时间同步——TSN协议802.1AS介绍

前言

之前的主题TSN的发展历史和协议族现状介绍了TSN技术的缘起，最近一期的主题TSN协议导读从定时与同步、延时、可靠性、资源管理四个方面，帮助大家了解TSN协议族包含哪些子协议，以及这些子协议的作用及功能。相信大家对TSN技术已经有了整体的概念。

时间同步作为诸多TSN协议的基础，无疑是十分重要的。今天就带大家深入了解TSN协议族中802.1AS是如何实现时间同步的。

协议基本介绍

802.1AS通用精确时间协议（Generalized Precision Time Protocol），将为汽车、工业自动化控制等领域实现精确时间的测量。本章将从基本概念、测量方式入手，再介绍时间同步过程，最后介绍802.1AS的新特性及汽车领域profile。

1. 802.1AS概念

1）基本构成
在802.1AS中，时间同步是按照“域”（domain）划分的，包含多个PTP节点。在这些PTP节点中，有且仅有一个全局主节点（GrandMaster PTP Instance），其负责提供时钟信息给所有其他从节点。

PTP节点又分为两类：PTP End Instance（PTP端节点）和PTP Relay Instance（PTP交换节点）。其中：

• PTP End Instance或者作为GrandMaster，或者接收来自GrandMaster的时间同步信息；
• PTP Relay Instance从某一接口接收时间同步信息，修正时间同步信息后，转发到其他接口。

2）GrandMaster的选取
GrandMaster的选取除了手动设置以外，可以通过比较每个PTP节点的属性，自动选出GrandMaster，这一策略就是BMCA（Best Master Clock Algorithm）。

在BMCA建立的过程中，首先各个PTP节点将自身时钟属性（比如时钟源）、接口信息放入Announce报文中，并发送给gPTP域内所有节点，之后PTP节点比较自身与接收到的时钟属性，优先级高的PTP节点自动成为GrandMaster。

3）报文类型
802.1AS包括两种类型（Message class）General message和Event message，二者的区别在于，发送或接收Event message时，相应的时间戳会被记录，而General message则不会。General message包括Announce、Signaling、Follow_Up、Pdelay_Resp_Follow_Up，Event message包括Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp。

Announce报文包含时钟相关信息，并且传输中，会记录途径的各PTP节点的Id添加到path trace TLV中；Signaling报文包含该PTP节点支持的信息，比如是否支持“一步法”、允许的Announce Interval等；Sync报文由GrandMaster发送，包含主时钟信息，其他节点计算本地时钟与主时钟的差值，实现同步；Follow_Up以及Pdelay_Resp_Follow_Up则是“两步法”中提供补充时间戳的报文，前者与Sync连用，后者与Pdelay_Resp连用；最后Pdelay_Req与Pdelay_Resp一起构成P2P测量机制的基础，将在后续章节中详细讲解。

2. 802.1AS测量过程

为了实现从节点本地时钟与GrandMaster时钟同步，需要考虑三个因素：

• 时钟频率误差
• 链路延迟
• 驻留时间

时钟频率误差是指PTP从节点的本地时钟频率与GrandMaster的主时钟频率很有可能是不同的，而且各PTP从节点之间也存在误差，这就造成时间测量基准不同，从而引入误差。

链路延迟（MeanLinkDelay）是指两两PTP节点之间通信的链路，在单方向上传播所需要的时间，也称为链路平均传播时间（Mean Propagation Delay）。

驻留时间（residence time）是指PTP Relay Instance将接收到的报文转发出去所用的时间，也就是报文停留在Relay中的时间。

1） 时钟频率误差测量
802.1AS为了消除这种误差，采用累积计算相邻节点时钟频率的比值（NeighborRateRatio）的方式，实现将本地时基（Local Clock Timebase）换算成（GrandMaster Timebase）。

举例来说，GrandMaster的时钟频率为1MHz，而与之相邻的PTP从节点（A）时钟频率有偏差为1.3MHz，对于A节点来说NeighborRateRatio等于1.3。当A节点本地时钟度过2.6s时，使用NeighborRateRatio换算为GrandMaster时基，则得到主时钟度过2s。对于与A相邻的B节点，假设其时钟频率为0.9MHz，经过累积的NeighborRateRatio等于0.9（1.3/1.0*0.9/1.3），当B节点本地时钟度过3s时，主时钟度过2.7s。

2） 链路延迟测量
802.1AS中测量链路延迟采用P2P测量机制（Peer-to-Peer delay Mechanism），假设链路往返延迟一致（链路具有对称性），通过测定四个精确时间戳，计算得出一段链路上的链路延迟（MeanLinkDelay）。

• 对于一段链路，存在两个PTP节点，其中Peer delay initiator（发起者）会主动发出Pdelay_Req报文，接收Pdelay_Req报文的节点称为Peer delay responder（响应者）
• 在initiator端会记录Pdelay_Req报文实际的发出时间戳t1，在responder端会记录报文实际的接收时间戳t2
• responder在接收到Pdelay_Req后会回复Pdelay_Resp报文给initiator，这个报文会包含t2这一信息
• 在responder端会记录Pdelay_Resp发送时间戳t3，在initiator端会记录接收时间戳t4
• responder端会在Pdelay_Resp之后在发送一个Pdelay_Resp_Follow_Up报文给initiator，以包含信息t3
• 至此，在initiator端有t1、t2、t3、t4四个精确时间戳，通过计算t2-t1和t4-t3就能得到这一链路两个方向（i->r、r->i）传播的用时（tir、tri），再对其求均值，就能得到这一链路延迟（MeanLinkDelay）；
• 对于进行P2P测量的双方节点会交替作为initiator，从而都能获得该链路延迟（MeanLinkDelay）。

使用P2P测量机制，就能得到gPTP域中每一段链路延迟，在实际进行同步过程中，PTP Relay Instance会将从GrandMaster开始的链路延迟累积记录在Follow_Up报文中的correctionField中，再转发出去；同时，对非对称误差的修正（通过测定后，手动设置参数修正），也放在correctionField中。

3） 驻留时间测量
驻留时间由PTP Relay Instance引入，指的是报文停留在Relay中的时间。想要消除其带来的影响相对简单，就是在转发出的Follow_Up报文中的correctionField中记录这一驻留时间，其他PTP节点收到该报文，就能计算得出正确的时间偏移。

3. 时间同步实现过程

802.1AS中通过手动配置或者BMCA确立GrandMaster后，GrandMaster周期发送Sync和Follow_Up报文提供主时钟基准；在实现节点同步之前，各个PTP节点通过Signaling报文协商计算NeighborRateRatio的间隔、计算MeanLinkDelay的间隔等信息；最后，各PTP从节点利用已有的NeighborRateRatio、MeanLinkDelay以及接受到的Sync及Follow_Up报文，利用Follow_Up报文中的correctionField信息修正后，就能得出主时钟现在的时刻，从而完成时间同步。

4. 2020版新特性
在新版的802.1AS-2020中，添加了几个重要的新特性，如：多域冗余、支持“一步法”等。下面就来简单了解一下这些特性。

1） 多域冗余

这张图很好地展现了多域冗余特性，主要分为两种方式：

• 同一GM（全局主节点）划分多个域，对每个域生成同步树（即同步路径）实现冗余
• 多个GM，每个GM维护一个域生成同步树，多个GM有主次之分，次要GM跟主要GM同步，这种方式也称为hot-standby

在图中，左上角的end station作为主要GM，它划分两个域，为每个域生成一个同步树（即同步路径，分别为蓝色和淡蓝色），右下角的end station作为次要GM跟主要GM同步，此外也划分两个域，为每个域生成同步树（红色和浅红色），这样一共有四个域、四个同步树，确保了冗余。

2） “一步法”
所谓“一步法”（也称为“on-the-fly”）是指在发送报文的同时，将在接近物理层的发送时间戳添加到报文中直接发送出去，这样将所需要的信息放在一帧报文中，更加高效，但是需要额外的硬件支持。对于接收节点，同样需要对“一步法”报文解析的能力。

“两步法”Sync报文

“一步法”Sync报文

与之相对的是“两步法”，这种方法仅在Sync或Pdelay_Resp报文发送时记录发送时间戳，再把这一信息封装在Follow_Up或Pdelay_Resp_Follow_Up报文中发送，从而在不需要额外的硬件支持下获得精确的时间戳。

5. 汽车领域profile

802.1AS能为汽车领域、工业自动化控制等领域实现精确时间的测量。而针对汽车领域的profile目前还未正式发布，这一内容将在802.1dg中体现，届时，我们将带来对其的深入解读。

结语

以上就是本次对802.1AS协议介绍的全部内容了，后续会带来更多TSN协议的解读，敬请期待。

北汇信息作为早期探索TSN领域的专业团队，能够针对AVB/TSN网络架构提供解决方案，包括应用场景设计、需求规范开发、通信系统设计以及演示验证系统开发；针对AVB/TSN网络提供系统级测试解决方案，包括系统测试规范开发、系统测试执行与演示；针对AVB/TSN节点提供协议族。

最后，北汇信息还提供AVB/TSN 网络课程，课程介绍了汽车网络架构的发展带来了各种各样的挑战和问题，如何从通讯角度来应对这些挑战，以及当前TSN协议的发展现状；对TSN各个协议标准进行了剖析，以期听众可以了解TSN各个协议的运作机理，为其配置和使用TSN网络提供基础。