美國國家半導(dǎo)體的DP83640精密PHYTER?實(shí)現(xiàn)了IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）的時(shí)鐘關(guān)鍵部分，允許高精度 IEEE 1588節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用包含IEEE1588功能器件、邊 界時(shí)鐘和透明時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，利用非常簡單的時(shí)鐘伺服算法來確定速率調(diào)整和時(shí)間校正，可以獲得非常高的精度。不需 要復(fù)雜處理，只需要對協(xié)議測量進(jìn)行簡單平均或?yàn)V波即可。 當(dāng)網(wǎng)路由不具有IEEE 1588能力的器件構(gòu)成時(shí)，包延時(shí)偏差 （PDV）就很重要。簡單時(shí)鐘伺服不會提供很高精度的同 步。

本文描述了一種同步方法，它可以為較大PDV系統(tǒng)帶 來更高的同步精度。這里描述的方法試圖檢測最小延時(shí)，或 “幸運(yùn)包”。這個(gè)方法還利用了DP83640時(shí)鐘控制機(jī)理來獨(dú) 立控制時(shí)鐘速率和時(shí)間校正，從而將時(shí)鐘時(shí)間精度內(nèi)的過沖 和擺動降低到最小。

2.0 背景

IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議給從機(jī)提供了基本信息，用以確 定相對于最高級主時(shí)鐘的頻率以及時(shí)間偏差。基本算法包括使用各自的同步和延時(shí)請求消息來測量主機(jī)到從機(jī)之間和從 機(jī)到主機(jī)的路徑延時(shí)。 圖1顯示了最基本的IEEE 1588的時(shí)序圖。



主機(jī)到從機(jī)和從機(jī)到主機(jī)的延時(shí)為：

MSdelay = t2 - t1

SMdelay = t4 –t3

單向延時(shí)或稱為平均路徑延時(shí)正是這兩個(gè)延時(shí)的平均值

MeanPathDelay = (MSdelay + SMdelay)/2

理想情況下，時(shí)間偏移為：

offset_from_master = MSdelay – meanPathDelay

在包含支持IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)元件（橋、開關(guān)、路由器）的網(wǎng)絡(luò)中，包延時(shí)偏差基本上可以忽略。在邊界時(shí)鐘器件中，同步時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)元件上得以保持，它與上游主機(jī)同步時(shí)間和速率，并充當(dāng)下游器件的主機(jī)。在透明時(shí)鐘器件中，因?yàn)镻TP報(bào)文要經(jīng)過這個(gè)器件，所以通過測量其停留時(shí)間來校正包延時(shí)偏差。



在無1588能力的網(wǎng)絡(luò)中不做補(bǔ)償，導(dǎo)致包延時(shí)變量大概 是幾十或幾百微妙的數(shù)量級。這些延時(shí)變得非常明顯，使得 單一測量極度不正確。

在使用只有簡單平均和濾波的基本算法的單開關(guān)條件 下，得到了圖2在80%流量條件下的MTIE（最大時(shí)間間隔誤差）測試波形。很容易看到，這種方法提供了相對較差的同 步，其誤差達(dá)到100ms之大。

2.1 建議算法

在無1588能力元件的網(wǎng)絡(luò)中，包延時(shí)可能在每個(gè)器件 的最小物理延時(shí)和通過每個(gè)器件的最大延時(shí)總和的范圍內(nèi)變化。實(shí)踐中，每個(gè)設(shè)備經(jīng)常會有最小傳輸延時(shí)，因此主機(jī)到 從機(jī)產(chǎn)生最小的總包延時(shí)。基本操作是嘗試檢測最小延時(shí)，或者“幸運(yùn)延時(shí)”，利用這些包的結(jié)果進(jìn)行速率和時(shí)間校 正。算法基本上可分為三級：平均路徑延時(shí)測量、速率校正 和時(shí)間校正。

2.1.1 平均路徑延時(shí)測量

在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中，最小路徑延時(shí)是相對恒定的值。再 次配置網(wǎng)絡(luò)能夠引起步長變化，但是這種配置并不是經(jīng)常性的。因此有可能采用長期跟蹤最小環(huán)回延時(shí)（即全部的同步 延時(shí)請求計(jì)算）的方式來檢測最小平均路徑。這種方法保持最后N個(gè)平均路徑延時(shí)測量記錄，并從中找到最小值：

Min_meanPathDelay(n) = min(meanPathDelay[n+1-N:n]

其中，Min_meanPathDelay(n)為第n次測量記錄中保留的N個(gè)數(shù)據(jù)中的最小值。

進(jìn)行速率校正和時(shí)間校正時(shí)確定最小平均路徑是關(guān)鍵。

2.1.2 速率校正

速率校正通過測量跟隨的同步周期并測量每個(gè)消息從 主機(jī)開始與到達(dá)從機(jī)之間的差異進(jìn)行。這給出了從機(jī)頻率相對于主機(jī)頻率的一個(gè)基本比值并可以用來校正頻率差。因?yàn)?包延時(shí)偏差可能很明顯，這可能使任何單一的速率測量有很 大的不精確性。

例如，如果同步周期每秒8個(gè)同步，誤差在 125ms內(nèi)可能是100us或者接近1000ppm。如果算法是平均所有速率測量，也許需要成百上千秒來測量速率以得到合理 的估算。使用低廉的振蕩器時(shí)會發(fā)生短期頻率變化，平均時(shí)間較長會導(dǎo)致不能對這種頻率變化進(jìn)行控制。 可替代的方法是，建議的算法利用平均路徑延時(shí)測量來檢測短時(shí)等待包時(shí)，只使用這些包檢測對主機(jī)的頻率偏移。

如果包滿足一個(gè)好的最小環(huán)回延時(shí)要求，通過比較上一個(gè) “好包”時(shí)間來測量速率。*估“好包”時(shí)，需要在質(zhì)量和數(shù)量上進(jìn)行權(quán)衡。如果質(zhì)量過于嚴(yán)格，就可能無法獲得足夠 的信息來跟蹤頻率變化。但如果不夠嚴(yán)格，速率計(jì)算結(jié)果中 可能包含過量的偏差。

圖3表明用于決定速率的同步消息之間的最基本的關(guān)系。



從這個(gè)圖中，速率比值為

rate_ratio(n) = (T2(n) – T2) / (T1(n) –T1)

另外，為準(zhǔn)備另一個(gè)測量，需要設(shè)置：

T1=T1(n)，T2=T2(n)

由于測量中存在誤差，仍然需要一些平均或?yàn)V波測量。

為了簡化，使用指數(shù)移動平均或平滑函數(shù)來跟蹤速率。這個(gè)等式為：

rate_avg(n) = Rate_avg(n-1)

+α(rate_ratio(n) – rate_avg(n-1))

α的典型值通常設(shè)為0.1，但是在某些諸如提高或降低速率的延長周期場合，這個(gè)值可能會有所增加。

2.1.3 時(shí)間校正

確定時(shí)間偏移的典型方法是使用同步消息來確定對主機(jī) 的偏差。常使用平均或?yàn)V波的方式來平滑連接，并避免每次測量的過量校正。對于時(shí)間校正來說，利用兩個(gè)不同的機(jī)制 來檢測和校正時(shí)間偏差。

第一個(gè)機(jī)制的基本想法是尋找最小延時(shí)。基本算法是在 最近的延時(shí)中檢測最小的主機(jī)到從機(jī)的延時(shí)。為防止過量校正，也對時(shí)間校正進(jìn)行了限制。這種算法依賴于大量的同步 消息，比IEEE－1588網(wǎng)絡(luò)本身需要的同步報(bào)文更多。另外，在延時(shí)請求測量之后，算法可能使用主機(jī)到從機(jī)延時(shí)或從機(jī) 到主機(jī)延時(shí)中產(chǎn)生更小偏差的一個(gè)延時(shí)。在一個(gè)方向的流量變得擁堵的情況下，另一個(gè)方向可以提供更精確的時(shí)間偏差 的測量。這個(gè)方法基于它擁有的最好信息而在每個(gè)周期都進(jìn)行校正。如果沒有收到真實(shí)的最小延時(shí)消息報(bào)文，這將導(dǎo)致 不適當(dāng)?shù)男ＵＴ蚴撬惴ú荒艽_定測量誤差是由時(shí)間偏差 還是由包延時(shí)偏差引起的。

第二個(gè)時(shí)間校正機(jī)制是嘗試只使用延時(shí)來進(jìn)行校正，前 提是這些延時(shí)已經(jīng)確定為真實(shí)最小延時(shí)包。它有助于避免對時(shí)間值的無效校正。這個(gè)機(jī)制的基本想法是使用同步和延時(shí) 請求來進(jìn)行時(shí)間校正。對于同步消息，如果主機(jī)到從機(jī)延時(shí)小于最小平均路徑延時(shí)，測量結(jié)果就顯示至少有一個(gè)主機(jī)到 從機(jī)延時(shí)減去最小平均路徑延時(shí)的時(shí)間偏差。這種情況下，時(shí)間校正是基于偏差測量進(jìn)行的。如果主機(jī)到從機(jī)的延時(shí)高 于最小平均路徑延時(shí)，無法知道誤差是由時(shí)間偏差引起的還是包延時(shí)偏差引起的，所以不會做校正。對于延時(shí)請求消息 也相似，如果從機(jī)到主機(jī)的延時(shí)小于最小平均路徑延時(shí)，測量結(jié)果就顯示有至少為平均路徑延時(shí)減去從機(jī)到主機(jī)延時(shí)的 時(shí)間偏差發(fā)生。注意，這里檢測到的時(shí)間偏差是正的，而主機(jī)到從機(jī)延時(shí)測量中的結(jié)果是負(fù)的。

兩個(gè)方法都是通過調(diào)節(jié)一段時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議的時(shí) 鐘速率來進(jìn)行時(shí)間校正。為了避免速率的大波動，每一個(gè)校正都限制幅值。這將有助于降低由于時(shí)間偏移的快速校正而 引起的時(shí)間間隔誤差。在第二個(gè)機(jī)理中通過保持時(shí)間誤差值進(jìn)行處理。當(dāng)因接收到的同步或延時(shí)請求引起的新誤差計(jì)算 出來時(shí)，如果這個(gè)新誤差代表了一個(gè)更大的偏差，時(shí)間誤差就更新為新值。否則，時(shí)間誤差保持不變。基于時(shí)間誤差， 只能進(jìn)行有限的校正并從時(shí)間誤差中去除。因此，在完成校正之前，偏移測量可能進(jìn)行多次校正。



第二個(gè)機(jī)理很少有無效的校正，但是呈現(xiàn)出更長的無校 正周期；基于速率校正誤差，很可能會出現(xiàn)漂移。盡管第二個(gè)機(jī)理在重流量和多開關(guān)的條件下顯得更好，但兩者的總體 結(jié)果相似。由于第二個(gè)機(jī)理產(chǎn)生更好的結(jié)果，結(jié)論部分詳述 這些結(jié)果。