IEEE 802.1AS-2011 第七章 桥接局域网的时间同步模型

本文翻译自IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks

7. 桥接局域网的时间同步模型

7.1 概述

本节提供了理解广义精确时间协议（gPTP）操作的模型，该协议规定了桥接分组交换LAN上时间感知系统的操作。 尽管该标准基于IEEE Std 1588-2008中描述的精确时间协议（PTP）（并且实际上是IEEE Std 1588在特定配置中的适当简档），但是存在差异，其在7.5中总结。
尽管该标准是作为独立文档编写的，但理解该文档的第6章中描述的IEEE 1588体系结构是有用的。

7.2 时间感知的桥接局域网的体系结构

时间感知桥接LAN由许多时间感知系统组成，这些系统通过LAN互连，支持在该标准中定义的gPTP。 由具有gPTP功能的LAN互连的一组时间感知系统称为gPTP域。 有两种类型的时间感知系统，如下所示：
a) 时间感知终端站，如果不是特级大师，则是时间信息的接收者，
b) 时间感知桥，如果不是特级大师，则从大师那里接收时间信息（可能间接地通过其他时间感知的桥），应用校正来补偿LAN和桥本身的延迟，并重新发送校正后的信息。
该标准定义了使用基于标准的程序进行延迟测量的机制，具体如下：
c) 使用全双工点对点链路的IEEE 802.3以太网（第11条）
d) 使用无源光网络（EPON）链路的IEEE 802.3以太网（第13条）
e) IEEE 802.11无线（第12条）
f) 通用协调共享网络（CSN，例如MoCA和G.hn）（附件E）
图7-1说明了使用所有这些网络技术的示例时间感知网络，其中多个本地网络上的终端站通过EPON接入网络连接到骨干网上的主站。

任何具有时钟源功能的时间感知系统都可以成为潜在的大师，因此有一种选择方法（最佳主时钟算法，或BMCA）可确保gPTP域中的所有时间感知系统使用相同的大师。 BMCA与IEEE Std 1588-2008中使用的BMCA基本相同，但有些简化。 在图7-1中，BMCA过程导致了超级大师在网络主干上。 但是，如果接入网络发生故障，本地网络上的系统会自动切换到本地网络上的一个潜在的大师，这个大师至少和其他任何大师一样“好”。 例如，在图7-2中，接入网络链路出现故障，因此具有GPS参考源的潜在大师已经成为活动的大师，现在有两个gPTP域，之前只有一个。

7.3 时间同步

7.3.1 概述

gPTP中的时间同步以与IEEE Std 1588-2008中相同的方式（在摘要中）完成：主控制器将包括当前同步时间的信息发送到所有直接连接的时间感知系统。这些时间感知系统中的每一个必须通过添加信息从宏管理器传输通信路径所需的传播时间来校正所接收的同步时间。如果时间感知系统是时间感知桥，那么它必须将校正的时间信息（包括对转发过程中的延迟的附加校正）转发给所有其他附加的时间感知系统。
为了使这一切全部工作，必须准确知道两个时间间隔：转发延迟（称为停留时间），以及同步时间信息在两个时间感知系统之间传输通信路径所花费的时间。停留时间测量是桥本地的并且易于计算，而通信路径延迟取决于许多因素，包括媒体相关属性和路径长度。

7.3.2 延迟测量

每种类型的LAN或通信路径都有不同的方法来测量传播时间，但它们都基于相同的原理：测量从一个设备发送某个消息的时间以及另一个设备接收到相同消息的时间，然后以相反方向发送另一个消息并执行与所示相同的测量，如图7-3所示。

这种基本机制通过以下方式用于各种LAN：
a) 全双工以太网LAN使用IEEE Std 1588-2008中定义的两步对等（P2P）路径延迟算法，其中消息称为Pdelay_Req，Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up。
b) IEEE 802.11无线LAN使用IEEE P802.11v（D15.0，2010年9月）中定义的定时测量过程，其中消息是“定时测量动作帧”及其对应的“ACK”。
c) EPON LAN使用发现过程，其中消息是“GATE”和“REGISTER_REQ”。
d) CSN使用与全双工以太网相同的机制，或者使用特定CSN本地的方法（类似于IEEE 802.11和EPON使用本机方法的方式）。

7.3.3 逻辑谐振

先前描述的时间同步校正取决于延迟和停留时间测量的准确性。 如果用于此目的的时钟被频率锁定（合成）给主时钟，则所有时间间隔测量使用相同的时基。 由于实际调整振荡器的频率（例如，使用PLL）是缓慢的并且倾向于获得峰值效应，因此时间感知桥可以使用主时钟频率比来校正时间间隔测量。
每个时间感知系统在每个端口测量连接到该端口的链路另一端的时间感知系统的频率与其自身时钟频率的比率。 主控频率与本地时钟频率的累积比率累积在附加到Follow_Up消息的标准组织类型，长度，值（TLV）中。 大师相对于本地时钟的频率比用于计算同步时间，并且邻居相对于本地时钟的频率比用于校正传播时间测量。
由于两个主要原因，通过累积相邻频率比来测量主时钟频率比。
首先，如果存在网络重新配置并且选择了新的主控，则不必重新测量最近邻频率，因为它们是使用Pdelay消息不断测量的。 这导致在接收到第一个Follow_Up消息时相对于新的大师的频率偏移是已知的，这减少了重新配置期间同步时间中的任何瞬态的持续时间。 这对许多高端音频应用都是有益的。
其次，没有增益峰值效应，因为一个节点处的频率偏移误差和导致的停留时间误差不直接影响下游节点处的频率偏移。

7.3.4 特级大师（最佳大师）选拔和网络建立

所有时间感知系统都参与最佳主设备选择，以便IEEE 802.1AS协议可以确定同步生成树。 该同步生成树可以与由IEEE 802.1D和IEEE 802.1Q快速生成树协议（RSTP）确定的转发生成树不同，因为由RSTP确定的生成树可能是次优的，或甚至不适合于同步。
gPTP要求gPTP域中的所有网桥和终端站都是时间感知系统，即协议不通过“普通网桥”（满足IEEE Std 802.1D-2004或IEEE Std 802.1Q-2005的要求，但不符合本标准的要求）传输定时 。 时间感知系统使用每个端口上的对等延迟机制来确定“普通网桥”是在链路的另一端还是在其自身与Pdelay响应器之间。 如果，在发送Pdelay_Req时
a) 没有收到回复，
b) 收到多个回复，或
c) 测量的传播延迟超过指定的阈值，那么
该协议得出结论，存在“普通网桥”或端到端TC（参见IEEE Std 1588-2008）。 在这种情况下，连接到端口的链接被认为不能运行gPTP，BMCA忽略它。
但是，端口继续尝试使用对等延迟机制（对于全双工IEEE 802.3链路），MPCP消息（对于EPON）或IEEE P802.11v消息（对于IEEE 802.11链路）测量传播延迟，并定期检查链接是否能够运行IEEE 802.1AS。

7.3.5 能量效率

当流量很少或没有流量时，以相对较高的速率发送PTP消息与降低能耗的目标背道而驰。 该标准规定了一种请求邻居端口降低发送Sync（和Follow_Up），对等延迟和Announce消息的速率的方法，并且还通知邻居不要计算该链路上的邻居速率比和/或传播延迟。 时间感知系统在进入低功耗模式时可以执行此操作，但此标准未指定完成此操作的条件; 它仅指定了时间感知系统所采取的操作。

7.4 时间感知系统架构

时间感知系统的模型如图7-4所示。

时间感知系统包括以下主要部分：
a) 如果时间感知系统包括使用或获取时间信息的应用程序，则它们使用第9章中指定的应用程序接口与gPTP信息接口。
b) 单个媒体无关的部分，由ClockMaster，ClockSlave和SiteSync逻辑实体，一个或多个PortSync实体和LocalClock实体组成。 BMCA和逻辑端口与ClockSlave和ClockMaster之间的时间信息转发由SiteSync实体完成，而时间同步校正所需的端口特定延迟的计算由PortSync实体完成。
c) 媒体相关端口，用于转换从媒体无关层接收或发送到的抽象“MDSyncSend”和“MDSyncReceive”结构，以及用于连接到端口的特定LAN的相应方法。
在全双工以太网端口的情况下，使用IEEE 1588 Sync和Follow_Up消息，并且当大师中发生变化时，Follow_up中的附加TLV用于速率比的通信以及相位和频率变化的信息。 使用两步IEEE 1588对等延迟机制测量路径延迟。 这在第11条中定义。
对于IEEE 802.11端口，使用MAC层管理实体传送定时信息以请求“定时测量”[如IEEE P802.11v（D15.0，2010年9月）中所定义]，其还发送将包括在内的所有内容。 全双工以太网的Follow_up消息。 定时测量结果包括确定路径延迟的所有信息。 这在第12条中定义。
对于EPON，定时信息使用第13章中定义的“慢速协议”进行通信.CSN使用与以太网全双工相同的通信系统，如附件E中所定义。

7.5 gPTP和PTP的区别

a) gPTP假设时间感知系统之间的所有通信仅使用IEEE 802 MAC PDU和寻址完成，而IEEE 1588支持各种第2层和第3-4层通信方法。
b) gPTP指定了一个独立于媒体的子层，它简化了多种不同网络技术的单个时序域内的集成，以避免它们各自具有完全不同的媒体访问协议。 时间感知系统之间交换的信息已被推广，以支持适合于特定网络技术的不同分组格式和管理方案。 另一方面，IEEE 1588仅适用于IP版本4，IP版本6，以太网LAN和若干工业自动化控制协议。
c) 在gPTP中，只有两种类型的时间感知系统：终端站和桥，而IEEE 1588具有普通时钟，边界时钟，端到端透明时钟和P2P透明时钟。 时间感知终端站对应于IEEE 1588普通时钟，时间感知桥接器是一种IEEE 1588边界时钟，其操作定义非常严格，以至于在如何执行同步方面，具有以太网端口的时间感知桥可以在数学上等效于P2P透明时钟，如11.1.3所示。 时间感知系统测量链路延迟和停留时间，并在校正字段中传达这些信息。
d) 时间感知系统仅与其他时间感知系统直接通信gPTP信息。 也就是说，gPTP域仅包含时间感知系统。 非时间感知网桥不能用于中继gPTP信息。 在IEEE 1588中，可以在IEEE 1588域中使用非IEEE-1588感知的桥接器，尽管这会减慢时序收敛并引入必须由任何IEEE 1588时钟滤波的额外抖动和漂移。
e) 对于以太网全双工链路，gPTP需要使用对等延迟机制，而IEEE 1588也允许使用端到端延迟测量。
f) 对于以太网全双工链路，gPTP需要使用两步处理（使用Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up消息来传达时间戳），而IEEE 1588允许一步处理（在运行时将发送消息的时间戳嵌入到消息中发送）。
g) 在稳态下，时间感知网络中只有一个活跃的大师。 也就是说，只有一个gPTP域，而IEEE 1588允许多个重叠的时序域。
h) gPTP域中的所有时间感知系统在逻辑上是谐振的，这意味着它们都使用相同的频率测量时间间隔。 这是通过7.3.3中描述的过程完成的，并且是强制性的。 IEEE 1588中的谐振是可选的，并且所使用的方法不是直接的并且需要更长的时间来收敛。
i) gPTP中使用的BMCA与IEEE 1588中使用的BMCA相同，但有以下例外：
1) 立即使用在从端口接收的并且不是由接收时间感知系统(本身？)发送的Anounce消息，即没有外部大师限制
2) BMCA确定应该是主端口的端口立即进入主状态，即没有预主状态
3) 不需要未校准状态，因此不使用该状态
4) 所有时间感知系统都需要参与最佳主选择(即便它不具备成为主时钟的能力)
j) 最后，该标准包括时间感知应用程序的正式接口定义。 (参见第9章)IEEE Std 1588-2008未定义应用程序如何提供或获取时间信息。