PTP網(wǎng)絡(luò)非對(duì)稱時(shí)延抖動(dòng)修正算法設(shè)計(jì)與分析

余學(xué)鋒，張開(kāi)維，秦項(xiàng)乾

(中國(guó)人民解放軍63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200)

0 引言

在常規(guī)武器靶場(chǎng)，統(tǒng)一的時(shí)間頻率基準(zhǔn)是確保測(cè)量控制設(shè)備同步精確工作的重要保證。隨著靶場(chǎng)局域網(wǎng)的不斷完善，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率參數(shù)傳遞及測(cè)試成為可能。目前較為成熟的方法就是基于IEEE1588精密時(shí)鐘協(xié)議(PTP)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將主時(shí)鐘時(shí)間信息傳遞給遠(yuǎn)端從時(shí)鐘，一方面為測(cè)試設(shè)備提供時(shí)間信息，另一方面完成對(duì)自主守時(shí)裝置的時(shí)間同步測(cè)試(校準(zhǔn))。然而現(xiàn)有的PTPV2方法是基于兩點(diǎn)假設(shè)，一是局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)支持IEEE-1588v2協(xié)議，也就是說(shuō)要具備PTP報(bào)文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)、鏈路時(shí)延補(bǔ)償?shù)葏f(xié)議功能。二是局域網(wǎng)中主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的路徑延遲與從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的路徑延遲相等且鏈路時(shí)延通常不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。而靶場(chǎng)實(shí)際情況是局域網(wǎng)中的交換機(jī)為普通交換機(jī)，不支持IEEE-1588v2協(xié)議。因此在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸中由于網(wǎng)絡(luò)傳輸阻塞的不確定性會(huì)造成鏈路報(bào)文傳輸非對(duì)稱時(shí)延及抖動(dòng)(PDV)，通常達(dá)幾百微秒級(jí)，而靶場(chǎng)授時(shí)及測(cè)量精度要求為百納秒級(jí)別，因此必須解決網(wǎng)絡(luò)傳輸非對(duì)稱時(shí)延抖動(dòng)的問(wèn)題。

關(guān)于PTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸非對(duì)稱延時(shí)抖動(dòng)抑制方法，許多學(xué)者做了大量的工作。文獻(xiàn)[1]提出了最小排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)算法；文獻(xiàn)[2]提出了采用能夠記錄報(bào)文時(shí)間戳的交換設(shè)備對(duì)其固有延時(shí)時(shí)間進(jìn)行修正方法；文獻(xiàn)[3]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)區(qū)分服務(wù)調(diào)度模型的同步報(bào)文路徑延時(shí)誤差修正方法；文獻(xiàn)[4]提出了報(bào)文時(shí)延分布參數(shù)估計(jì)方法；文獻(xiàn)[5-7]等也都提出了一些很好的方法。但這些方法中有的需要交換機(jī)硬件支持，有的需要對(duì)交換機(jī)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，有的需要在PTPV2協(xié)議傳輸機(jī)制中額外增加專門檢測(cè)報(bào)文，有的只是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的性能仿真驗(yàn)證結(jié)果。為此，本文提出了采用二級(jí)過(guò)濾的先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法，利用從端接收?qǐng)?bào)文之后，對(duì)所有的報(bào)文進(jìn)行算法過(guò)濾估值計(jì)算，確保收到的不同PDV數(shù)據(jù)為統(tǒng)一穩(wěn)定的時(shí)間值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)高流量負(fù)荷、擁塞而導(dǎo)致的非對(duì)稱時(shí)延抖動(dòng)時(shí)也能恢復(fù)出精準(zhǔn)時(shí)鐘，并且在實(shí)際普通交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)算法性能進(jìn)行測(cè)試。

1 PTPV2報(bào)文傳輸模型

PTPV2的基本原理是主從時(shí)鐘之間周期性交換帶有時(shí)間戳的報(bào)文，從時(shí)鐘根據(jù)時(shí)間戳信息計(jì)算出路徑時(shí)延以及主從相位差，進(jìn)而校正從時(shí)鐘的時(shí)間相位偏差。

設(shè)從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的初始時(shí)間相位偏差為δ，PTPV2采用主從層次結(jié)構(gòu)(雙向報(bào)文交換)，協(xié)議引擎為端對(duì)端(E2E)延時(shí)測(cè)量機(jī)制。在同步開(kāi)始時(shí)，主時(shí)鐘端在t1時(shí)刻向從時(shí)鐘端發(fā)送SYNC報(bào)文，同時(shí)將SYNC報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻t1通過(guò)跟隨報(bào)文FOLLOW_UP發(fā)送給從時(shí)鐘端。從時(shí)鐘端記錄SYNC報(bào)文的接收時(shí)刻t2，t2=t1+d1+δ,其中d1為端對(duì)端(E2E)延時(shí)測(cè)量機(jī)制下的主時(shí)鐘端到從時(shí)鐘端網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

從時(shí)鐘在t3時(shí)刻向主時(shí)鐘發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文DELAY_REQ，主時(shí)鐘端記錄收到DELAY_REQ報(bào)文的時(shí)刻t4，t4=t3-δ+d2，d2為端對(duì)端(E2E)延時(shí)測(cè)量機(jī)制下的從時(shí)鐘端到主時(shí)鐘端網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。然后將時(shí)間t4通過(guò)延時(shí)響應(yīng)報(bào)文DELAY_RESP發(fā)送至從時(shí)鐘。這樣在每個(gè)同步周期，從時(shí)鐘端就可得到4個(gè)時(shí)間戳信息t1、t2、t3、t4。根據(jù)這四個(gè)時(shí)間信息，同步系統(tǒng)程序可分別計(jì)算出主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的鏈路時(shí)延、從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的鏈路時(shí)延、平均鏈路時(shí)延以及主從時(shí)鐘偏移。

2 延時(shí)抖動(dòng)修正算法

基于PTPV2協(xié)議的主從時(shí)鐘在普通交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)下的同步報(bào)文傳輸延時(shí)抖動(dòng)，核心是由于網(wǎng)絡(luò)阻塞的不確定性，而網(wǎng)絡(luò)本身又不具備對(duì)報(bào)文在交換機(jī)中的滯留時(shí)間標(biāo)記能力，不能糾正延遲的不對(duì)稱性，導(dǎo)致從時(shí)鐘端得到的4個(gè)時(shí)間戳信息不能真實(shí)反映主從時(shí)鐘同步情況。而先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)(AETR)算法可大大降低主從時(shí)鐘同步過(guò)程中的時(shí)延抖動(dòng)。基本思路是通過(guò)對(duì)N個(gè)時(shí)鐘同步周期時(shí)間戳觀測(cè)值的統(tǒng)計(jì)分析，過(guò)濾掉受網(wǎng)絡(luò)擁塞影響的同步周期，并在未受阻塞的幸運(yùn)同步周期中，運(yùn)用從時(shí)鐘端得到的4個(gè)時(shí)間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協(xié)議計(jì)算傳輸延時(shí)及偏差修正值，恢復(fù)出從時(shí)鐘調(diào)整值。先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法能夠集成于PTPV2同步協(xié)議延時(shí)測(cè)量機(jī)制中，在不增加PTP協(xié)議傳輸通訊開(kāi)銷的前提下，僅將多個(gè)同步周期的偏差計(jì)算值以緩存的形式存儲(chǔ)起來(lái)，用于先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法的統(tǒng)計(jì)分析。AETR算法通過(guò)兩級(jí)連續(xù)的過(guò)濾算法，確保使用最優(yōu)同步周期偏差值來(lái)恢復(fù)出精確的從時(shí)鐘時(shí)間調(diào)整信息。另外AETR模型在同步周期偏差值過(guò)濾中，不僅過(guò)濾掉明顯受網(wǎng)絡(luò)阻塞影響的同步周期，還要對(duì)通過(guò)一級(jí)過(guò)濾后的幸運(yùn)同步周期進(jìn)行二次過(guò)濾，篩選出最優(yōu)的同步周期偏差值，運(yùn)用逐次逼近算法，恢復(fù)出主從時(shí)鐘同步周期的精確時(shí)間。當(dāng)在PTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸某個(gè)同步周期中，從時(shí)鐘端沒(méi)有獲得符合算法要求的同步周期偏差值時(shí)，就采用先前存儲(chǔ)的同步周期偏差值進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)整。AETR算法執(zhí)行過(guò)程流程圖如圖1所示。

圖1 AETR算法執(zhí)行過(guò)程流程圖

在第一級(jí)過(guò)濾過(guò)程中，主、從時(shí)鐘按照PTPV2協(xié)議中的延時(shí)請(qǐng)求-響應(yīng)測(cè)量機(jī)制在每個(gè)同步周期內(nèi)交換基本時(shí)間信息并計(jì)算鏈路延時(shí)偏差。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遭受傳輸網(wǎng)絡(luò)阻塞的同步周期的過(guò)濾，設(shè)置過(guò)濾閾值標(biāo)記R，R=(t2-t1)/(t4-t3)。若傳輸網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱無(wú)時(shí)延抖動(dòng)，理想情況下R值為1，但實(shí)際上由于網(wǎng)絡(luò)阻塞等原因，R值是在1附近變化的，通過(guò)設(shè)置R的閾值，可將一部分受網(wǎng)絡(luò)阻塞影響的同步周期過(guò)濾掉。該標(biāo)記值的選擇要綜合考慮主、從時(shí)鐘所在網(wǎng)絡(luò)情況以及時(shí)鐘同步精度要求，靶場(chǎng)試驗(yàn)IP網(wǎng)屬于中度流量網(wǎng)絡(luò)，主從時(shí)鐘同步精度要求優(yōu)于100 ns。因此綜合有關(guān)報(bào)道[8-9]，選擇的R值過(guò)濾范圍為0.97

所有通過(guò)第一級(jí)過(guò)濾后的幸運(yùn)同步周期，從時(shí)鐘端都將得到4個(gè)時(shí)間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協(xié)議進(jìn)行傳輸延時(shí)及偏差修正值計(jì)算，即Yi=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在緩存中并給以標(biāo)記，然后進(jìn)行第二級(jí)過(guò)濾算法，即精確時(shí)間恢復(fù)算法。在第二級(jí)過(guò)濾中，采用偏差逐次逼近方法確保過(guò)濾出最優(yōu)偏差估值，用于計(jì)算從時(shí)鐘當(dāng)前相位偏差值并對(duì)時(shí)鐘數(shù)據(jù)更新。這其中有可能還有一些時(shí)鐘偏差計(jì)算值或高或低于預(yù)期的偏差值，在數(shù)據(jù)更新過(guò)濾過(guò)程中，這些計(jì)算值所對(duì)應(yīng)的同步周期也將被過(guò)濾掉。數(shù)據(jù)更新過(guò)濾流程圖如圖1中的二級(jí)過(guò)濾部分所示。當(dāng)收到的最新同步周期顯示網(wǎng)絡(luò)中有較大的流量時(shí)，從時(shí)鐘將用上一次的偏差計(jì)算值而不會(huì)采用當(dāng)前偏差計(jì)算值對(duì)從時(shí)鐘調(diào)整。

通過(guò)一級(jí)過(guò)濾后的第一個(gè)幸運(yùn)同步周期，根據(jù)獲得的4個(gè)時(shí)間戳計(jì)算出從時(shí)鐘偏差修正值Y1，并用該值對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。待第二個(gè)幸運(yùn)同步周期，其偏差計(jì)算值Y2則與Y1進(jìn)行求平均值，用平均值對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)幸運(yùn)同步周期到來(lái)后，則將三個(gè)幸運(yùn)同步周期的偏差計(jì)算值Y1、Y2、Y3求平均值Yt及與平均值的差值Yti，i=1,2,3，計(jì)算Yti最大值Ytmax和最小值ytmin，取Yti最小值ytmin所對(duì)應(yīng)的偏差計(jì)算值Yi，用于對(duì)從鐘進(jìn)行調(diào)整，并將該值標(biāo)記為最優(yōu)偏差值Ft。

當(dāng)超過(guò)三個(gè)以上幸運(yùn)同步周期到來(lái)后，就按照式(1)和式(2)的逐次逼近算法獲得ytmin、ytmax。

(1)

(2)

式中,k為算法因子。同時(shí)求當(dāng)前偏差計(jì)算值Yi與Yt的差值，若二者差值絕對(duì)值小于Ytmin，則用當(dāng)前值Yi對(duì)從鐘進(jìn)行調(diào)整，并將該值標(biāo)記為最優(yōu)偏差值Ft，如果Ytmin<|Yi-Yt|

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在靶場(chǎng)試驗(yàn)IP網(wǎng)絡(luò)中(網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示)，共有五級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換。將PTPV2主從時(shí)鐘接入該局域網(wǎng)中，以主時(shí)鐘對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行授時(shí)，從時(shí)鐘始終與主時(shí)鐘保持同步，從時(shí)鐘提供校準(zhǔn)時(shí)間對(duì)遠(yuǎn)端自守時(shí)設(shè)備的1 pps同步精度進(jìn)行測(cè)試。主從時(shí)鐘間同步精度以及從時(shí)鐘對(duì)自守時(shí)設(shè)備的1 pps測(cè)量誤差均采用更高精度的時(shí)間校準(zhǔn)儀及數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于評(píng)價(jià)采用先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法后的主從時(shí)鐘授時(shí)及測(cè)量性能。

圖2 PTPV2測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

對(duì)已有的符合IEEE1588V2協(xié)議的主從時(shí)鐘系統(tǒng)處理軟件中，增加延時(shí)抖動(dòng)修正過(guò)濾算法，并將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量模擬源鏈接于網(wǎng)絡(luò)中，模擬高流量負(fù)荷、擁塞而導(dǎo)致的大分組時(shí)延變化(PDV)環(huán)境，進(jìn)行主從時(shí)鐘同步精度及從時(shí)鐘遠(yuǎn)程校準(zhǔn)驗(yàn)證測(cè)試。

首先進(jìn)行主從時(shí)鐘授時(shí)精度測(cè)試，用時(shí)間校準(zhǔn)儀對(duì)主時(shí)鐘的時(shí)間精度進(jìn)行校準(zhǔn)，誤差小于10 ns，因此當(dāng)把主從時(shí)鐘接入局域網(wǎng)后，時(shí)間校準(zhǔn)儀對(duì)從時(shí)鐘端的測(cè)量(借助數(shù)字存儲(chǔ)示波器)結(jié)果就代表了主從時(shí)鐘同步精度。

將主、從時(shí)鐘分別接入靶場(chǎng)試驗(yàn)IP網(wǎng)的端口1和端口2(5層交換機(jī))，進(jìn)行初始化設(shè)置，待穩(wěn)定后采用時(shí)間校準(zhǔn)儀及數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)從時(shí)鐘1 PPS輸出進(jìn)行測(cè)試(相對(duì)于主時(shí)鐘1 PPS輸出)，連續(xù)測(cè)量24小時(shí)，期間通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量模擬源對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)施加最高到80%的數(shù)據(jù)量。測(cè)試結(jié)果如圖2中所示。主、從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)傳輸同步時(shí)間抖動(dòng)呈正態(tài)分布，平均值為15.5 ns，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.0 ns，抖動(dòng)最大范圍為-12.9～45.6 ns。

圖3 主、從時(shí)鐘授時(shí)精度及同步時(shí)間抖動(dòng)

其次進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的從時(shí)鐘遠(yuǎn)程校準(zhǔn)性能測(cè)試。將主、從時(shí)鐘分別接入靶場(chǎng)試驗(yàn)IP網(wǎng)的端口1和端口2(5層交換機(jī))，進(jìn)行初始化設(shè)置，待穩(wěn)定后將被校準(zhǔn)時(shí)統(tǒng)裝置(自守時(shí))先與放在端口2的時(shí)間校準(zhǔn)儀進(jìn)行本地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)稱值，如圖4(a)所示。再將被校準(zhǔn)時(shí)統(tǒng)裝置接入端口2所在的從時(shí)鐘1 pps IN測(cè)試口進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。共進(jìn)行100次測(cè)量，采用時(shí)間校準(zhǔn)儀本地校準(zhǔn)和PTPV2遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的時(shí)統(tǒng)裝置同步誤差測(cè)量平均值分別為-331.1、-316.5 ns，二種方法測(cè)量偏差為14.6 ns，保持了很好的一致性。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)的從時(shí)鐘遠(yuǎn)程校準(zhǔn)性能測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

在基于PTPV2協(xié)議的主從時(shí)鐘同步中，本文設(shè)計(jì)的先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法，可有效抑制由于普通交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸延時(shí)抖動(dòng)所帶來(lái)的同步偏差，大大提高主從時(shí)鐘同步精度。實(shí)際應(yīng)用情況也表明，在有5級(jí)普通交換機(jī)下，主從時(shí)鐘同步精度可優(yōu)于100 ns，這也為基于局域網(wǎng)的遠(yuǎn)程時(shí)間頻率校準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

先進(jìn)增強(qiáng)時(shí)間恢復(fù)算法是在PTPV2周期性交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文基礎(chǔ)上，增加了傳遞報(bào)文過(guò)濾評(píng)估環(huán)節(jié)，使得收到的不同PDV數(shù)據(jù)為統(tǒng)一穩(wěn)定的時(shí)間值。如果考慮時(shí)間同步中的偏移率及環(huán)境溫度的影響，二級(jí)過(guò)濾閾值的選擇則需要更為細(xì)致，有關(guān)這方面問(wèn)題在未來(lái)工作中有待進(jìn)一步的研究。