gPTP時(shí)間同步流程介紹

gPTP時(shí)間同步流程

gPTP時(shí)間同步流程可以按照如下先后順序來(lái)進(jìn)行，彼此之間存在依賴(lài)關(guān)系：

1. 最佳主時(shí)鐘選擇原理

在gPTP時(shí)間同步協(xié)議中可能在同一域內(nèi)存在多個(gè)可用的全局時(shí)間源，就需要通過(guò)一種方式來(lái)選擇全局最佳主時(shí)鐘，這種方法被稱(chēng)為Best Master
Clock Algorithm，簡(jiǎn)稱(chēng)BMCA算法。

系統(tǒng)上電之后，所有設(shè)備都可以通過(guò)一條報(bào)文來(lái)參與主時(shí)鐘的競(jìng)選，報(bào)文中包含各個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘信息，每個(gè)設(shè)備都會(huì)主動(dòng)比較自身與其他節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的信息，競(jìng)選失敗的將退出，如此反復(fù)，直至最后選擇最佳主時(shí)鐘。

針對(duì)車(chē)載以太網(wǎng)，無(wú)需通過(guò)考慮最佳主時(shí)鐘選擇，車(chē)載以太網(wǎng)屬于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，均已提前設(shè)定好。

2. 頻率同步原理

我們知道主從時(shí)鐘底層都是通過(guò)晶振驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)，但是不可避免的是晶振會(huì)受到外部溫度，老化等因素影響進(jìn)而產(chǎn)生時(shí)鐘偏移。

因此為了更為精確地保證主從時(shí)鐘的同步，因此需要將主從時(shí)鐘之間的晶振頻率差異考慮在內(nèi)，進(jìn)而解決主從端口晶振精度不準(zhǔn)帶來(lái)的時(shí)間同步誤差。

計(jì)算方法如下圖3所示：

圖3 主從時(shí)鐘頻率同步測(cè)量原理

基于圖3中的兩個(gè)周期性的sync報(bào)文與follow-up報(bào)文，其中followup報(bào)文傳輸?shù)氖莝ync報(bào)文在主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳，考慮主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)對(duì)于總線傳輸?shù)难訒r(shí)都是固定的，T1，T2，T3，T4都是物理層獲取的時(shí)間戳，因此主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差可以通過(guò)如下公
式來(lái)體現(xiàn)：

頻率同步計(jì)算公式

3. Path延時(shí)時(shí)間測(cè)量原理

從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)為了能夠跟主時(shí)鐘同步，除了上述主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率偏差帶來(lái)的差異外，還存在一個(gè)非常重要的延時(shí)即以太網(wǎng)總線傳輸延時(shí)需要進(jìn)行精確測(cè)量，才能夠保證時(shí)間同步的精度，測(cè)量原理如下圖4所示：

圖4 gPTP延時(shí)時(shí)間測(cè)量原理

注意，Pdelay_Req報(bào)文發(fā)起方既可以是Time Master也可以是Time Slave，本文只不過(guò)以Time Slave為例。

延時(shí)時(shí)間Pdelay time的測(cè)量具體步驟如下：

S1：Time Slave節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Req報(bào)文，Time Slave節(jié)點(diǎn)記錄該報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳T1；

S2：Time Master記錄MAC層收到Pdelay_Req報(bào)文的時(shí)間戳T2；

S3：Time Master將上述T2時(shí)間通過(guò)Pdelay_Resp報(bào)文發(fā)送至Time Slave，同時(shí)Time
Master記錄發(fā)送該報(bào)文的時(shí)間戳T3，Time Slave記錄收到該報(bào)文的時(shí)間戳T4；

S4：Time Master將上述T3時(shí)間通過(guò)Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文發(fā)送至Time Slave，當(dāng)Time
Slave收到該報(bào)文時(shí)便知道了T1，T2，T3，T4時(shí)間戳；

考慮到主從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘頻率偏差以及主從時(shí)鐘之間的延時(shí)對(duì)稱(chēng)原理，因此Pdelay time的計(jì)算方法如下所示：

Pdelay計(jì)算公式

值得注意的是上述公式中如果主從時(shí)鐘頻率一致，那么此時(shí)P=1。

4. 時(shí)間同步原理

基于上述計(jì)算出來(lái)的總線延時(shí)時(shí)間Pdelaytime以及主從時(shí)間頻率的比值，也被稱(chēng)為NeighborRateRatio，那么便可以完成從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與主時(shí)鐘之間的同步，其同步原理如下圖5所示：

圖5 gPTP時(shí)間同步原理

如上圖5所示，基于gPTP的時(shí)間同步協(xié)議通過(guò)SYNC報(bào)文與FollowUp報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，同步流程如下：

S1：Time Master發(fā)送SYNC報(bào)文，該報(bào)文如果是單步模式，那么就需要攜帶T1時(shí)間戳信息，如果是雙步模式，該報(bào)文無(wú)需發(fā)送任何有效信息；

S2：Time Slave收到SYNC報(bào)文之后，MAC層會(huì)記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的時(shí)間戳T2；

S3：若基于雙步模式，Time Master再發(fā)送Follow up報(bào)文，該報(bào)文中攜帶著SYNC報(bào)文外發(fā)時(shí)刻的時(shí)間戳T1;

基于上述流程，我們便可以得到從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步關(guān)系，設(shè)某時(shí)刻Time Master的全局時(shí)間為T(mén)6，對(duì)應(yīng)此時(shí)刻的Time Slave本地時(shí)間為T(mén)5，因此時(shí)間同步關(guān)系如下：

其中Pdelay time通過(guò)上述延時(shí)時(shí)間測(cè)量過(guò)程得到，最終得到的Time Master與Time Slave的同步時(shí)間關(guān)系。

注意：gPTP時(shí)間同步過(guò)程可分為單步模式與雙步模式，單步模式（onestep）對(duì)以太網(wǎng)PHY硬件要求較高，需要能夠精準(zhǔn)獲取發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間，因此普遍采用雙步模式來(lái)完成時(shí)間同步，以便降低集成難度。

對(duì)于AUTOSAR規(guī)范中定義的gPTP時(shí)間同步協(xié)議而言，默認(rèn)采用雙步模式（two step）。