IEEE 1588協議應用的網絡影響分析

劉繼光 張彬彬 李乃振

（中國人民解放軍92493部隊 遼寧 葫蘆島 125001）

IEEE 1588協議應用的網絡影響分析

劉繼光 張彬彬 李乃振

（中國人民解放軍92493部隊 遼寧 葫蘆島 125001）

IEEE1588協議作為新一代時間同步技術，采用IP網絡作為時鐘信息傳輸路徑，通過2個時鐘之間延時測量，計算并修正時間偏差，因而協議應用與網絡環境密切相關。從介紹協議基本原理出發，分析了網絡影響修正時間偏差的主要機理。之后重點分析了網絡拓撲對時間同步鏈路時延的一致性影響，網絡設備對時間同步鏈路時延計算準確性的影響程度，以及網絡運行情況對時間同步鏈路時延穩定性的影響。

精度時間協議 時間同步 網絡

1 引言

為了解決以太網環境下測量和控制應用的分布式定時同步需要，在IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所（NIST）支持下，網絡精密時鐘同步委員會起草了IEEE 1588協議并獲批準。IEEE 1588協議全稱為“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，也簡稱PTP（Precision Timing Protocol）協議，經過不斷發展完善協議目前已發展到V2版本[1]。隨著PTN和OTN等為代表的網絡技術與傳輸技術不斷融合，以太網已經逐漸從局域組網發展成廣域組網的重要手段，這使得IEEE 1588協議應用范圍不斷地擴大[2]。與已有的時間同步技術如NTP等相比，IEEE 1588協議具有配置容易、快速收斂、精度高以及對網絡帶寬和資源消耗少等特點，但IEEE 1588協議作為一種特殊的網絡協議，其應用效果與網絡環境密切相關，不同網絡條件下協議實現的時間同步精度差異較大。

2 IEEE 1588協議基本原理

IEEE 1588協議核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼，周期性的時鐘發布，利用網絡鏈路的對稱性和延

時測量技術，實現主從時鐘的頻率、相位和絕對時間的同步。IEEE 1588協議實現的基本原理是通過一個同步信號，周期性的對網絡中所有節點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網的分布式系統達到精確同步。這個同步信號以網絡報文的方式傳播，既可以是組播方式，也可以是單播方式[3]。IEEE 1588協議實現時間同步的基本過程如圖1所示。

圖1 IEEE 1588協議時間同步過程示意圖

從時鐘設備通過與主時鐘設備之間交互過程，計算出于與主時鐘設備的偏差及線路延遲，從而完成時間同步：

①主時鐘設備發送IEEE 1588協議的Sync消息給從時鐘設備，Sync消息包含該消息離開本節點的估算時間。同時Sync消息作為一個事件，通知發送消息的網絡端口（支持IEEE 1588協議）根據事件發生時本地時鐘計數器值，產生一個時間戳T1，作為消息離開主時鐘設備的精確時間；

②主時鐘設備發送IEEE 1588協議的Follow_Up消息給從時鐘設備，Follow_Up消息包含了前一個Sync消息離開主時鐘設備時的精確時間T1；

③從時鐘設備收到Sync消息后，記錄下Sync消息到達網絡端口（支持IEEE 1588協議）的時間戳T2；之后，從時鐘設備收到Follow_Up消息之后記下Sync消息離開主時鐘設備時的精確時間T1；

④收到Sync消息后，從時鐘設備發送IEEE 1588協議的Delay_Req消息給主時鐘設備，Delay_Req消息同樣作為事件通知發送消息網絡端口的產生一個消息離開的時間戳T3，從時鐘設備記錄下T3；

⑤主時鐘設備收到Delay_Req消息，記錄下Delay_Req消息到達網絡端口端口的時間戳T4，并通過Delay_Resp消息把T4發給從時鐘設備。此時，從時鐘設備掌握了Delay_Req消息的發送時刻T3和接收時刻T4，及Sync消息的發送與接收時間。經過上述時間戳消息應答過程之后，可得到如下的計算公式

主從之間時間差A=Offset＋MS_Delay=T2－T1；

從主之間時間差B=SM_Delay－Offset=T4－T3。

式中，Offset表示從時鐘設備與主時鐘設備之間的時間偏差；MS_Delay表示主-從之間鏈路時延；SM_Delay則表示從-主之間鏈路時延。如果IEEE 1588協議運行在對稱網絡，則可認為MS_Delay與SM_Delay相等，那么從時鐘設備可以得出：

Offset=（A－B）/2

MS_Delay=SM_Delay=（A＋B）/2

通過不斷與主時鐘設備之間進行IEEE 1588協議消息交互，從時鐘設備端可以根據計算出的Offset修正本地時間值，從而使本地時間與主時鐘設備時間同步，因此主從時鐘之間同步精度取決于二者之間時間偏差Offset計算精度。在原理上，Offset計算精度同MS_Delay和SM_Delay兩個鏈路時延，以及T1等4個時間戳相關。

3 網絡因素應用影響分析

在原理上IEEE 1588協議始于以太網應用，協議明確了達到最佳的時鐘同步性能的網絡假設：包括子網內主從時鐘的延遲恒定、子網內主從時鐘之間的網絡延遲是對稱的及網絡必須支持組播等。為實現亞微秒級時間同步，IEEE 1588協議采用了在端口上硬件打時間戳，提高時鐘晶振的固有穩定性等方法，保證了主、從時鐘設備時間戳信息的高精度。但當IEEE 1588協議應用于更大規模的網絡，由于IP技術的存儲轉發機制，網絡應用環境的差異使得2個時延值的實際情況出現更多的不確定性，從而對主、從時鐘設備之間的時間同步效果帶來直接影響。

3.1 一致性影響

主從之間鏈路時延和從主之間鏈路時延之間具有很好的一致性是IEEE 1588協議應用的理想條件，可以較好保證主、從時鐘設備之間時間同步。但在大型網絡環境中，為實現資源有效利用和路由冗余備份，網絡拓撲結構往往比較復雜，容易造成IEEE 1588協議消息傳遞路徑的多樣化。在網狀結構情況下，不合理的路由策略配置，可能導致主時鐘設備發送到從時鐘設備消息與從時鐘設備返回到主時鐘設備消息經過不同的路徑，而不同路徑由于傳輸介質（如光纖傳輸和衛星通信等）、網絡設備類型和數量（如交換機和路由器）等物理原因造成往返時延值的差異。

在網絡因素中，對2個時延值一致性影響較大的網絡拓撲結構（包括其中路由策略等）。網絡拓撲結構主要影響在于：①能否抑制IEEE 1588協議消息循環轉發，即在同一路由路

徑內，使用生成樹等協議，避免在每條路徑內循環轉發協議消息；在不同路由路徑之間，要避免協議消息的循環轉發；②能否最大限度地降低消息傳輸路徑的不對稱性，即主從之間和從主之間的鏈路差異。從拓撲結構本身來著看，以一點為中心的星型或樹型結構，主時鐘設備一般部署于網絡中心，主、從時鐘設備之間僅有單條消息傳遞路徑，可以最好的抑制消息循環轉發，比較有利于IEEE 1588協議的應用；而網狀結構，主、從時鐘設備之間存在多條消息傳遞路徑，必須要要根據時間精度的要求，合理的設計網絡結構、規劃網絡路由來最小化傳遞路徑不對稱造成的影響。

3.2 準確性影響

為確保時間同步精度，IEEE 1588協議應用的理想條件是時間信息傳輸路徑全程支持該協議，也就是協議消息在主時鐘設備與從時鐘設備交互過程中，經過的所有端口（高速以太網接口）都必須支持該協議的報文解析和硬件打時間戳等功能[4,5]，使得時間信息在傳遞過程中能夠保持全程高精度，從而有效保證主、從時鐘設備在計算時間偏差計算和修正的準確性。為此IEEE 1588協議對傳輸路徑上支持協議的各類設備進行了規范，定義了普通時鐘（Ordinary Clock，OC）、邊界時鐘（Boundary Clock，BC）和透明時鐘（Transparent Clock，TC）等設備時鐘屬性[6]。OC設備只能接收時間，用于整個網絡的時間源或時鐘宿，不能同時作為主時鐘和從時鐘。BC設備相當于時間中繼器，既可以恢復時鐘，又可以作為時鐘源往下游傳遞時鐘，對應處于中間位置的網絡節點。TC設備自身不恢復時間和頻率，只對IEEE 1588協議報文做延時修正，TC設備對應網絡中僅需配合處理IEEE 1588協議V2版本報文，自身不需恢復時鐘的設備。

因此在網絡因素中，各類設備的協議支持能力對2個時延值準確性影響較大。在大型網絡規模中，主時鐘設備與從時鐘設備之間的交互要通過不同數量和類型的設備，包括傳輸設備、網絡設備以及安全設備等。雖然各類設備都可以采用高速以太網端口連接，但目前不同設備對IEEE 1588協議的支持程度卻差異較大。目前在傳輸設備上，傳統的SDH設備不支持IEEE 1588協議，正在快速發展的PTN設備則支持該協議；在網絡設備上，各制造商的早期產品不支持IEEE 1588協議，但近年來均推出了支持該協議的產品，如華為公司的NE-40E系列路由器、C9300系列交換機等；在安全產品中，有影響的主要是串接在網絡中的安全防護設備，常見的包括網絡防護墻、PTN和IPS等，目前尚沒有支持IEEE 1588的產品。

為了解各類設備對IEEE 1588協議應用的影響程度，通過在主時鐘設備與從時鐘設備之間串接不同類型網絡設備、傳輸信道及安全保密設備之后測試時間同步精度，可以發現常見設備影響程度，如表1所示。

表1 常見設備影響程度

3.3 穩定性影響

在IEEE 1588協議應用中，主、從時鐘設備之間進行周期性的時間同步，同步過程中通過計算時間偏差和傳輸延時來修正從時鐘設備。由于時鐘設備晶振穩定性很高，一般情況下主、從時鐘設備的時間偏差很穩定，如果周期性同步過程中的傳輸延時值也較穩定，則有利于提高從時鐘設備同步效果。但作為一種網絡應用層協議，IEEE 1588協議消息與其他各類應用協議報文一起在網絡中傳播，由于各種原因引起的網絡丟包和擁塞等問題，都可能導致IEEE 1588協議消息傳輸時延值的抖動和偏差，從而會降低時間信息的傳輸精度。

因此網絡因素中，網絡運行性能對2個時延值穩定性影響較大。網絡運行性能主要影響在于：①能否保障IEEE 1588協議消息的服務質量。在支持IEEE 1588協議的網絡設備中自動優化了協議消息的處理與轉發機制，使其優先于所有應用層協議報文；在不支持協議的網絡中配置Qos策略，將IEEE 1588協議消息傳輸優先級設置為高于其他數據，確保在網絡狀態異常時協議消息傳輸質量；②能否保障傳輸路徑性能指標，即通過合理規劃網絡流量，優化協議消息傳遞路徑的負載流量，使其最小化和平衡化，降低丟包率和時延抖動，從而提高主、從時鐘設備之間傳輸時延的穩定性。

4 結束語

隨著信息技術快速發展，IEEE 1588協議提供的高精度網絡時間同步精度能力正逐步從通信、電力和控制等領域向更大范圍推廣應用。通過上述分析，應用IEEE 1588協議能否達到預期的時間同步精度，與協議應用的實際網絡環境密切相關，其效果受各種網絡因素的影響。因此，應當將IEEE 1588協議應用與網絡建設規劃緊密結合起來，從而得到協議應用的最佳效果，提供網絡整體能力。

[1]孔令彬,文赫勝,陳向文.IEEE 1588精確時間同步關鍵技術研究[J].計算機測量與控制,2010,10(8):1585-1586.

[2]胡昌軍,徐一軍,汪建華.時鐘同步技術的發展前景[J].電信網技術,2010(10):58-61.

[3]李曉珍,蘇建峰.基于IEEE 1588高精度網絡時鐘同步的研究[J].通信技術,2011,44(3):105-107.

[4]周國平,周磊.IEEE 1588時間同步誤差的研究[J].山西電子技術,2012(2):94-96.

[5]陳東.IEEE 1588協議及其在路由交換平臺中的實現技術[J].信息安全與通信保密,2011(7):54-56.

[6]王相周,陳華嬋.IEEE 1588精確時間協議的研究與應用[J].計算機工程與設計,2009,30(8):1846-1849.

Analysis on Influence of IEEE1588 Protocol Applied in Network

LIU Ji-guang,ZHANG Bin-bin,LI Nai-zhen
(Unit 92493,PLA,Huludao Liaoning 125001,China)

As a new generation of time synchronization technology,IEEE1588 protocol uses the IP network as the time information transmission path,calculates and corrects the time deviation by means of delay measurement between two clocks.As a result,the protocol application is closely related to the network environment.This Paper firstly introduces the basic principle of protocol,and analyzes the main mechanism of influence of network on correction of time deviation.And then,this paper emphatically analyzes the influence of network topology on the consistency of time synchronous link delay,the influence degree of network equipment on the calculation accuracy of time synchronous link delay and the influence of network operation condition on the stability of time synchronous link delay.

precision time protocol;time synchronization;network

TP393.1

A

1008-1739（2014）18-62-4

定稿日期：2014-08-26