基于TSN 802.1AS協議的時間同步分析（7種延時，1次厘清）

一、前言

往期的時間同步——802.1AS協議介紹一文向大家介紹了802.1AS協議的基本內容，基于時間同步協議就能實現主節(jié)點與各從節(jié)點的時間同步，但是如何評價時間同步的優(yōu)劣呢？這就需要我們通過一些時間同步的參數進行分析。

本文將借助TSN Systems公司的專業(yè)TSN網絡分析及測量工具TSN Box以及TSN Tools，（其中TSN Box是網絡的硬件接口，作為TAP（Test Access Point）時，能夠監(jiān)測單條鏈路的報文；TSN Tools是對TSN網絡通訊數據進行分析和可視化的軟件工具。），從時間同步分析的角度，介紹常用的時間同步參數以及在TSN Tools軟件中對應的分析器工具。

二、時間同步機制

在介紹具體的時間同步參數之前，先來回顧一下802.1AS中保證時間同步的兩個機制：Sync（本文基于“兩步法”討論，即全局主節(jié)點發(fā)送Sync報文之后，再發(fā)送一幀Follow Up報文）以及Pdelay機制。前者使得從節(jié)點接收到全局主節(jié)點時鐘，后者使得每個節(jié)點能計算出相鄰鏈路的延遲，二者結合起來實現時間同步。

1、Sync

全局主節(jié)點周期性地發(fā)Sync報文，并且在隨后的Follow Up報文中附帶上之前Sync報文發(fā)送的精確時間戳；所有從節(jié)點記錄下接收到Sync報文的精確時間戳（基于本地時鐘），再結合之后的Follow-Up報文中包含的精確時間戳（基于全局主節(jié)點時鐘），結合下面介紹的路徑延時，就能計算出本地時鐘相對于全局主節(jié)點時鐘的偏移。

2、Pdelay

Pdelay機制分為發(fā)起端和接收端，任意一個節(jié)點都可以是發(fā)起端或接收端，也就是說，全局主節(jié)點可以是接收端，從節(jié)點也可以是發(fā)起端。

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

三、TSN Box與TSN Tools時間同步分析器

TSN Box是網絡硬件接口，作為TAP設備時串聯進單一鏈路中，監(jiān)測雙向的通信。需要說明的是配置為TAP的TSN Box向上位機的TSN Tools提供測量數據時，會引入大約1.5μs±10 ns的延時，詳見羅德與施瓦茨公司和TSN Systems公司為車載以太網提供納秒級精度測量一文。TAP的基本拓撲如下圖所示：

TSN Tools是網絡分析、可視化的軟件，可以將TSN Box捕捉到的報文經過篩選、分析，輸出直觀的圖表，比如將全局主節(jié)點周期發(fā)送的報文繪制在同一時間線里：

而TSN Tools強大的分析功能來源于分析器模塊，比如其內置的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報文授時過程中，TSN Box接收到的Sync、Follow_Up報文的時間差，即t4-t2（見圖 Sync-Follow_Up），此參數用來反映實際Sync-Follow_Up時間間隔的穩(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Sync報文的時間間隔，即t6-t2（見圖 Sync-Follow_Up），此參數反映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，個別波動點在130ms左右。

3、Slave Clock Wander

Slave Clock Wander表示Slave時基相對于Master時基的偏移。

這需要TSN Box和Slave節(jié)點均與Master同步；Slave節(jié)點發(fā)送Reverse-Sync，并且記錄發(fā)送時間戳t1’，在TSN Box接收到Reverse-Sync記錄接收時間戳t2’，由于Tap Delay足夠小，且TSN Box已經與Master節(jié)點同步，所以t2‘可以認為是Master時基的時間戳’；隨后Slave節(jié)點發(fā)出Reverse-Follow_Up，其中會包含t1’信息，然后Slave節(jié)點再次發(fā)送一對Reverse-Sync、Follow_Up，此時在TSN Box就有t1’、t2’、t5’、t6’四個時間戳，其中t1’、t5’是Slave時基下的時間戳，t2’、t6’是Master時基下的時間戳，兩種時基下的時間差與Master時基之比就表示Slave時基相對于Master時鐘的偏差，由于這個偏差通常比較小，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。

4、Sync Delay

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

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，僅考慮單向時為從發(fā)起端到接收端的時延，考慮雙向時為雙向時延的平均值。

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

6、Peer Delay Round Trip

Peer Delay Round Trip表示計算從PdelayRequest發(fā)出到接收到PdelayResponseFollowUp的時間差，即t6-t1（見圖 Pdelay）：

7、Forwarding Delay

Forwarding Delay指的是報文經過單個或多級交換設備轉發(fā)產生的時延，需要從TSN Box的一端接收從Master發(fā)出的報文，另一端接收經過轉發(fā)的報文，TSN Box比對兩端相同報文的接收時間戳，從而計算出轉發(fā)的時延。

四、結語

本文通過介紹TSN Tools中各個802.1AS分析器的功能及使用方法，展示了TSN Box結合TSN Tools所提供的強大的時間同步分析能力。TSN Box結合TSN Tools是應對復雜的、具有時間敏感特性的車載以太網的有效解決方案。

北匯信息作為TSN Systems公司在中國的獨家合作伙伴，借助TSN Systems公司專業(yè)的TSN網絡設備及分析軟件，能夠為下一代E/E架構中時間敏感網絡提供系統(tǒng)級測試解決方案，包括系統(tǒng)設計測試、系統(tǒng)性能測試以及系統(tǒng)魯棒性測試等。此外還提供TSN技術Workshop，其中對TSN協議族內各個子協議的解讀、行業(yè)現狀及趨勢分析、根據應用場景提出TSN網絡架構解決方案等內容，將有效地幫助客戶迎接下一代E/E架構中時間敏感網絡帶來的挑戰(zhàn)。

圖源自TSN Box手冊及TSN Tools軟件。