基于TSN 802.1AS協(xié)議的時(shí)間同步分析（7種延時(shí)，1次厘清）

一、前言

往期的時(shí)間同步——802.1AS協(xié)議介紹一文向大家介紹了802.1AS協(xié)議的基本內(nèi)容，基于時(shí)間同步協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與各從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，但是如何評(píng)價(jià)時(shí)間同步的優(yōu)劣呢？這就需要我們通過(guò)一些時(shí)間同步的參數(shù)進(jìn)行分析。

本文將借助TSN Systems公司的專業(yè)TSN網(wǎng)絡(luò)分析及測(cè)量工具TSN Box以及TSN Tools，（其中TSN Box是網(wǎng)絡(luò)的硬件接口，作為T(mén)AP（Test Access Point）時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)單條鏈路的報(bào)文；TSN Tools是對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化的軟件工具。），從時(shí)間同步分析的角度，介紹常用的時(shí)間同步參數(shù)以及在TSN Tools軟件中對(duì)應(yīng)的分析器工具。

二、時(shí)間同步機(jī)制

在介紹具體的時(shí)間同步參數(shù)之前，先來(lái)回顧一下802.1AS中保證時(shí)間同步的兩個(gè)機(jī)制：Sync（本文基于“兩步法”討論，即全局主節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文之后，再發(fā)送一幀F(xiàn)ollow Up報(bào)文）以及Pdelay機(jī)制。前者使得從節(jié)點(diǎn)接收到全局主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，后者使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)能計(jì)算出相鄰鏈路的延遲，二者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

1、Sync

全局主節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)Sync報(bào)文，并且在隨后的Follow Up報(bào)文中附帶上之前Sync報(bào)文發(fā)送的精確時(shí)間戳；所有從節(jié)點(diǎn)記錄下接收到Sync報(bào)文的精確時(shí)間戳（基于本地時(shí)鐘），再結(jié)合之后的Follow-Up報(bào)文中包含的精確時(shí)間戳（基于全局主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘），結(jié)合下面介紹的路徑延時(shí)，就能計(jì)算出本地時(shí)鐘相對(duì)于全局主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的偏移。

2、Pdelay

Pdelay機(jī)制分為發(fā)起端和接收端，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以是發(fā)起端或接收端，也就是說(shuō)，全局主節(jié)點(diǎn)可以是接收端，從節(jié)點(diǎn)也可以是發(fā)起端。

Pdelay發(fā)起端發(fā)送Pdelay_Req報(bào)文，發(fā)起端同時(shí)記錄下發(fā)送的精確時(shí)間戳t1；而Pdelay接收端收到Pdelay_Req報(bào)文后，記錄下接收的精確時(shí)間戳t2；然后Pdelay接收端發(fā)送Pdelay_Resp報(bào)文，其中包含t2這一信息，同時(shí)記錄下發(fā)送的精確時(shí)間戳t3；隨隨后Pdelay接收端再發(fā)送包含t3時(shí)間信息的Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文，這樣發(fā)起端獲得t1、t2、t3和t4四個(gè)時(shí)間戳信息，就能計(jì)算出發(fā)起端至接收端的平均鏈路延時(shí)。

三、TSN Box與TSN Tools時(shí)間同步分析器

TSN Box是網(wǎng)絡(luò)硬件接口，作為T(mén)AP設(shè)備時(shí)串聯(lián)進(jìn)單一鏈路中，監(jiān)測(cè)雙向的通信。需要說(shuō)明的是配置為T(mén)AP的TSN Box向上位機(jī)的TSN Tools提供測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)引入大約1.5μs±10 ns的延時(shí)，詳見(jiàn)羅德與施瓦茨公司和TSN Systems公司為車載以太網(wǎng)提供納秒級(jí)精度測(cè)量一文。TAP的基本拓?fù)淙缦聢D所示：

TSN Tools是網(wǎng)絡(luò)分析、可視化的軟件，可以將TSN Box捕捉到的報(bào)文經(jīng)過(guò)篩選、分析，輸出直觀的圖表，比如將全局主節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送的報(bào)文繪制在同一時(shí)間線里：

而TSN Tools強(qiáng)大的分析功能來(lái)源于分析器模塊，比如其內(nèi)置的802.1AS分析器 ，下面就逐一介紹這些分析器的功能：

1、Sync-Follow_Up Delay

圖 Sync-Follow_Up

Sync-Follow_Up Delay表示，在一次Sync報(bào)文授時(shí)過(guò)程中，TSN Box接收到的Sync、Follow_Up報(bào)文的時(shí)間差，即t4-t2（見(jiàn)圖 Sync-Follow_Up），此參數(shù)用來(lái)反映實(shí)際Sync-Follow_Up時(shí)間間隔的穩(wěn)定性。

下圖是TSN Tools使用Sync-Follow_Up Delay分析器的效果：

可以看到Sync-Follow_Up Delay基本穩(wěn)定在10ms，少量波動(dòng)在-250μs~+750μs范圍。

2、Inter-Sync Arrival Delay

Inter-Sync Arrival Delay表示TSN Box接收到相鄰兩個(gè)Sync報(bào)文的時(shí)間間隔，即t6-t2（見(jiàn)圖 Sync-Follow_Up），此參數(shù)反映Sync發(fā)送周期的穩(wěn)定性。

下圖是TSN Tools使用Inter-Sync Arrival Delay分析器的效果：

可以看到Inter-Sync Arrival Delay在131ms±333μs范圍波動(dòng)，個(gè)別波動(dòng)點(diǎn)在130ms左右。

3、Slave Clock Wander

Slave Clock Wander表示Slave時(shí)基相對(duì)于Master時(shí)基的偏移。

這需要TSN Box和Slave節(jié)點(diǎn)均與Master同步；Slave節(jié)點(diǎn)發(fā)送Reverse-Sync，并且記錄發(fā)送時(shí)間戳t1’，在TSN Box接收到Reverse-Sync記錄接收時(shí)間戳t2’，由于Tap Delay足夠小，且TSN Box已經(jīng)與Master節(jié)點(diǎn)同步，所以t2‘可以認(rèn)為是Master時(shí)基的時(shí)間戳’；隨后Slave節(jié)點(diǎn)發(fā)出Reverse-Follow_Up，其中會(huì)包含t1’信息，然后Slave節(jié)點(diǎn)再次發(fā)送一對(duì)Reverse-Sync、Follow_Up，此時(shí)在TSN Box就有t1’、t2’、t5’、t6’四個(gè)時(shí)間戳，其中t1’、t5’是Slave時(shí)基下的時(shí)間戳，t2’、t6’是Master時(shí)基下的時(shí)間戳，兩種時(shí)基下的時(shí)間差與Master時(shí)基之比就表示Slave時(shí)基相對(duì)于Master時(shí)鐘的偏差，由于這個(gè)偏差通常比較小，所以在TSN Tools中以每秒偏差多少納秒的形式顯示：

可以看到Slave Clock Wander在±100ns范圍波動(dòng)。

4、Sync Delay

Sync Delay表示TSN Box接收到Sync報(bào)文的時(shí)間戳與Follow Up報(bào)文中包含的Sync發(fā)送時(shí)間戳之差，這里假定Master與TSN Box之間的物理連接線束長(zhǎng)度很小，此時(shí)引入的鏈路延時(shí)大約是納秒級(jí)，則Sync Delay能夠反映Master節(jié)點(diǎn)記錄發(fā)送時(shí)間戳的能力。

可以看到Sync Delay大約在840±40ns范圍：

5、Propagation Delay

圖 Pdelay

Propagation Delay即Pdelay也就是單一鏈路延遲，僅考慮單向時(shí)為從發(fā)起端到接收端的時(shí)延，考慮雙向時(shí)為雙向時(shí)延的平均值。

可以看到Propagation Delay大約在2825ns±25ns范圍。

6、Peer Delay Round Trip

Peer Delay Round Trip表示計(jì)算從PdelayRequest發(fā)出到接收到PdelayResponseFollowUp的時(shí)間差，即t6-t1（見(jiàn)圖 Pdelay）：

7、Forwarding Delay

Forwarding Delay指的是報(bào)文經(jīng)過(guò)單個(gè)或多級(jí)交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的時(shí)延，需要從TSN Box的一端接收從Master發(fā)出的報(bào)文，另一端接收經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文，TSN Box比對(duì)兩端相同報(bào)文的接收時(shí)間戳，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹TSN Tools中各個(gè)802.1AS分析器的功能及使用方法，展示了TSN Box結(jié)合TSN Tools所提供的強(qiáng)大的時(shí)間同步分析能力。TSN Box結(jié)合TSN Tools是應(yīng)對(duì)復(fù)雜的、具有時(shí)間敏感特性的車載以太網(wǎng)的有效解決方案。

北匯信息作為T(mén)SN Systems公司在中國(guó)的獨(dú)家合作伙伴，借助TSN Systems公司專業(yè)的TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及分析軟件，能夠?yàn)橄乱淮鶨/E架構(gòu)中時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)提供系統(tǒng)級(jí)測(cè)試解決方案，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試、系統(tǒng)性能測(cè)試以及系統(tǒng)魯棒性測(cè)試等。此外還提供TSN技術(shù)Workshop，其中對(duì)TSN協(xié)議族內(nèi)各個(gè)子協(xié)議的解讀、行業(yè)現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析、根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景提出TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案等內(nèi)容，將有效地幫助客戶迎接下一代E/E架構(gòu)中時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

圖源自TSN Box手冊(cè)及TSN Tools軟件。