TSN中時間同步技術研究及實現

顏晨　孫云華　陳翔

摘? 要：時間敏感網絡（TSN）對在以太網上傳輸的時間敏感流進行確定性控制，保證了網絡傳輸實時數據的能力。時間同步是TSN技術中的基石，保障了網絡數據傳輸的實時性和確定性。首先對建立時鐘同步生成樹和選擇最佳主時鐘的過程進行介紹；然后對路徑延遲時間計算的原理進行描述；進而重點論述了各節點中進行時間同步時的計算推導過程。最后探索了一種流量整型技術，通過一個實驗展示了時間同步在TSN流量整型中的重要作用。

關鍵詞：時間敏感網絡；時間同步；時鐘同步生成樹；最佳主時鐘；流量整型

中圖分類號：TP393? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0083-06

Research and Implementation of Time Synchronization Technique in TSN

YAN Chen， SUN Yunhua， CHEN Xiang

（China Key System & Integrated Circuit Co.， Ltd.， Wuxi? 214072， China）

Abstract： Time Sensitive Network （TSN） provides deterministic control over time sensitive streams transmitted over Ethernet， and ensures the ability to transmit real-time data of network. As the footing stone of TSN technology， time synchronization ensures the network data transmission is real-time and deterministic. Firstly， the process of establishment of clock synchronization spanning tree and selection of the best master clock are introduced. Then the principle of path delay time calculation is described. Further， the calculation and derivation process of time synchronization in each node is discussed emphatically. Finally， a traffic shaper technology is explored， and the important role of time synchronization in TSN traffic shaper is demonstrated through an experiment.

Keywords： Time-Sensitive Network; time synchronization; clock synchronization spanning tree; best master clock; traffic shaper

0? 引? 言

在社會日益發展的今天，隨著科學研究持續深入和人類社會生活不斷豐富，各式各樣的信息充斥其中，對信息的傳輸、處理等要求也越來越高。對于汽車領域，目前不斷深入的智能駕駛技術有大量雷達、視頻傳感器等數據輸入和智能計算后的控制信號輸出，需要一種網絡機制來降低信息傳輸延遲和抖動，從而提高傳輸質量保證駕駛安全。在航天領域，空間站內外部通信，月球科考、實驗任務的遠距離控制和遙感衛星星座或編隊在進行跨星鏈任務時都需要高時敏通信。在工業物聯網領域，隨著大數據和云計算的連入，Ethernet/IP、EtherCat、等實時工業以太網已沒法滿足數據傳輸的高精確和實時性要求[1]。

針對上述網絡較高的性能要求，2008年電氣和電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE）制定了1588協議用來同步設備之間的時鐘，并在2019年更新了此標準，此標準通過規定時間戳的生成位置和延遲測量補償機制，將時間同步的精度提高到了亞微秒級[2]。IEEE 802.1AS[3]通用精準時間協議（generalized Precision Time Protocol， gPTP）由1588標準精簡而來，它采用雙步延遲測量與補償機制，周期性的報文交互保證系統內時鐘同步的精確性。

目前國外很多組織都在致力于IEEE 802.1AS協議的研究和實用性探索。韓國漢陽大學的Jeon等人為降低在網絡中最佳主時鐘算法造成數據阻塞的現象，使用列表存儲最佳時鐘的信息，減少Announce幀的交換次數[4]。奧地利TTTech Computertechnik AG公司研究了IEEE 802.1AS在工業自動化領域中的應用問題，當測試分析物理層PHY（physical）后，發現對同步精度影響較大的是物理層的抖動和時鐘顆粒[5]。國內的公司和運營商也緊跟步伐，在2020年11月，中國電子技術標準化研究院發布了《時間敏感網絡白皮書》，中興、華為等廠家也同步開發了相關TSN交換機樣機和芯片樣片。

國內對下一代確定性網絡的關注較多，但目前還是起步階段，產品和論文較少，更多地去關注了IEEE 802.1 AS協議煩瑣的通信處理機制。本文化繁為簡以同步目標為重點，研究了IEEE 802.1AS通信幀，以及以這些幀為載體直面探索其最為重要的三個同步過程及其聯系。首先描述最佳主時鐘選擇，時鐘同步生成樹的建立；然后介紹路徑延遲測量原理，為后續偏差計算提供幫助；最后進行時鐘同步，通過計算完成時鐘同步目標。本文在第二章通過現有同步設備進行實驗來驗證時間同步在TSN流量調度中起到的關鍵作用。

1? 802.1AS時間同步載體和處理機制

在802.1AS的同步通信中使用gPTP報文，這些報文分別用于處理不同的功能。Announce幀用于最佳主時鐘選擇，構建整個系統主從同步關系。Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up報文用于兩節點通信鏈路的延遲測量。Sync、Follow_Up報文用于系統的時鐘同步。Signaling用于系統間的配置包括對另一端的報文發送時間間隔進行請求等。

其中Sync、Pdelay_Req與Pdelay_Resp報文進出端口時會打上精準時間戳為事件報文，其余報文不打時間戳為普通報文。

下面對各種報文進行介紹，并以報文為切入點來對802.1 AS同步機制進行分析。

1.1? gPTP報文頭

gPTP報文可在IEEE 802.11、IEEE 802.3等網絡環境下實現。本文以太網IEEE 802.3為例，gPTP報文封裝在以太網報文中，其結構如表1所示。

其中源地址為出口物理端口的MAC地址，目的地址為規定的多播地址01-80-C2-00-00-0E，協議類型為0x88f7。PTP報文頭中messageType 字段用來區分報文類型，correctionField字段在Follow_Up幀中用來存儲與主時鐘的時間偏差，其他幀中用來存儲納秒的小數部分，sourcePortIdentity字段包含了端口號和時鐘標識。詳情請查看802.1AS-201410.5和11.4等章節。

1.2? Announce幀及在最佳主時鐘選擇中的處理機制

1.2.1? Announce幀

在時間同步前需要構建同步網絡拓撲，Announce幀包含了時間感知節點的信息，在構建消息傳輸流向和選擇主時鐘方面用到。

在該報文體中有主時鐘的時鐘源優先級Priority1、Priority2、時鐘等級clockClass、時鐘精度clockAccuracy和時鐘穩定度offsetScaledLogVariance（clockClass、clockAccuracy、offsetScaledLogVariance由報文中的clockQuality來表示），這五個參數和clockIdentity用于確定最優時鐘。除了這五個參數，該報文體帶的時間跳數stepsRemoved、報文頭帶的發送端口標識sourcePortIdentity和接收報文端口的端口號portNumber來確定端口的主從關系。

人為確定Priority1、Priority2，而clockClass、clockAccuracy和offsetScaledLogVariance是固有參數通過時鐘源的廠家提供。clockIdentity為時鐘的固有ID，可用端口的MAC地址組裝其值，節點中該值互不相同。stepsRemoved代表了本節點到主時鐘節點（超主）的時間跳數，Announce幀每經過一個節點該值加1。

1.2.2? 最佳主時鐘處理機制

在整個gPTP域中用最佳主時鐘選擇算法（Best Master Clock Algorithm， BMCA）選擇最佳主時鐘來同步域內時間，與此同時確定時間感知系統內的端口狀態，構建時間同步生成樹。

在初始狀態下，為確定gPTP域內各節點角色和節點內部端口的狀態，Announce幀會在節點相鄰端口傳遞，幀內包含上述本地時鐘的參數信息。各個節點把收到的Announce幀的時鐘信息與本節點的時鐘參數信息進行比較，選擇較好的時鐘信息保存下來，下次發送Announce幀時把較好的時鐘信息發送出去。

在gPTP域內只有橋和終端兩種設備概念，同步開始的示例圖如圖1所示。

在圖1的設備當中都會有systemIdentity屬性包含如下屬性，按照重要程度從高到低分別為priority1、clockClass、clockAccuracy、offsetScaledLogVariance、priority2、clockIdentity。當priority1＜255時，表明節點具有成為最佳主時鐘的能力，在節點內部把通過Announce幀組建的systemIdentity和本地的systemIdentity進行比較，如圖2所示。設節點內部當前屬性用后綴C標識，通過Announce幀接收的相鄰節點屬性后綴用R標識。

時鐘性能更好的節點參與最佳主時鐘選擇。

不考慮PassivePort、DisabledPort的情況下，若比較后，本節點的時鐘性能最好，則節點內部與其他時間感知系統相連的端口為MasterPort。若節點不是性能最好，則節點內部與更好時鐘性能相連的端口為SlavePort，其余與其他時間感知系統相連的端口為MasterPort。若節點時鐘性能不是最好，內部端口systemIdentity一致，stepsRemoved最小的端口為SlavePort；當stepsRemoved一樣時，portNumber最小的為SlavePort。

當兩個節點的系統屬性systemIdentity一致，則比較stepsRemoved，stepsRemoved較小的節點端口為MasterPort，另一個節點端口為SlavePort。IEEE 802.1AS協議中的端口共有四種狀態[3]，如表2所示。

節點內部MasterPort傳遞保留此時最好時鐘性能參數的Announce幀，gPTP域內其他節點進行上述比較，最終選出最佳主時鐘，建立起時鐘同步生成樹。如圖3所示，為時間感知系統的主從拓撲示例框架結構。

在Announce幀中，若節點時鐘性能更好，則幀頭的sourcePortIdentity填入節點的時鐘標識clockIdentity和端口號portNumber，該節點的時鐘性能填入報文體，報文體中的stepsRemoved為0。若節點時鐘性能較差，則發送的Announce幀報文體內stepsRemoved加1，其他時鐘性能屬性不變。

1.3? 延遲測量的報文及其機制

1.3.1? 延遲測量的報文

gPTP通過標記發收報文的時間戳對兩點之間延遲進行計算，并用此延時來同步與主時鐘的時間偏差。采用的是點對點（Peer to Peer， P2P）的雙步延遲測量機制，下節會具體講述。

Pdelay_Req報文是延遲測量節點發出的請求報文，發出時測量節點內部會記錄時間戳t1。報文體不包含數據，為了功能擴展包含了20個為零的字節。

Pdelay_Resp報文是被測節點的延遲測量回應報文，報文體內包含時間戳requestReceiptTimestamp（t2），此時間戳在Pdelay_Req報文到被測節點時記錄的，以及測量發起端口的端口標識requestingPortIdentity。測量節點收到此報文時會產生時間戳t4。

Pdelay_Resp_Follow_Up報文是被測節點的回應跟隨報文，報文體內包含了時間戳responseOriginTimestamp（t3），此時間戳在Pdelay_Resp發出時被測節點記錄的，以及測量發起端口的端口標識requestingPortIdentity。

1.3.2? 延遲測量機制

如圖4所示，假設兩節點傳輸路徑是對稱路徑的，測量節點可通過一次測量得到t1，t2，t3和t4。

傳播延遲D的計算如下：

D表示理想狀態下的延遲，節點雙方的頻率相同，而實際上往往不同。t1和t4表示延遲測量發起者測量的時間，t2和t3表示延遲測量響應者測量的時間。頻率不同會造成計算偏差。為避免這種偏差，會將響應者的時基轉換到發起者的時基。一般在同步拓撲中，slave端口會向相鄰的節點發起延遲測量，因此延遲測量的計算如下：

式（2）中，ri-1， i表示節點slave端口相鄰節點i-1與節點i的時鐘頻率比。

除了上述兩節點的頻率差造成延遲測量誤差，網絡的擁堵或者波動也會對一次測量的結果造成很大的影響，為了減少這方面的影響，對多次測量的值取平均。因為延遲測量會周期性的進行，節點內會對一段時間測量結果進行存儲。則一段時間內的延遲計算如下：

式（3）中，Davg， k表示第K次測量的延遲均值，Dk-1表示第K-1次測量的路徑延遲時間。

1.4? 時間同步報文及其機制

1.4.1? 時間同步報文

在建立了時間同步生成樹，選了最佳主時鐘，完成了路徑延遲測量后開始進行時間同步。時間同步采用Sync和Follow_Up兩種報文，它們從具有最佳主時鐘的節點端口發出，通過時間同步生成樹中節點的MasterPort端口對域內所有節點進行同步。

Sync報文用于發出和接收此報文時產生時間戳，報文體不包含任何數據。

Follow_Up報文跟隨在Sync報文后面，其內部包含記錄主時鐘發出Sync時產生的時間戳（preciseOriginTimestamp段），記錄節點轉發Sync報文時的同步時間與preciseOriginTimestamp的偏差值（correctionField段），記錄主時鐘和當前節點時鐘頻率比（cumulativeScaledRateOffset段）。

1.4.2? 時間同步機制

在同步時，節點內通過Follow_Up報文可知發送此Sync時主時鐘的時間preciseOriginTimestamp（簡稱“O”），以及上一個節點i-1累計的偏差Ci-1，計算本節點的偏差Ci可得到本節點發送Sync報文時的同步時間，查看式（4）。Ci由Ci-1，上一個節點到本節點的延遲Di加上Sync駐留在本節點的時間Si后轉換成主時域的時間相加計算得到，如式（5）。其同步的過程如圖5所示。

在節點i計算了與主時鐘頻率比，計算了偏差值，完成了時鐘同步，更新Follow_Up報文相關段內的值，便可把同步報文發往下一個節點進行時間同步，依次完成本時域的一次同步。

由于各節點內的時鐘晶振頻率存在偏差甚至不同，所以在下一次時鐘同步前節點的時間偏差會達到最大。為了減小偏差，簡單的解決辦法是增加Sync同步報文的發送頻率。但實際情況下，Sync發送頻率過大會造成網絡的擁堵，通常發送間隔在50～2 000 ms[6]。

2? TSN時間同步實踐

在介紹了TSN時間同步的原理后，本文通過一個實驗來探索時間同步在流量調度中的應用。TSN標準是一個協議簇，涉及時間同步，流量調度，系統配置等內容。其中流量調度是TSN標準中的核心機制，用來確定設備出口端數據的傳輸順序和時間。而時間同步則是流量調度實施的基礎。

2.1? TSN時間同步實踐原理介紹

為了體現時間同步的實際表現，需要使用到TSN流量整形中的一種技術，基于時間感知的整形調度技術。時間感知整形器（Time Awareness Shaper， TAS）在8802-1Q_Amd 3-2017[7]標準中定義，它為需要實時性的流量提供了一個確定時間段打開的傳輸通道，避免了在這段時間內其他流量對時間敏感流量的干擾。

它在通信端口把需要傳出的不同流量劃分在不同的傳輸通道隊列內，流量按照流量類型（存在于以太網幀頭VLAN內的優先級PCP段）進行分類，如表3所示。又定義了傳輸時間周期，在時間周期內分為不同的時間片段，在時間片段內選定一個或者多個優先級的流量傳輸。

在門控調度中存在門控列表gate control list，包含了隊列的狀態（“C”表示關閉，“O”表示打開）和時間間隔。門控調度示例圖如圖6所示，在T1時間片段，只有優先級為2的流量隊列來傳輸。

在一個滿足嚴苛時延和傳輸確定的系統網絡中，不同節點的端口會置有TAS，確保實時性流量能夠確定到達終端。為達到這一目的，不同節點的門控設置得一致且門控開啟的時間得在同一個時域下，時間偏差越小越好。本文接下來準備一種流量在設有門控機制的節點中傳輸，分別比較不同時間基準和統一時間基準的傳輸情況。

2.2? TSN實踐平臺搭建

本文采用宏科TSN套件來搭建TSN實驗環境。該套件包含三個硬件和一個ISO鏡像。三個硬件分別為流量發生器，具有TSN功能的網橋和可以插在電腦上具有TSN功能的PCIe卡。下面進行詳細介紹：

1）流量發生器Traffic Generator。流量發生器用來產生和傳輸具有沖突性質的流量來驗證TSN機制的作用。

2）網橋RELY-TSN-Evaluation-Board。轉發TSN業務流并且內部存在網站服務，提供一個友好的UI界面可以用來配置流量發生器、具有TSN功能的PCIe卡和它自己的相關設置。

3）PCIe卡RELY-TSN-PCIe。用PCIe無縫銜接到用戶電腦主板卡槽內，把TSN流轉發到電腦上。

4）ISO鏡像。用來在用戶電腦上搭建一個基于Linux的操作系統Live Lubuntu O.S，它用來啟動TSN的相關功能和配置。

除此之外，在用戶電腦上需要配置Wireshark，用來觀察流量的傳輸情況。實踐平臺拓撲結構和平臺實物如圖7和圖8所示。

2.3? TSN時間同步測試實踐

配置寬帶速率接近100 Mbit/s，VLAN優先級為5，具有1 500個字節的流量，在不配置TSN功能下，可以從Wireshark看到流量統計圖，如圖9所示；配置網橋的門控如表4所示，在一個時間周期內只留了一個時間片傳輸優先級為5的流量，看到Wireshark內流量速率下降，如圖10所示；當配置PCIe卡的門控如表4時，可以看流量速率進一步下降，如圖11所示；當開啟了時間同步后，流量速率恢復到圖10的水平，如圖12所示。

可以看到門控對流量發揮調度時，必須得依靠時間同步機制來搭建確定性的網絡。

3? 結? 論

TSN在這一領域提出了一系列的通信機制和策略保障了確定性無沖突的傳輸，滿足時延和帶寬要求，時間同步在里面起到關鍵的作用。本文重點研究TSN中時間同步機制，從同步幀開始描述了其同步過程，較為清晰地展示了時間同步的原理和應用。時間同步穩定達到ns級離不開硬件層時間捕獲的精確度和軟件算法的優化。在實際開發過程中，除了硬件性能的提高外，時鐘偏移、網絡波動帶來的同步周期變化和系統內部計算同步時間造成的延時，從而影響時鐘抖動是重點考慮的方向。希望本文所研究的時間同步方面的內容可以幫助該領域的研究人員。

參考文獻：

[1] 宋華振.時間敏感型網絡技術綜述 [J].自動化儀表，2020，41（2）：1-9.

[2] Technical Committee on Sensor Technology （Tc-9） of the IEEE lnstrumentation and Measurement Society. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems：IEEE Std 1588TM-2019 [S].New York：IEEE，2019.

[3] LAN/MAN Standards Committee. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Timing and Synchronization for Time--Sensitive Applications：IEEE Std 802.1ASTM-2020 [S].New York：IEEE，2020.

[4] JEON Y，LEE J. An Efficient Method of Reselecting Grand Master in IEEE 802.1AS [C]//The 20th Asia-Pacific Conference on Communication （APCC2014）.Pattaya：IEEE，2014：303-308.

[5] GUTI?RREZ M，STEINER W. Synchronization Quality of IEEE 802.1AS in Large-Scale Industrial Automation Networks [C]//2017 IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium （RTAS）.Pittsburgh：IEEE，2017：273-282.

[6] GREENSTREET R，ZEPEDA A. Improving IEEE 1588 Synchronization Accuracy in 1000BASE-T Systems [C]//2015 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement， Control， and Communication （ISPCS）.Beijing：IEEE，2015：58-63.

[7] LAN/MAN Standards Committee. ISO/IEC/IEEE International Standard—Information Technology—Telecommunications and Information Exchange between Systems—Local and Metropolitan Area Networks—Specific Requirements—Part 1Q：Bridges and Bridged Networks AMENDMENT 3： Enhancements for Scheduled Traffic： ISO/IEC/IEEE International Std 8802-1Q_Amd 3-2017 [S].New York，2017.

作者簡介：顏晨（1992.08—），男，漢族，湖北隨州人，工程師，碩士，研究方向：網絡通信、嵌入式軟件。

收稿日期：2022-12-12