本文是AVB系列文章的第二篇，主要介绍AVB协议族中的精确时钟同步协议gPTP(IEEE Std 802.1AS-2011)（Precision Time Protocol standardized in IEEE1588-2008 (or IEC61588-Ed.2)）。

一、时间同步要解决的问题

• 不知道大家还记得军训练习齐步走的场景：
  大家整齐的站成一排，教官先喊出”齐步走“的口号，当学生听到走字后开始以同样的步伐行走（同频率同步长）
  如果大家始终这样走，那永远都会是整齐的，因为同学们都是跟着自己的感觉走的，每个人对时间的感觉不同，最终总会乱起来。
  为了防止这种情况发生，教练需要在同学们走正步的同时喊“幺二幺、幺二幺…”,让失调的同学在走的过程中动态调整。
• 时钟同步原理类似
  教官相当于主时钟，教官发出的“齐步走”相当于校时信号。
  各个学员类似于从时钟，收到校时信号指令后校准自己的时钟。
  由于从时钟的晶振受到环境因素（温度等）变化影响，随着时间流逝，各各时钟会慢慢变的不同步，所以需要主时钟周期性的发出校时信号供失调的节点动态调整时钟（相当于教练喊的幺二幺）。

由此可见，如果要整个网络中的节点保持时钟同步，该网络必须解决以下问题：

• 选取一个主时钟
• 主时钟动态发出同步信号
• 其他本地时钟根据同步信号同步自己的本地时钟。本地时钟的同步包含下面两个方面（通俗点讲就是，找到同步点，然后以同样的频率运行）：
  1. 绝对时间同步 : 要求在同一时刻，A和B的显示时间一致（A测出来是早上8点，B测出来也应该是早上8点），又称为相位同步。
  2. 相对时间同步 : 要求A和B两时钟对同一确定间隔的测量时长保持一致（A测出来是1ms那也要求B测出来也是1ms），又称为频率同步。

gPTP就是为了解决以上问题而诞生的。和其他校时协议不同的是，通过约束网络内的节点，它可以达到ns级的精度（6跳以内任意节点间最大时钟误差不超过1us），因此在车载、工业控制等对实时性要求较高的领域得到了应用。

二、gPTP的主要思想

先从下图直观感受下gPTP的校时机制，后面会逐步详细介绍：

2.1 体系结构

AVB域内的每一个节点都是一个时钟，由以下两个角色组成：

• 一个主时钟（Grandmaster Clock），它是标准时间的来源；
• 其他的都是从时钟（Slave Clock），它们必须把自己的时间和主时钟调整一致。

下图是一个简单的gPTP网络拓扑图：

它包含两种类型的节点：

• Time-aware end station：是系统内的主时钟（时间源，Grandmaster），也可是从时钟，图中标注的802.1AS endpoint就是该类设备。
• Time-aware Bridge：它可以是主时钟，也可是是个中转设备（类似传统的交换机），连接网络内的其他设备，作为中转设备，他需要连接主时钟的信息并将该信息发出去（在转发的时候需要矫正链路传输时延和驻留时间），图中标注的802.1AS bridge的就是该类设备。

从上图可以看到时钟从主时钟发出，经由各各bridge分发到所有的从节点。

2.2 主时钟选取

gPTP中主时钟既可以默认指定，也可通过BMCA(Best Master Clock Algorithm) 动态选取。 （车载或其他一些网络拓扑固定的应用场景中，一般不允许使用BMCA动态选取主时钟，而是默认指定。有需要请查阅规范文档，不详细展开）

2.3 绝对时间同步

下图包含一个主时钟一个从时钟，t1,t4为主时钟时间，t2,t3为从时钟时间：

主要校时流程如下：

1. Master先发送Sync命令，Slave在t2时刻收到该命令，但不知道该命令什么时候发出的。
2. Master发出Follow_Up命令，Slave收到该命令后知道Sync命令是在Mater的t1时刻发出的。
3. Slave在t3时刻发送Delay_Req命令，Master在t4时刻收到，并记录了下来。
4. Master发送Delay_Resp命令，Slave收到该命令后，Slave就知道了来自Master的两个时刻t1和t4，来自Slave的两个时刻t2和t3。

假设路径传输延时是对称的，即去程的传输延时和回程的传输延时相等，可以用小学二年级的知识，根据已知条件求取主从之间的传输延时与时间偏差(设从时钟超前主时钟clock_offset, 主从传输延时为path_delay)

t2 - t1 = clock_offset + path_delay
t4 - t3 = -clock_offset + path_delay

由此可以算出：

 path_delay = (t4 – t3 + t2 – t1) / 2 
 clock_offset = (t3 – t4 + t2 – t1) / 2

现在从时钟知道了自己与主时钟的时差clock_offset，就可以调整自己的时间了。另外，从时钟还知道自己与主时钟的路径传输延时path_delay，该值对于switch意义重大，因为在gPTP的P2P校时方式中，switch需要转发主时钟的校时信号，在转发的时候需要将该值放在补偿信息中。

从上面流程可见，传输延时path_delay的精度/稳定新会影响校时精度，从而传输延时又可以划分为：各链路传输时间总和，中间节点转发导致的驻留时间（缓存时间）。

2.4 相对时间同步

相对时间就是指主时钟和从时钟的晶振频率要一致，可以通过以下方法估算晶振频率变化动态调整。如下图所示：分别在t1和tn时刻对主时钟进行采样，分别记录为t1_master, t1_slave, tn_master, tn_slave, 可得：

retio = (tn_slave – t1_slave) / (tn_master – t1_master)

如果retio等于1，表明同步了，如果大于1，表示从时钟频率快了，否则巴拉巴拉。从时钟可以根据该值调整自己的频率。

三、影响校时精度的因素

其实不同的校时协议原理都大同小异，为什么gPTP可以达到ns级的精度？我们呢不妨看一下影响校时的因素以及gPTP的对策。

3.1 传输时延不对称

前面2.3小结提到，假设传输延时是对称的，即保存从A传到B与从B传到A的时间相同，实际情况中，路径有可能是不对称的。这就会导致校时误差。

gPTP对策：

• 要求网络内的节点都是时间敏感的
• 传输延时分段测量（P2P方式）减少平均误差
• 中间转发节点可以计算报文的驻留时间，保证校时信号传输时间的准确性
• 如果已知链路不对称，可以将该值写在配置文件中，对于endpoint，在校时的时候会把该偏差考虑进去；对于bridge设备，在转发的时候，会在PTP报文的矫正域中（correctionField）把对应的差值补偿过来。

3.2 驻留时间

对于Bridge设备，从接收报文到转发报文所消耗的时间（中间可能经过缓存），称为驻留时间，该值有一定随机性。从而影响校时精度。
gPTP对策：Bridge设备必须具有测量驻留时间的能力，在转发报文的时候，需要将驻留时间累加在PTP报文的矫正域中（correctionField）。

3.3 时间戳采样点

前面提到的t1、t2、t3、t4等采样时刻的值，应该在哪里产生呢？
常规做法是在应用层采样，如下图蓝色传输线路所示：在发送端，报文在应用层（PTP校时应用）产生后，需经过协议栈缓冲，然后才发送到网络上；在接收端，报文要经过协议栈缓冲，才能到达接受者（PTP校时应用）。这样存在下面两个问题，而这会影响时间同步的精度：

• 协议栈缓冲带来的延时是不固定的
• 操作系统调度导致的随机延时
  
  为了达到高精度的时间同步，必须消除软件带来的不确定因素，这就要求必须把时间采集点放在最靠近传输介质的地方。
• 从上图可以看到，比较合适的采集点就是MAC层：在发送方，当报文离开MAC层进入PHY层的时候记录当前时刻；在接收方，当报文离开PHY层刚到达MAC层的时候记录当前时刻。这样可以消除协议栈带来的不确定性。
• MAC时间戳可以通过软件的方式打，也可以通过硬件的方式打，硬件方式会更精确（可以消除系统调度带来的不确定性）。gPTP中要求使用硬件方式，也就是常说的硬件时间戳。

3.4 时钟频率

晶振频率越高，误差越小，校时越精确。
gPTP要求晶振频率不小于25MHz，误差不大于100PPM(每天8.64s误差）。
gPTP的要求并不算高，主要是考虑到成本因素，要求太高不利于推广。

3.5 传输路径延时测量方式

IEEE 1588支持两种路径延时测量方式：End-to-End（E2E) 和 Peer-to-Peer（P2P)，二者不能在同一个网络中共存。

在End-to-End机制中，强调的是两个支持PTP的端点（一个master port，一个slave port）之间的延时，这两个端点可能是直接相连的，也可能中间穿插了普通的交换机、时间敏感的透明时钟（TC），在通信双方看来，信息都是在master port 和slave port之间传输，所以最终slave测量到的传输延时是从master到slave的端到端延时。

在Peer-to-Peer机制中，要求网络内所有节点必须支持P2P，所以它强调的是相邻相邻节点间的通信，最终测量的是相邻节点间的传输延时。二者主要区别如下图所示：

• P2P测量的是相邻节点间的延时，路径测量报文不会跨节点传输，有利于网络扩展；E2E测量的是master port和slave port之间的，中间节点（如TC、普通switch）需要转发延时测量报文，网络规模较大时，报文可能泛滥，master节点压力较大。
• master节点变更时，E2E需要重新测量到新master节点的路径延时，P2P只需关心相邻节点。
• E2E方式允许网络中有普通的switch（透传PTP报文即可，由于驻留时间随机，会影响测量精度），而P2P要求网络中的switch必须全部支持P2P。
• E2E机制中，校时报文和路径测量报文是耦合在一起的（第二章第3部分描述的就是典型的End-to-End的流程，它使用Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp四个消息，同时计算时钟偏差和路径测量）；P2P机制中有独立的报文负责路径测量，把校时和路径测量解耦了。

gPTP要求使用PTP方式，并且要求网络中所有设备都支持PTP协议，路径传输延时测量只在相邻节点之间进行，他使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up消息来测量路径传输延时。（注意Peer-to-Peer中没有使用Sync报文，而是专门为路径测量新建了几个报文，降低了复杂度。）
具体流程如下：

1. 节点A在t1时刻发送路径测量请求命令Pdelay_Req，并记录下时刻t1
2. 节点B在t2时刻收到Pdelay_Req
3. 节点B将t2放在报文Pdelay_Resp中，并在t3时刻将该报文发给节点A
4. 节点B将t3放在报文Pdelay_Resp_Follow_Up中发给节点A
5. 节点A在t4时刻收到Pdelay_Resp_Follow_Up。至此，节点A拥有t1、t2、t3、t4四个参数，平均路径传输延时可以通过下面的公式计算出来：

 path_delay = (t4 – t3 + t2 – t1) / 2 

在Peer-to-Peer机制中，不仅节点A会主动发起测量请求，节点B也会主动发起测量请求，也就是说，每个节点都知道和自己紧挨着的节点的传输延时（Peer-to-Peer的名字也是这样来的）。不过有的场景下（比如固定主时钟的情况），可能会禁止master port进行路径测量。

3.6 时钟类型

PTP时钟可以分为两类：One-Step Clock和Two-Step Clock。
还记得2.2小节中Follow_Up消息的作用吗？ 它只是为了把t1的值传给slave节点。这种时钟就是Two-Step Clock， 它的事件报文(Sync等）中不携带时间信息，需要用另外一条普通报文传输时间信息（用来描述上一条事件报文是在什么时候发送的）。

如果t1能在Sync报文本身中传递给slave节点，就节省了一条报文

理论上来讲，同一个网络内可以存在两种类型的时钟，并且时钟类型不会影响校时精度。
gPTP要求使用Two-step时钟，因为这种机制对硬件要求较低，方便后续扩展，以及在现有的网络中普及。

四、gPTP校时过程

4.1 绝对时钟同步

以下图为例介绍gPTP时间同步过程，为了表述方便，这里做两点假设：

• 假设下面的三个设备都是One-Step的Clock，即Sync报文发出后，不需要额外的Follow_Up报文告知Sync报文是在哪个时刻发送的。（实际802.1AS要求时钟必须是Two-Step的）
• 假设各设备已通过前面介绍的Peer-to-Peer机制测量出路径传输延时path_delay1、path_delay2
  
  校时流程如下：

1. Grandmaster时钟在t1时刻发送时间同步报文Sync到Bridge，报文Sync的originTimestamp中填充时间信息t1，矫正域correction填充ns的小数部分（Sync报文的时间戳部分只能表示秒和纳秒，不足1纳秒的只能放在矫正域）。
2. Bridge收到Sync报文后，不仅要矫正自己的时钟，还要把Sync报文转发出去。
3. Bridge根据Sync报文调整自己的时钟：
   Bridge在t2时刻收到Sync报文，并从中解析出Grandmaster是在t1时刻发送的，以及Grandmaster填充的校正值correction。在t2时刻，Grandmaster的时钟显示的值应该是：

t1 + correction + path_delay1

由此可以计算出Bridged的时钟偏差，并调整自己的时钟：

clock_offset = t1 + correction + path_delay1 - t2

4. Bridge转发Sync报文：
   如下图所示，收到Sync报文后，Bridge将自己与上级节点的路径延时（path_delay1）和Sync报文在自己这里的驻留时间（rEsidence_time）累加到Sync报文的矫正域，并转发出去。此时矫正域correction值如下：

correction = old_value_of_correction + path_delay1 + residence_time 

注意：Bridge不修改Sync报文的originTimestamp字段（该字段为Grandmaster发出Sync报文的时间）。

5. End-Point在t4时刻收到Sync报文，并从中解析出Grandmaster是在t1时刻发送该报文的，以及Bridge矫正后的correction。在t4时刻，Grandmaster的时钟显示的值应该是：

t1 + correction + path_delay2

由此可以计算出End-Point和Grandmaster的时钟偏差，并调整自己的时钟：

clock_offset = t1 + correction + path_delay2 – t4 

由上面的校时流程可以看出，整个校时过程像水面的波纹一样从Grandmaster开始向外一层层的扩散，每个节点只关注自己和上级节点的传输延时，Bridge负责将中间路径的传输延时和缓存时间逐段累加到矫正域。

4.2 相对时钟同步

如下图所示，主时钟在时刻master_t1发出校时信号Sync_1，从时钟接收到该信号的时候，记录两个值：

• slave_t1：接收到Sync_1信号时，slave本地时钟的值，这个值是当前时刻在slave时间坐标系下的采样
• slave_t1’：接收到Sync_1信号时master时间坐标系的值，该值可以用下面的公式算出：

master_t1 + 传输时延 + 矫正域

其中，master_t1和矫正域的值在Sync报文中携带，传输延时可以通过前面的方法测量。

根据前面介绍的相对时钟同步原理，可以通过下面的公式判断自己的频率和主时钟是否保持一致：

ratio = (slave_tn – slave_t1) / (slave_tn’ – slave_t1’)

理想情况下，ratio的值应该是1，如果大于1，说明从时钟走的快了，如果小于1，说明走的慢了。从时钟可以根据该值调整自己的频率。

五、参考资料

1、gPTP简介