前言
往期的時間同步——802.1AS協議介紹一文向大家介紹了802.1AS協議的基本內容，基於時間同步協議就能實現主節點與各從節點的時間同步，但是如何評價時間同步的優劣呢？這就需要我們通過一些時間同步的參數進行分析。
本文將借助TSN Systems公司的專業TSN網絡分析及測量工具TSN Box以及TSN Tools，（其中TSN Box是網絡的硬件接口，作為TAP（Test Access Point）時，能夠監測單條鏈路的報文；TSN Tools是對TSN網絡通訊數據進行分析和可視化的軟件工具。），從時間同步分析的角度，介紹常用的時間同步參數以及在TSN Tools軟件中對應的分析器工具。
時間同步機制
在介紹具體的時間同步參數之前，先來回顧一下802.1AS中保證時間同步的兩個機制：Sync 以及Pdelay機制。前者使得從節點接收到全局主節點時鍾，后者使得每個節點能計算出相鄰鏈路的延遲，二者結合起來實現時間同步。
1. Sync
全局主節點周期性地發Sync報文，並且在隨后的Follow Up報文中附帶上之前Sync報文發送的精確時間戳；所有從節點記錄下接收到Sync報文的精確時間戳（基於本地時鍾），再結合之后的Follow-Up報文中包含的精確時間戳（基於全局主節點時鍾），結合下面介紹的路徑延時，就能計算出本地時鍾相對於全局主節點時鍾的偏移。
2. Pdelay
Pdelay機制分為發起端和接收端，任意一個節點都可以是發起端或接收端，也就是說，全局主節點可以是接收端，從節點也可以是發起端。
Pdelay發起端發送Pdelay_Req報文，發起端同時記錄下發送的精確時間戳t1；而Pdelay接收端收到Pdelay_Req報文后，記錄下接收的精確時間戳t2；然后Pdelay接收端發送Pdelay_Resp報文，其中包含t2這一信息，同時記錄下發送的精確時間戳t3；隨隨后Pdelay接收端再發送包含t3時間信息的Pdelay_Resp_Follow_Up報文，這樣發起端獲得t1、t2、t3和t4四個時間戳信息，就能計算出發起端至接收端的平均鏈路延時。
TSN Box與TSN Tools時間同步分析器
TSN Box是網絡硬件接口，作為TAP設備時串聯進單一鏈路中，監測雙向的通信。需要說明的是配置為TAP的TSN Box向上位機的TSN Tools提供測量數據時，會引入大約1.5μs ±10 ns的延時，詳見羅德與施瓦茨公司和TSN Systems公司為車載以太網提供納秒級精度測量一文。TAP的基本拓撲如下圖所示：
TSN Tools是網絡分析、可視化的軟件，可以將TSN Box捕捉到的報文經過篩選、分析，輸出直觀的圖表，比如將全局主節點周期發送的報文繪制在同一時間線里：
而TSN Tools強大的分析功能來源於分析器模塊，比如其內置的802.1AS分析器 ，下面就逐一介紹這些分析器的功能：
1. Sync-Follow_Up Delay
圖 Sync-Follow_Up
Sync-Follow_Up Delay表示，在一次Sync報文授時過程中，TSN Box接收到的Sync、Follow_Up報文的時間差，即t4-t2 ，此參數用來反映實際Sync-Follow_Up時間間隔的穩定性。
下圖是TSN Tools使用Sync-Follow_Up Delay分析器的效果：
可以看到Sync-Follow_Up Delay基本穩定在10ms，少量波動在-250μs~+750μs范圍。
2. Inter-Sync Arrival Delay
Inter-Sync Arrival Delay表示TSN Box接收到相鄰兩個Sync報文的時間間隔，即t6-t2 ，此參數反映Sync發送周期的穩定性。
下圖是TSN Tools使用Inter-Sync Arrival Delay分析器的效果：
可以看到Inter-Sync Arrival Delay在131ms±333μs范圍波動，個別波動點在130ms左右。
3. Slave Clock Wander
Slave Clock Wander表示Slave時基相對於Master時基的偏移。
這需要TSN Box和Slave節點均與Master同步；Slave節點發送Reverse-Sync，並且記錄發送時間戳t1’，在TSN Box接收到Reverse-Sync記錄接收時間戳t2’，由於Tap Delay足夠小，且TSN Box已經與Master節點同步，所以t2‘可以認為是Master時基的時間戳’；隨后Slave節點發出Reverse-Follow_Up，其中會包含t1’信息，然后Slave節點再次發送一對Reverse-Sync、Follow_Up，此時在TSN Box就有t1’、t2’、t5’、t6’四個時間戳，其中t1’、t5’是Slave時基下的時間戳，t2’、t6’是Master時基下的時間戳，兩種時基下的時間差與Master時基之比就表示Slave時基相對於Master時鍾的偏差，由於這個偏差通常比較小，所以在TSN Tools中以每秒偏差多少納秒的形式顯示：
可以看到Slave Clock Wander在±100ns范圍波動。
4. Sync Delay
Sync Delay表示TSN Box接收到Sync報文的時間戳與Follow Up報文中包含的Sync發送時間戳之差，這里假定Master與TSN Box之間的物理連接線束長度很小，此時引入的鏈路延時大約是納秒級，則Sync Delay能夠反映Master節點記錄發送時間戳的能力。
可以看到Sync Delay大約在840±40ns范圍：
5.Propagation Delay
圖 Pdelay
Propagation Delay即Pdelay也就是單一鏈路延遲，僅考慮單向時為從發起端到接收端的時延，考慮雙向時為雙向時延的平均值。
可以看到Propagation Delay大約在2825ns±25ns范圍。
6. Peer Delay Round Trip
Peer Delay Round Trip表示計算從PdelayRequest發出到接收到PdelayResponseFollowUp的時間差，即t6-t1 ：
7. Forwarding Delay
Forwarding Delay指的是報文經過單個或多級交換設備轉發產生的時延，需要從TSN Box的一端接收從Master發出的報文，另一端接收經過轉發的報文，TSN Box比對兩端相同報文的接收時間戳，從而計算出轉發的時間。
結語
本文通過介紹TSN Tools中各個802.1AS分析器的功能及使用方法，展示了TSN Box結合TSN Tools所提供的強大的時間同步分析能力。TSN Box結合TSN Tools是應對復雜的、具有時間敏感特性的車載以太網的有效解決方案。
北匯信息作為TSN Systems公司在中國的獨家合作伙伴，借助TSN Systems公司專業的TSN網絡設備及分析軟件，能夠為下一代E/E架構中時間敏感網絡提供系統級測試解決方案，包括系統設計測試、系統性能測試以及系統魯棒性測試等。此外還提供TSN技術Workshop，其中對TSN協議族內各個子協議的解讀、行業現狀及趨勢分析、根據應用場景提出TSN網絡架構解決方案等內容，將有效地幫助客戶迎接下一代E/E架構中時間敏感網絡帶來的挑戰。
圖源自TSN Box手冊及TSN Tools軟件。