【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？因為1個概念：硬件時間戳。因為由IEEE 1588-2008定義的精確時間協(xié)議（PTP）通過在主時鐘和從時鐘之間交換信息來工作。

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

偏移 = (t2 + t3 – t1 – t4) /2

問題

然而，有一個陷阱（問題）。該方程假定信息從主站到從站所需的時間（正向延遲）與信息從從站到主站所需的時間（反向延遲）相同。如果這些延遲很大也沒有問題，只要它們是相同的。正向和反向延遲的任何差異都會導(dǎo)致在確定主時鐘和從時鐘之間的差異時出現(xiàn)錯誤。

為什么正向和反向的延遲會不同？這主要是由于所有那些討厭的“隊列”。路由器里有隊列，交換機里有隊列，甚至終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)堆棧里也有隊列。通常情況下，信息在隊列中花費的時間很少，但有時它們在等待交換機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，以便它能獲取時間戳。在某些情況下，延遲可能相當(dāng)長，幾微秒，甚至是毫秒。因此，很明顯，如果這種情況發(fā)生在一個方向，而不是另一個方向，那么，這就有一個很大的時間傳輸錯誤。

硬件時間戳

Hardware timestamping

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

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

這種延遲測量機制被稱為 “端對端E2E “延遲測量機制。事實證明，PTP有一種替代性的延遲測量機制，稱為 “對等P2P “延遲機制。關(guān)于這兩種延遲機制的描述，我們將在下期文章中介紹。

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