IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)影響分析

劉繼光 張彬彬 李乃振

（中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì) 遼寧 葫蘆島 125001）

IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)影響分析

劉繼光 張彬彬 李乃振

（中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì) 遼寧 葫蘆島 125001）

IEEE1588協(xié)議作為新一代時(shí)間同步技術(shù)，采用IP網(wǎng)絡(luò)作為時(shí)鐘信息傳輸路徑，通過(guò)2個(gè)時(shí)鐘之間延時(shí)測(cè)量，計(jì)算并修正時(shí)間偏差，因而協(xié)議應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境密切相關(guān)。從介紹協(xié)議基本原理出發(fā)，分析了網(wǎng)絡(luò)影響修正時(shí)間偏差的主要機(jī)理。之后重點(diǎn)分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)時(shí)間同步鏈路時(shí)延的一致性影響，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)時(shí)間同步鏈路時(shí)延計(jì)算準(zhǔn)確性的影響程度，以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況對(duì)時(shí)間同步鏈路時(shí)延穩(wěn)定性的影響。

精度時(shí)間協(xié)議 時(shí)間同步 網(wǎng)絡(luò)

1 引言

為了解決以太網(wǎng)環(huán)境下測(cè)量和控制應(yīng)用的分布式定時(shí)同步需要，在IEEE儀器和測(cè)量委員會(huì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）支持下，網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)起草了IEEE 1588協(xié)議并獲批準(zhǔn)。IEEE 1588協(xié)議全稱為“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，也簡(jiǎn)稱PTP（Precision Timing Protocol）協(xié)議，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展完善協(xié)議目前已發(fā)展到V2版本[1]。隨著PTN和OTN等為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳輸技術(shù)不斷融合，以太網(wǎng)已經(jīng)逐漸從局域組網(wǎng)發(fā)展成廣域組網(wǎng)的重要手段，這使得IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大[2]。與已有的時(shí)間同步技術(shù)如NTP等相比，IEEE 1588協(xié)議具有配置容易、快速收斂、精度高以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)，但I(xiàn)EEE 1588協(xié)議作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其應(yīng)用效果與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境密切相關(guān)，不同網(wǎng)絡(luò)條件下協(xié)議實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步精度差異較大。

2 IEEE 1588協(xié)議基本原理

IEEE 1588協(xié)議核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，周期性的時(shí)鐘發(fā)布，利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對(duì)稱性和延

時(shí)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的頻率、相位和絕對(duì)時(shí)間的同步。IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)，周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步。這個(gè)同步信號(hào)以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的方式傳播，既可以是組播方式，也可以是單播方式[3]。IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的基本過(guò)程如圖1所示。

圖1 IEEE 1588協(xié)議時(shí)間同步過(guò)程示意圖

從時(shí)鐘設(shè)備通過(guò)與主時(shí)鐘設(shè)備之間交互過(guò)程，計(jì)算出于與主時(shí)鐘設(shè)備的偏差及線路延遲，從而完成時(shí)間同步：

①主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送IEEE 1588協(xié)議的Sync消息給從時(shí)鐘設(shè)備，Sync消息包含該消息離開(kāi)本節(jié)點(diǎn)的估算時(shí)間。同時(shí)Sync消息作為一個(gè)事件，通知發(fā)送消息的網(wǎng)絡(luò)端口（支持IEEE 1588協(xié)議）根據(jù)事件發(fā)生時(shí)本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器值，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間戳T1，作為消息離開(kāi)主時(shí)鐘設(shè)備的精確時(shí)間；

②主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送IEEE 1588協(xié)議的Follow_Up消息給從時(shí)鐘設(shè)備，F(xiàn)ollow_Up消息包含了前一個(gè)Sync消息離開(kāi)主時(shí)鐘設(shè)備時(shí)的精確時(shí)間T1；

③從時(shí)鐘設(shè)備收到Sync消息后，記錄下Sync消息到達(dá)網(wǎng)絡(luò)端口（支持IEEE 1588協(xié)議）的時(shí)間戳T2；之后，從時(shí)鐘設(shè)備收到Follow_Up消息之后記下Sync消息離開(kāi)主時(shí)鐘設(shè)備時(shí)的精確時(shí)間T1；

④收到Sync消息后，從時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送IEEE 1588協(xié)議的Delay_Req消息給主時(shí)鐘設(shè)備，Delay_Req消息同樣作為事件通知發(fā)送消息網(wǎng)絡(luò)端口的產(chǎn)生一個(gè)消息離開(kāi)的時(shí)間戳T3，從時(shí)鐘設(shè)備記錄下T3；

⑤主時(shí)鐘設(shè)備收到Delay_Req消息，記錄下Delay_Req消息到達(dá)網(wǎng)絡(luò)端口端口的時(shí)間戳T4，并通過(guò)Delay_Resp消息把T4發(fā)給從時(shí)鐘設(shè)備。此時(shí)，從時(shí)鐘設(shè)備掌握了Delay_Req消息的發(fā)送時(shí)刻T3和接收時(shí)刻T4，及Sync消息的發(fā)送與接收時(shí)間。經(jīng)過(guò)上述時(shí)間戳消息應(yīng)答過(guò)程之后，可得到如下的計(jì)算公式

主從之間時(shí)間差A(yù)=Offset＋MS_Delay=T2－T1；

從主之間時(shí)間差B=SM_Delay－Offset=T4－T3。

式中，Offset表示從時(shí)鐘設(shè)備與主時(shí)鐘設(shè)備之間的時(shí)間偏差；MS_Delay表示主-從之間鏈路時(shí)延；SM_Delay則表示從-主之間鏈路時(shí)延。如果IEEE 1588協(xié)議運(yùn)行在對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，則可認(rèn)為MS_Delay與SM_Delay相等，那么從時(shí)鐘設(shè)備可以得出：

Offset=（A－B）/2

MS_Delay=SM_Delay=（A＋B）/2

通過(guò)不斷與主時(shí)鐘設(shè)備之間進(jìn)行IEEE 1588協(xié)議消息交互，從時(shí)鐘設(shè)備端可以根據(jù)計(jì)算出的Offset修正本地時(shí)間值，從而使本地時(shí)間與主時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間同步，因此主從時(shí)鐘之間同步精度取決于二者之間時(shí)間偏差Offset計(jì)算精度。在原理上，Offset計(jì)算精度同MS_Delay和SM_Delay兩個(gè)鏈路時(shí)延，以及T1等4個(gè)時(shí)間戳相關(guān)。

3 網(wǎng)絡(luò)因素應(yīng)用影響分析

在原理上IEEE 1588協(xié)議始于以太網(wǎng)應(yīng)用，協(xié)議明確了達(dá)到最佳的時(shí)鐘同步性能的網(wǎng)絡(luò)假設(shè)：包括子網(wǎng)內(nèi)主從時(shí)鐘的延遲恒定、子網(wǎng)內(nèi)主從時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延遲是對(duì)稱的及網(wǎng)絡(luò)必須支持組播等。為實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)時(shí)間同步，IEEE 1588協(xié)議采用了在端口上硬件打時(shí)間戳，提高時(shí)鐘晶振的固有穩(wěn)定性等方法，保證了主、從時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間戳信息的高精度。但當(dāng)IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用于更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，由于IP技術(shù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的差異使得2個(gè)時(shí)延值的實(shí)際情況出現(xiàn)更多的不確定性，從而對(duì)主、從時(shí)鐘設(shè)備之間的時(shí)間同步效果帶來(lái)直接影響。

3.1 一致性影響

主從之間鏈路時(shí)延和從主之間鏈路時(shí)延之間具有很好的一致性是IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的理想條件，可以較好保證主、從時(shí)鐘設(shè)備之間時(shí)間同步。但在大型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)資源有效利用和路由冗余備份，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，容易造成IEEE 1588協(xié)議消息傳遞路徑的多樣化。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)情況下，不合理的路由策略配置，可能導(dǎo)致主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送到從時(shí)鐘設(shè)備消息與從時(shí)鐘設(shè)備返回到主時(shí)鐘設(shè)備消息經(jīng)過(guò)不同的路徑，而不同路徑由于傳輸介質(zhì)（如光纖傳輸和衛(wèi)星通信等）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型和數(shù)量（如交換機(jī)和路由器）等物理原因造成往返時(shí)延值的差異。

在網(wǎng)絡(luò)因素中，對(duì)2個(gè)時(shí)延值一致性影響較大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（包括其中路由策略等）。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要影響在于：①能否抑制IEEE 1588協(xié)議消息循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，即在同一路由路

徑內(nèi)，使用生成樹(shù)等協(xié)議，避免在每條路徑內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議消息；在不同路由路徑之間，要避免協(xié)議消息的循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)；②能否最大限度地降低消息傳輸路徑的不對(duì)稱性，即主從之間和從主之間的鏈路差異。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身來(lái)著看，以一點(diǎn)為中心的星型或樹(shù)型結(jié)構(gòu)，主時(shí)鐘設(shè)備一般部署于網(wǎng)絡(luò)中心，主、從時(shí)鐘設(shè)備之間僅有單條消息傳遞路徑，可以最好的抑制消息循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，比較有利于IEEE 1588協(xié)議的應(yīng)用；而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主、從時(shí)鐘設(shè)備之間存在多條消息傳遞路徑，必須要要根據(jù)時(shí)間精度的要求，合理的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)路由來(lái)最小化傳遞路徑不對(duì)稱造成的影響。

3.2 準(zhǔn)確性影響

為確保時(shí)間同步精度，IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的理想條件是時(shí)間信息傳輸路徑全程支持該協(xié)議，也就是協(xié)議消息在主時(shí)鐘設(shè)備與從時(shí)鐘設(shè)備交互過(guò)程中，經(jīng)過(guò)的所有端口（高速以太網(wǎng)接口）都必須支持該協(xié)議的報(bào)文解析和硬件打時(shí)間戳等功能[4,5]，使得時(shí)間信息在傳遞過(guò)程中能夠保持全程高精度，從而有效保證主、從時(shí)鐘設(shè)備在計(jì)算時(shí)間偏差計(jì)算和修正的準(zhǔn)確性。為此IEEE 1588協(xié)議對(duì)傳輸路徑上支持協(xié)議的各類設(shè)備進(jìn)行了規(guī)范，定義了普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，OC）、邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，BC）和透明時(shí)鐘（Transparent Clock，TC）等設(shè)備時(shí)鐘屬性[6]。OC設(shè)備只能接收時(shí)間，用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間源或時(shí)鐘宿，不能同時(shí)作為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。BC設(shè)備相當(dāng)于時(shí)間中繼器，既可以恢復(fù)時(shí)鐘，又可以作為時(shí)鐘源往下游傳遞時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)處于中間位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。TC設(shè)備自身不恢復(fù)時(shí)間和頻率，只對(duì)IEEE 1588協(xié)議報(bào)文做延時(shí)修正，TC設(shè)備對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中僅需配合處理IEEE 1588協(xié)議V2版本報(bào)文，自身不需恢復(fù)時(shí)鐘的設(shè)備。

因此在網(wǎng)絡(luò)因素中，各類設(shè)備的協(xié)議支持能力對(duì)2個(gè)時(shí)延值準(zhǔn)確性影響較大。在大型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中，主時(shí)鐘設(shè)備與從時(shí)鐘設(shè)備之間的交互要通過(guò)不同數(shù)量和類型的設(shè)備，包括傳輸設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及安全設(shè)備等。雖然各類設(shè)備都可以采用高速以太網(wǎng)端口連接，但目前不同設(shè)備對(duì)IEEE 1588協(xié)議的支持程度卻差異較大。目前在傳輸設(shè)備上，傳統(tǒng)的SDH設(shè)備不支持IEEE 1588協(xié)議，正在快速發(fā)展的PTN設(shè)備則支持該協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，各制造商的早期產(chǎn)品不支持IEEE 1588協(xié)議，但近年來(lái)均推出了支持該協(xié)議的產(chǎn)品，如華為公司的NE-40E系列路由器、C9300系列交換機(jī)等；在安全產(chǎn)品中，有影響的主要是串接在網(wǎng)絡(luò)中的安全防護(hù)設(shè)備，常見(jiàn)的包括網(wǎng)絡(luò)防護(hù)墻、PTN和IPS等，目前尚沒(méi)有支持IEEE 1588的產(chǎn)品。

為了解各類設(shè)備對(duì)IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的影響程度，通過(guò)在主時(shí)鐘設(shè)備與從時(shí)鐘設(shè)備之間串接不同類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、傳輸信道及安全保密設(shè)備之后測(cè)試時(shí)間同步精度，可以發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)設(shè)備影響程度，如表1所示。

表1 常見(jiàn)設(shè)備影響程度

3.3 穩(wěn)定性影響

在IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用中，主、從時(shí)鐘設(shè)備之間進(jìn)行周期性的時(shí)間同步，同步過(guò)程中通過(guò)計(jì)算時(shí)間偏差和傳輸延時(shí)來(lái)修正從時(shí)鐘設(shè)備。由于時(shí)鐘設(shè)備晶振穩(wěn)定性很高，一般情況下主、從時(shí)鐘設(shè)備的時(shí)間偏差很穩(wěn)定，如果周期性同步過(guò)程中的傳輸延時(shí)值也較穩(wěn)定，則有利于提高從時(shí)鐘設(shè)備同步效果。但作為一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，IEEE 1588協(xié)議消息與其他各類應(yīng)用協(xié)議報(bào)文一起在網(wǎng)絡(luò)中傳播，由于各種原因引起的網(wǎng)絡(luò)丟包和擁塞等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致IEEE 1588協(xié)議消息傳輸時(shí)延值的抖動(dòng)和偏差，從而會(huì)降低時(shí)間信息的傳輸精度。

因此網(wǎng)絡(luò)因素中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能對(duì)2個(gè)時(shí)延值穩(wěn)定性影響較大。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能主要影響在于：①能否保障IEEE 1588協(xié)議消息的服務(wù)質(zhì)量。在支持IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中自動(dòng)優(yōu)化了協(xié)議消息的處理與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，使其優(yōu)先于所有應(yīng)用層協(xié)議報(bào)文；在不支持協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中配置Qos策略，將IEEE 1588協(xié)議消息傳輸優(yōu)先級(jí)設(shè)置為高于其他數(shù)據(jù)，確保在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)異常時(shí)協(xié)議消息傳輸質(zhì)量；②能否保障傳輸路徑性能指標(biāo)，即通過(guò)合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)流量，優(yōu)化協(xié)議消息傳遞路徑的負(fù)載流量，使其最小化和平衡化，降低丟包率和時(shí)延抖動(dòng)，從而提高主、從時(shí)鐘設(shè)備之間傳輸時(shí)延的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，IEEE 1588協(xié)議提供的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度能力正逐步從通信、電力和控制等領(lǐng)域向更大范圍推廣應(yīng)用。通過(guò)上述分析，應(yīng)用IEEE 1588協(xié)議能否達(dá)到預(yù)期的時(shí)間同步精度，與協(xié)議應(yīng)用的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境密切相關(guān)，其效果受各種網(wǎng)絡(luò)因素的影響。因此，應(yīng)當(dāng)將IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃緊密結(jié)合起來(lái)，從而得到協(xié)議應(yīng)用的最佳效果，提供網(wǎng)絡(luò)整體能力。

[1]孔令彬,文赫勝,陳向文.IEEE 1588精確時(shí)間同步關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010,10(8):1585-1586.

[2]胡昌軍,徐一軍,汪建華.時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展前景[J].電信網(wǎng)技術(shù),2010(10):58-61.

[3]李曉珍,蘇建峰.基于IEEE 1588高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的研究[J].通信技術(shù),2011,44(3):105-107.

[4]周?chē)?guó)平,周磊.IEEE 1588時(shí)間同步誤差的研究[J].山西電子技術(shù),2012(2):94-96.

[5]陳東.IEEE 1588協(xié)議及其在路由交換平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].信息安全與通信保密,2011(7):54-56.

[6]王相周,陳華嬋.IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(8):1846-1849.

Analysis on Influence of IEEE1588 Protocol Applied in Network

LIU Ji-guang,ZHANG Bin-bin,LI Nai-zhen
(Unit 92493,PLA,Huludao Liaoning 125001,China)

As a new generation of time synchronization technology,IEEE1588 protocol uses the IP network as the time information transmission path,calculates and corrects the time deviation by means of delay measurement between two clocks.As a result,the protocol application is closely related to the network environment.This Paper firstly introduces the basic principle of protocol,and analyzes the main mechanism of influence of network on correction of time deviation.And then,this paper emphatically analyzes the influence of network topology on the consistency of time synchronous link delay,the influence degree of network equipment on the calculation accuracy of time synchronous link delay and the influence of network operation condition on the stability of time synchronous link delay.

precision time protocol;time synchronization;network

TP393.1

A

1008-1739（2014）18-62-4

定稿日期：2014-08-26