【虹科】5分鐘弄懂為什么IEEE 1588如此精確？

為什么IEEE 1588如此精確？因?yàn)?個(gè)概念：硬件時(shí)間戳。因?yàn)橛蒊EEE 1588-2008定義的精確時(shí)間協(xié)議（PTP）通過(guò)在主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間交換信息來(lái)工作。

圖1. 顯示PTP主時(shí)鐘和PTP從時(shí)鐘之間信息交換的順序圖。Sync和Delay_Request消息的出發(fā)和到達(dá)時(shí)間被保存為四個(gè)時(shí)間戳t1-t4。Follow_Up和Delay_Response消息用于將主時(shí)鐘記錄的時(shí)間戳傳送給從時(shí)鐘，這樣它就有了調(diào)整其時(shí)間所需的信息。在這些交換結(jié)束后，從屬時(shí)鐘擁有所有四個(gè)時(shí)間戳。因此，它可以計(jì)算出它的時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的偏移量為：

偏移 = (t2 + t3 – t1 – t4) /2

問(wèn)題

然而，有一個(gè)陷阱（問(wèn)題）。該方程假定信息從主站到從站所需的時(shí)間（正向延遲）與信息從從站到主站所需的時(shí)間（反向延遲）相同。如果這些延遲很大也沒(méi)有問(wèn)題，只要它們是相同的。正向和反向延遲的任何差異都會(huì)導(dǎo)致在確定主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的差異時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

為什么正向和反向的延遲會(huì)不同？這主要是由于所有那些討厭的“隊(duì)列”。路由器里有隊(duì)列，交換機(jī)里有隊(duì)列，甚至終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)堆棧里也有隊(duì)列。通常情況下，信息在隊(duì)列中花費(fèi)的時(shí)間很少，但有時(shí)它們?cè)诘却粨Q機(jī)完成同一端口上的其他信息，或等待操作系統(tǒng)完成它正在做的事情，以便它能獲取時(shí)間戳。在某些情況下，延遲可能相當(dāng)長(zhǎng)，幾微秒，甚至是毫秒。因此，很明顯，如果這種情況發(fā)生在一個(gè)方向，而不是另一個(gè)方向，那么，這就有一個(gè)很大的時(shí)間傳輸錯(cuò)誤。

硬件時(shí)間戳

Hardware timestamping

由于我們?cè)陂_篇已經(jīng)給出了答案，知道這是通過(guò)硬件時(shí)間戳解決的。其工作原理如下圖所示。當(dāng)消息離開或到達(dá)網(wǎng)絡(luò)端口時(shí)，特殊硬件會(huì)根據(jù)本地時(shí)鐘生成時(shí)間戳，該時(shí)間戳通常位于數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)和物理層(PHY)之間與介質(zhì)無(wú)關(guān)的接口中。這消除了操作系統(tǒng)和其他軟件無(wú)法預(yù)測(cè)的緩慢響應(yīng)。支持PTP的交換機(jī)和路由器也會(huì)為PTP消息加時(shí)間戳。下面所示的一種類型的這樣的設(shè)備稱為透明時(shí)鐘，其工作方式是更新PTP消息以校正在設(shè)備上花費(fèi)的時(shí)間。另一種類型稱為邊界時(shí)鐘，它使用PTP消息設(shè)置自己的時(shí)鐘，然后將其時(shí)間發(fā)送給需要它的PTP從站。

圖2. 同步信息傳輸過(guò)程中的硬件時(shí)間戳示意圖。同步消息在通過(guò)PHY和MAC之間的MII時(shí)，會(huì)在PTP設(shè)備的本地時(shí)鐘上觸發(fā)一個(gè)時(shí)間戳。

這種延遲測(cè)量機(jī)制被稱為 “端對(duì)端E2E “延遲測(cè)量機(jī)制。事實(shí)證明，PTP有一種替代性的延遲測(cè)量機(jī)制，稱為 “對(duì)等P2P “延遲機(jī)制。關(guān)于這兩種延遲機(jī)制的描述，我們將在下期文章中介紹。

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