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1、IEEE 1588 协议基础篇Contents一、时钟同步模型二、消息字段三、数据集四、数据类型一、时钟同步模型IEEE 1588 又叫网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议，PTP（精确时钟协议），使用硬件和软件配合，不需要额外的时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本。1.1 PTP 消息类型分为两类：事件消息、普通消息。事件消息是在发送和接收端都要打精确的时间戳，普通消息不需要打时间戳。（1）事件消息：SYNC、Delay_Req、Pdelay_Req、Pd l R1.2 消息时间戳的产生当发送和接收任何事件消息时，都会产生时间戳。当消息的时间戳点经过节点

2、与网络的边界时，时间戳事件发生，时间戳产生模型如下图所示：上图中 A B C 为打时间戳的点 这个点越靠近1.3 两种同步机制延时请求响应机制（Delay Request-Response Mechanism）对等延时机制（Peer Delay Mechanism）（1）延时请求响应机制使用 Sync、Delay_Req、Follow_Up，Delay_Resp 消息进行消息同步，测量一对 PTP 端口的 ，模型为t2 t1=Delay+Offsett4 t3 =Delay OffsetDelay=(t2 t1)+(t4 t3)2Offset=(t2 t1)(t4 t3)2在算法校正过程中，对

3、从时钟的校正是通过校正 offset 实现的，Delay 通常影响 Offset 的值，因此要通过测量这个延迟值来修正 Offset。（2）对等延时机制对等延时机制用来测量端到端传输时间，如支持对等延时机制的通信端口的链路延时。用 Pdelay_Req，Pdelay_Resp，Pdelay_Resp_Follow_Up 消息进行同步。对于普通和边界时钟，对等延时机制与端口是 master 还是slave 没有关系。=(t2 t1)+(t4 t3)21.4 设备类型有 5 中基本的设备类型（1）普通时钟（Oridinary clock）（2）边界时钟（Boundary clock）（3）端到端透

4、明时钟（End-to-end transparentclock）（4）对等透明时钟（Peer-to-Peer transparentclock）（5）管理节点（Management node）普通和边界时钟的端口，两种机制都可以使用，端到端透明时钟与这两个机制无关，对等透明时钟使用对等延时机制。（1）普通时钟通过以一个物理端口为媒介的两个逻辑接口和网络通信，事件接口用来发送和接收事件消息，包括两类数据集，分别是时钟数据集和端口数据集。端口数据集包含端口属性，包括 PTP 状态。Protocol engine：（1）发送和接收 PTP 消息（2）维护数据集（3）执行与端口相关的状态机（4）如果端

5、口在 slave 状态，基于接收到的 PTP定时消息和产生的时间戳，计算 Master 的时间。Local clock：当普通时钟端口在 slave 状态时，本地时钟的控制环路调节时钟，使它的时钟与它的主一致。如果端口在 master 状态，本地时钟在 freerun 状态（2）边界时钟边界时钟模型如图所示，有多个物理端口，每个端口和一个普通时钟的端口类似，但有一些例外：1）时钟数据集对边界时钟的所有端口共用；2）local clock 也对边界时钟的所有端口共用；3）每一个协议引擎需要附加功能，它需要处理所有端口的状态，决定利用哪个端口提供的时间信号来同步本地时钟。与同步、建立主从层次和信令

6、相关的信息终止在一个边界时钟的协议引擎，不再向前转发，管理消息由边界时钟的其它端口转发，服从限制一个系统的消息传输时间的约束（3）End-to-End 透明时钟设备模型如图所示，像一个网桥、路由器和转发器一样，端到端透明时钟发送所有的消息。对于 PTP 事件消息，驻留时间桥测量 PTP 事件消息的驻留时间。驻留时间在一个特殊的域 correctionField 累积。这些校正是当事件消息进入和离开透明时钟产生的时间戳的不同。校正值计算如下图所示注意 用来计算驻留时间的时间戳是基于本地时间产a）RC（Rate Control）利用延时请求响应机制校正本地时钟频率等于master 的时钟频率。这个

7、方法的关键是它的操作是一个闭环，这意味着在一个节点的本地振荡器调节会影响下面的节点。b)RE（Rate Estimation）不控制本地振荡器，让其自由运行，用本地时间计算的驻留时间加到 Sync或者 Follow_Up 消息中，比较接收到的 sync 和Follow_Up 的驻留时间，计算本地自由运行时钟与上一级时钟之比。当驻留时间相对于时钟比值的足够大，一连串透明时钟的最差相位误差累（4）Peer_to_Peer 透明时钟设备模型如图所示，与 End_to_End 透明时钟不同在于：它校正和处理PTP 定时消息的方式上。对等透明时钟有一个 block，这个 block 用来计算每个端口与其

8、它端口的链路延时。通过交换Pdelay_Req，Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up 消息来计算。对等透明时钟和链路延时的校正模型如下图所示。（5）管理节点管理节点的设备特征是：a）可以有一个或者多个物理连接连接到网络中；b）PTP 管理消息的手动或可编程接口。c）能结合所有的时钟类型。1.5 同步在协议的执行过程中又来那个阶段：（1）建立主从层次；（2）同步时钟1.5.1 建立主从层次PTP 的状态有：Master、Slave 和 Passive。利用最佳主时钟算法来找最好的时钟，包含两个独立算法：（1）数据集比较算法（2）状态决策算法数据集比较算法以下列这些

9、优先属性比较算法：（1）priority1：用户可配置的指定，指这个时钟是否是固定的可选时钟；（2）clockClass：详细说明时钟的 TAI 可跟踪性属性；（3）clockAccuracy：定义一个时钟精度的属性；（4）offsetScaledLogVariance：定义时钟稳定性属性；（5）Priority2：是否是备选的主时钟；（6）clockIdentity：基于独特标志符的附加表示规则。最佳主时钟算法清楚地选择两个时钟中的一个更优。简单的主从层次如下图所示：只有普通和边界时钟维持这种状态形式，同时也只有边界时钟能在主从层次中建立分支点。二、消息字段PTP 协议根据发送和接收到的消息

10、来计算时间偏差和延迟，每个消息都由一个消息头（header），消息体（body）和消息后缀（suffix）组成。2.1 消息头2.1.1 transportSpecific（Nibble）根据传输的媒介有不同的说明。2.1.2 MessageType（Enumeration4）2.1.3 versionPTP（UInteger4）是发送消息节点的数据集 portDS.versionNumber 的值。2.1.5 domainNumber（UInteger8）此消息的发出节点不同，domainNumber 的值不同。2.1.6 flagField（Ocet2）一些标志位，表示的意义如下表2.1.

11、7 correctionField（Integer64）它的值是 ns 数诚意 216，如 2.5ns 表示成0 x0000000000028000，它的值依赖于消息类型2.1.8 sourcePortIdentity（PortIdentity）sourcePortIdentiy 的值是发送消息端口数据集的 portDS.portIdentity 的值。2.1.9 sequenceId（UInteger16）除了 Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、management 消息外，所有的消息都有 sequenceId 序列

12、池，对于从同一个时钟的同一个端口发出同一个消息，后一个消息的 sequenceId 是前一个的值 1，采用循环计数的方式。2.1.10 controlField（UInteger8）主要是为兼容 V1 版本而设置的一组值，接收方不使用这组消息。2.1.11 logMessageInterval(Integer8)的值决定于消息类型 如2.2 Announce消息域如表：2.2.1 originTimestamp（Timestamp）当 Announce 消息发送时，这个的值置为 0 或者是与发送节点的本地时间相差在1s 之内。2.2.2 currentUtcOffset2.2.3 grandm

13、asterPriority1（UInteger8）发送节点数据集成员的 parentDS.grandmasterPriority1 的值。2.3.4 grandmasterClockQuality（ClockQuality）发送节点数据集成员的 parentDS.grandmasterClockQuality 的值。2.3.5 grandmasterPriority2（UInteger8）发送节点数据集成员的 parentDS.grandmasterPriority2 的值。2.3.6 grandmasterIdentity（ClockIdentity）数据集成员的 parentDS.gran

14、dmasterIdentity 的值。2.3.7 stepsRemoved（UInteger16）发送消息的时钟数据集的 currentDS.stepsRemoved 的值。2.3 Sync 和 Delay_Req 消息2.3.1 originTimestamp（Timestamp）对于 Sync 消息，当为 One-step 时钟时，OriginTimestamp 的值应该是 Sync 的，不包括小数 ns，Sync 消息correctionField 的值和originTimestamp 的值应该是真实的。当为 Two-step 时钟时，originTimestamp 的值还是，不包括小数

15、 ns，但是 correctionField 的值是 0，由对应的 Follow_Up 消息来表示2.4 Follow_Up 消息2.4.1 preciseOriginTimestamp（Timestamp）Follow_Up 消息的 preciseOriginTimestamp 是与对应的 Sync消息的 ，Follow_Up 消息和Sync 消息的 correctionField的和与 preciseOriginTimestamp 相加，就是同步消息发送的精确时间。2.5 Delay_Resp 消息2.6 Pdelay_Req 消息注意：这里的 reserved 域是为了使得 Pdelay

16、_Req 消息的长度等于 Pdelay_Resp 消息的长度，因为在一些网络或者网桥中，长度不同的消息有不同的传输时间，这样会引来不对称误差。2.7 Pdelay_Resp 消息2.9 管理消息2.9.1 domainNumber of the headerdomainNumber 应该是目标 domain2.9.2 sequenceId of the header如果是一个响应 management 消息，sequenceId 是接收到的管理消息的sequenceId，否者也有一个序列池。012345 FGETSETRESPONSECOMMONDACKNOWLEDGEReserved2.9.

17、4 startingBoundaryHops（UInteger8）对于非响应的管理消息，startingBoundaryHops 是依情况变化的。对于响应的管理消息，它的值是 startingBoundaryHops boundaryHops。2.9.5 boundaryHops（UInteger8）指管理消息在边界时钟的剩下需连续转发数量。2.9.6 actionFiled（Enumeration4（hex）Value）Action三、数据集普通和边界时钟应该维护的数据集有：（1）defaultDS（2）currentDS（3）parentDS（4）timePropertiesDS（5）po

18、rtDS透明时钟应该维护的数据集：（1）transparentClockDefaultDS（2）transparentClockPortDS数据集有三种属性：分别为 staticdynamic3.1 defaultDS 数据集成员说明defaultDS 数据集是描述时钟本身的属性。成员有-defaultDS.twostepFlag-defaultDS.clockIdentity-defaultDS.numberPorts-defaultDS.clockQuality-defaultDS.priority1-defaultDS.priority2-defaultDS.domainNumber-d

19、efaultDS.slaveOnly前三个是静态数据成员defaultDS.clockQuality 是动态成员，包括：（1）defaultDS.clockQuality.clockClass（2）defaultDS.clockQuality.ClockAccuracy（3）defaultDS.clockQuality.offsetScaledLogVariance这三个数据成员都是时钟自己的属性。3.2 currentDS 数据集成员说明数据成员都是动态的，包括的成员有：（1）currentDS.stepsRemoved指的是在本地时钟和 grandmaster 时钟之间通信路径的数量。（2

20、）currentDS.offsetFromMaster=（3）currentDS.meanPathDelay按照两种机制算出来的路径延迟。3.3 parentDS 数据集说明parentDS 数据集的初始化应该在 defaultDS 数据集初始化之后，它的所有成员都是动态的。数据集成员有：（1）parentDS.parentPortIdentity指的是发送 Sync 消息的 Master 的 PortIdentity，初始化值应该遵循：a）parentDS.parentPortIdentity.clockIdentity 的值是defaultDS.clockIdentity 的值。b）par

21、entDS.portNumber 的值初始化为 0。（2）parentDS.parentStats如果时钟有一个端口是 Slave 状态，并且统计地计算出了parentDS.observedParentOffsetScaledLogVariance 和parentDS observedParentClockPhaseChangeRate 的值时（4）parentDS.observedParentClockPhaseChangeRate以从时钟来观察的 parent 时钟的相位变化率估计，正值表示parent 时钟的相位变化率大于 slave 时钟的相位变化率。初始化值为 7FFFFFFF。注：

22、这个值依赖于测量时间间隔，如果这个值对一个应用来说确实有用，时间间隔应该在 PTP 协议中说明。（5）parentDS.grandmasterIdentity它是 grandmaster 时钟的 clockIdentity。初始化值为defaultDS.clockIdentity。（6）parentDS.grandmasterClockQuality（7）parentDS.grandmasterPriority1（8）parentDS.grandmasterPriority25 678 都是 grandmaster 的对应的值初始化时都初始化成3.4 timePropertiesDS 数据集成

23、员说明timePropertiesDS 数据集成员有：（1）timeProtertiesDS.currentUtcOffset（2）timeProtertiesDS.currentUtcOffsetValid（3）timeProtertiesDS.leap59（4）timeProtertiesDS.leap61（5）timeProtertiesDS.timeTraceable（6）timeProtertiesDS.frequencyTraceable（7）timeProtertiesDS.ptpTimescale（8）timeProtertiesDS.timeSourcecurrentDS 数

24、据集的所有成员都是动态的。timeProtertiesDS.ptpTimescale 的值应该在其它数据集成员初始化之前进行初始化。3.5 portDS 数据集成员说明对普通时钟的端口和边界时钟的每个端口，应该维护端口数据集来给协议决策和提供消息域的值作为基础。数据集的数量应该是defaultDS.numberPorts 的值。静态成员有：（1）portDS.portIdentity这个值就是本地端口的 PortIdentity 属性。动态成员有：（1）portDS.portState：值与状态的对应关系如下表所示（2）portDS.logMinDelayReqInterval指的是 Dela

25、y_Req 消息最小允许的平均时间间隔，这个值是slave 发个 master，这个的值视 master 时钟能处理的 Delay_Req 消息的能力来确定。（3）portDS.peerMeanPathDelay如果时钟是 peer-to-peer 时钟，这个的值硬挨链路上的当前单路传输延迟的估计。可配置成员有：（1）portDS.logAnnounceInterval这个值说明 Annouce 消息发送的时间间隔。（2）portDS.announceReceiptTimeoutportDS.announceReceiptTimeout 的值指发出ANNOUNCE_RECEIPT_TIMEOU

26、T_EXPIRES 时，没有收到Announce 消息的个数。（3）portDS.logSyncInterval指的是 Sync 消息的时间间隔四、数据类型数据类型有源数据类型和衍生数据类型，衍生数据类型都是由源数据类型构成的。4.1 源数据类型4.2 衍生数据类型（1）时间间隔类型描述 TimeIntervalstruct TimeIntervalInterger64 scaledNanoseconds；/单位是 2-16ns。（2）时间戳类型描述 Timestampstruct TimestampUInteger48 seconds；UInteger32 nanoseconds；（3）Cl

27、ockIdentitytypedef Octet8 ClockIdentity；（4）PortIdentitystruct PortIdentityClockIdentity clockIdentity；（5）PortAddress 表示 PTP 端口协议地址Struct PortAddressEnumeration16 networkProtocol;UInteger16 addressLength;OctetaddressLength addressField;（6）时钟质量struct ClockQualityUInteger8 clockClass；Enumeration8 clock

28、Accuraccy；Integer16 offsetScalelogVariance；（7）TLV 扩展struct TLV（8）PTP Text 用来表示 PTP 消息的文本材料Struct PTPText UInteger8 lengthField;OctetlengthField textField;（9）FaultRecord 用来组成错误纪录UInteger16 faultRecordLength;Timestamp faultTime;Enumeration8 severityCode;PTPText faultName;PTPText faultValue;PTPText faultDescription;BackBackBackBackBack