PTP節點將自身時鍾屬性（比如時鍾源）、接口信息放入Announce報文中，並發送給gPTP域內所有節點，之后PTP節點比較自身與接收到的時鍾屬性，優先級高的PTP節點自動成為GrandMaster。
3）報文類型
802.1AS包括兩種類型（Message class）General message和Event message，二者的區別在於，發送或接收Event message時，相應的時間戳會被記錄，而General message則不會。General message包括Announce、Signaling、Follow_Up、Pdelay_Resp_Follow_Up，Event message包括Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp。
Announce報文包含時鍾相關信息，並且傳輸中，會記錄途徑的各PTP節點的Id添加到path trace TLV中；Signaling報文包含該PTP節點支持的信息，比如是否支持“一步法”、允許的Announce Interval等；Sync報文由GrandMaster發送，包含主時鍾信息，其他節點計算本地時鍾與主時鍾的差值，實現同步；Follow_Up以及Pdelay_Resp_Follow_Up則是“兩步法”中提供補充時間戳的報文，前者與Sync連用，后者與Pdelay_Resp連用；最后Pdelay_Req與Pdelay_Resp一起構成P2P測量機制的基礎，將在后續章節中詳細講解。
2. 802.1AS測量過程
為了實現從節點本地時鍾與GrandMaster時鍾同步，需要考慮三個因素：
- 時鍾頻率誤差
- 鏈路延遲
- 駐留時間
時鍾頻率誤差是指PTP從節點的本地時鍾頻率與GrandMaster的主時鍾頻率很有可能是不同的，而且各PTP從節點之間也存在誤差，這就造成時間測量基准不同，從而引入誤差。
鏈路延遲（MeanLinkDelay）是指兩兩PTP節點之間通信的鏈路，在單方向上傳播所需要的時間，也稱為鏈路平均傳播時間（Mean Propagation Delay）。
駐留時間（residence time）是指PTP Relay Instance將接收到的報文轉發出去所用的時間，也就是報文停留在Relay中的時間。
1） 時鍾頻率誤差測量
802.1AS為了消除這種誤差，采用累積計算相鄰節點時鍾頻率的比值（NeighborRateRatio）的方式，實現將本地時基（Local Clock Timebase）換算成（GrandMaster Timebase）。
舉例來說，GrandMaster的時鍾頻率為1MHz，而與之相鄰的PTP從節點（A）時鍾頻率有偏差為1.3MHz，對於A節點來說NeighborRateRatio等於1.3。當A節點本地時鍾度過2.6s時，使用NeighborRateRatio換算為GrandMaster時基，則得到主時鍾度過2s。對於與A相鄰的B節點，假設其時鍾頻率為0.9MHz，經過累積的NeighborRateRatio等於0.9（1.3/1.0*0.9/1.3），當B節點本地時鍾度過3s時，主時鍾度過2.7s。
2） 鏈路延遲測量
802.1AS中測量鏈路延遲采用P2P測量機制（Peer-to-Peer delay Mechanism），假設鏈路往返延遲一致（鏈路具有對稱性），通過測定四個精確時間戳，計算得出一段鏈路上的鏈路延遲（MeanLinkDelay）。
- 對於一段鏈路，存在兩個PTP節點，其中Peer delay initiator（發起者）會主動發出Pdelay_Req報文，接收Pdelay_Req報文的節點稱為Peer delay responder（響應者）
- 在initiator端會記錄Pdelay_Req報文實際的發出時間戳t1，在responder端會記錄報文實際的接收時間戳t2
- responder在接收到Pdelay_Req后會回復Pdelay_Resp報文給initiator，這個報文會包含t2這一信息
- 在responder端會記錄Pdelay_Resp發送時間戳t3，在initiator端會記錄接收時間戳t4
- responder端會在Pdelay_Resp之后在發送一個Pdelay_Resp_Follow_Up報文給initiator，以包含信息t3
- 至此，在initiator端有t1、t2、t3、t4四個精確時間戳，通過計算t2-t1和t4-t3就能得到這一鏈路兩個方向（i->r、r->i）傳播的用時（tir、tri），再對其求均值，就能得到這一鏈路延遲（MeanLinkDelay）；
- 對於進行P2P測量的雙方節點會交替作為initiator，從而都能獲得該鏈路延遲（MeanLinkDelay）。
使用P2P測量機制，就能得到gPTP域中每一段鏈路延遲，在實際進行同步過程中，PTP Relay Instance會將從GrandMaster開始的鏈路延遲累積記錄在Follow_Up報文中的correctionField中，再轉發出去；同時，對非對稱誤差的修正（通過測定后，手動設置參數修正），也放在correctionField中。
3） 駐留時間測量
駐留時間由PTP Relay Instance引入，指的是報文停留在Relay中的時間。想要消除其帶來的影響相對簡單，就是在轉發出的Follow_Up報文中的correctionField中記錄這一駐留時間，其他PTP節點收到該報文，就能計算得出正確的時間偏移。
3. 時間同步實現過程
802.1AS中通過手動配置或者BMCA確立GrandMaster后，GrandMaster周期發送Sync和Follow_Up報文提供主時鍾基准；在實現節點同步之前，各個PTP節點通過Signaling報文協商計算NeighborRateRatio的間隔、計算MeanLinkDelay的間隔等信息；最后，各PTP從節點利用已有的NeighborRateRatio、MeanLinkDelay以及接受到的Sync及Follow_Up報文，利用Follow_Up報文中的correctionField信息修正后，就能得出主時鍾現在的時刻，從而完成時間同步。
4. 2020版新特性
在新版的802.1AS-2020中，添加了幾個重要的新特性，如：多域冗余、支持“一步法”等。下面就來簡單了解一下這些特性。
1） 多域冗余
這張圖很好地展現了多域冗余特性，主要分為兩種方式：
- 同一GM（全局主節點）划分多個域，對每個域生成同步樹（即同步路徑）實現冗余
- 多個GM，每個GM維護一個域生成同步樹，多個GM有主次之分，次要GM跟主要GM同步，這種方式也稱為hot-standby
在圖中，左上角的end station作為主要GM，它划分兩個域，為每個域生成一個同步樹（即同步路徑，分別為藍色和淡藍色），右下角的end station作為次要GM跟主要GM同步，此外也划分兩個域，為每個域生成同步樹（紅色和淺紅色），這樣一共有四個域、四個同步樹，確保了冗余。
2） “一步法”
所謂“一步法”（也稱為“on-the-fly”）是指在發送報文的同時，將在接近物理層的發送時間戳添加到報文中直接發送出去，這樣將所需要的信息放在一幀報文中，更加高效，但是需要額外的硬件支持。對於接收節點，同樣需要對“一步法”報文解析的能力。
“兩步法”Sync報文
“一步法”Sync報文
與之相對的是“兩步法”，這種方法僅在Sync或Pdelay_Resp報文發送時記錄發送時間戳，再把這一信息封裝在Follow_Up或Pdelay_Resp_Follow_Up報文中發送，從而在不需要額外的硬件支持下獲得精確的時間戳。
5. 汽車領域profile
802.1AS能為汽車領域、工業自動化控制等領域實現精確時間的測量。而針對汽車領域的profile目前還未正式發布，這一內容將在802.1dg中體現，屆時，我們將帶來對其的深入解讀。
結語
以上就是本次對802.1AS協議介紹的全部內容了，后續會帶來更多TSN協議的解讀，敬請期待。
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最后，北匯信息還提供AVB/TSN 網絡課程，課程介紹了汽車網絡架構的發展帶來了各種各樣的挑戰和問題，如何從通訊角度來應對這些挑戰，以及當前TSN協議的發展現狀；對TSN各個協議標准進行了剖析，以期聽眾可以了解TSN各個協議的運作機理，為其配置和使用TSN網絡提供基礎。