IEEE 1588协议应用的网络影响分析

刘继光 张彬彬 李乃振

（中国人民解放军92493部队 辽宁 葫芦岛 125001）

IEEE 1588协议应用的网络影响分析

刘继光 张彬彬 李乃振

（中国人民解放军92493部队 辽宁 葫芦岛 125001）

IEEE1588协议作为新一代时间同步技术，采用IP网络作为时钟信息传输路径，通过2个时钟之间延时测量，计算并修正时间偏差，因而协议应用与网络环境密切相关。从介绍协议基本原理出发，分析了网络影响修正时间偏差的主要机理。之后重点分析了网络拓扑对时间同步链路时延的一致性影响，网络设备对时间同步链路时延计算准确性的影响程度，以及网络运行情况对时间同步链路时延稳定性的影响。

精度时间协议 时间同步 网络

1 引言

为了解决以太网环境下测量和控制应用的分布式定时同步需要，在IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）支持下，网络精密时钟同步委员会起草了IEEE 1588协议并获批准。IEEE 1588协议全称为“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，也简称PTP（Precision Timing Protocol）协议，经过不断发展完善协议目前已发展到V2版本[1]。随着PTN和OTN等为代表的网络技术与传输技术不断融合，以太网已经逐渐从局域组网发展成广域组网的重要手段，这使得IEEE 1588协议应用范围不断地扩大[2]。与已有的时间同步技术如NTP等相比，IEEE 1588协议具有配置容易、快速收敛、精度高以及对网络带宽和资源消耗少等特点，但IEEE 1588协议作为一种特殊的网络协议，其应用效果与网络环境密切相关，不同网络条件下协议实现的时间同步精度差异较大。

2 IEEE 1588协议基本原理

IEEE 1588协议核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，周期性的时钟发布，利用网络链路的对称性和延

时测量技术，实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的同步。IEEE 1588协议实现的基本原理是通过一个同步信号，周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步。这个同步信号以网络报文的方式传播，既可以是组播方式，也可以是单播方式[3]。IEEE 1588协议实现时间同步的基本过程如图1所示。

图1 IEEE 1588协议时间同步过程示意图

从时钟设备通过与主时钟设备之间交互过程，计算出于与主时钟设备的偏差及线路延迟，从而完成时间同步：

①主时钟设备发送IEEE 1588协议的Sync消息给从时钟设备，Sync消息包含该消息离开本节点的估算时间。同时Sync消息作为一个事件，通知发送消息的网络端口（支持IEEE 1588协议）根据事件发生时本地时钟计数器值，产生一个时间戳T1，作为消息离开主时钟设备的精确时间；

②主时钟设备发送IEEE 1588协议的Follow_Up消息给从时钟设备，Follow_Up消息包含了前一个Sync消息离开主时钟设备时的精确时间T1；

③从时钟设备收到Sync消息后，记录下Sync消息到达网络端口（支持IEEE 1588协议）的时间戳T2；之后，从时钟设备收到Follow_Up消息之后记下Sync消息离开主时钟设备时的精确时间T1；

④收到Sync消息后，从时钟设备发送IEEE 1588协议的Delay_Req消息给主时钟设备，Delay_Req消息同样作为事件通知发送消息网络端口的产生一个消息离开的时间戳T3，从时钟设备记录下T3；

⑤主时钟设备收到Delay_Req消息，记录下Delay_Req消息到达网络端口端口的时间戳T4，并通过Delay_Resp消息把T4发给从时钟设备。此时，从时钟设备掌握了Delay_Req消息的发送时刻T3和接收时刻T4，及Sync消息的发送与接收时间。经过上述时间戳消息应答过程之后，可得到如下的计算公式

主从之间时间差A=Offset＋MS_Delay=T2－T1；

从主之间时间差B=SM_Delay－Offset=T4－T3。

式中，Offset表示从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏差；MS_Delay表示主-从之间链路时延；SM_Delay则表示从-主之间链路时延。如果IEEE 1588协议运行在对称网络，则可认为MS_Delay与SM_Delay相等，那么从时钟设备可以得出：

Offset=（A－B）/2

MS_Delay=SM_Delay=（A＋B）/2

通过不断与主时钟设备之间进行IEEE 1588协议消息交互，从时钟设备端可以根据计算出的Offset修正本地时间值，从而使本地时间与主时钟设备时间同步，因此主从时钟之间同步精度取决于二者之间时间偏差Offset计算精度。在原理上，Offset计算精度同MS_Delay和SM_Delay两个链路时延，以及T1等4个时间戳相关。

3 网络因素应用影响分析

在原理上IEEE 1588协议始于以太网应用，协议明确了达到最佳的时钟同步性能的网络假设：包括子网内主从时钟的延迟恒定、子网内主从时钟之间的网络延迟是对称的及网络必须支持组播等。为实现亚微秒级时间同步，IEEE 1588协议采用了在端口上硬件打时间戳，提高时钟晶振的固有稳定性等方法，保证了主、从时钟设备时间戳信息的高精度。但当IEEE 1588协议应用于更大规模的网络，由于IP技术的存储转发机制，网络应用环境的差异使得2个时延值的实际情况出现更多的不确定性，从而对主、从时钟设备之间的时间同步效果带来直接影响。

3.1 一致性影响

主从之间链路时延和从主之间链路时延之间具有很好的一致性是IEEE 1588协议应用的理想条件，可以较好保证主、从时钟设备之间时间同步。但在大型网络环境中，为实现资源有效利用和路由冗余备份，网络拓扑结构往往比较复杂，容易造成IEEE 1588协议消息传递路径的多样化。在网状结构情况下，不合理的路由策略配置，可能导致主时钟设备发送到从时钟设备消息与从时钟设备返回到主时钟设备消息经过不同的路径，而不同路径由于传输介质（如光纤传输和卫星通信等）、网络设备类型和数量（如交换机和路由器）等物理原因造成往返时延值的差异。

在网络因素中，对2个时延值一致性影响较大的网络拓扑结构（包括其中路由策略等）。网络拓扑结构主要影响在于：①能否抑制IEEE 1588协议消息循环转发，即在同一路由路

径内，使用生成树等协议，避免在每条路径内循环转发协议消息；在不同路由路径之间，要避免协议消息的循环转发；②能否最大限度地降低消息传输路径的不对称性，即主从之间和从主之间的链路差异。从拓扑结构本身来着看，以一点为中心的星型或树型结构，主时钟设备一般部署于网络中心，主、从时钟设备之间仅有单条消息传递路径，可以最好的抑制消息循环转发，比较有利于IEEE 1588协议的应用；而网状结构，主、从时钟设备之间存在多条消息传递路径，必须要要根据时间精度的要求，合理的设计网络结构、规划网络路由来最小化传递路径不对称造成的影响。

3.2 准确性影响

为确保时间同步精度，IEEE 1588协议应用的理想条件是时间信息传输路径全程支持该协议，也就是协议消息在主时钟设备与从时钟设备交互过程中，经过的所有端口（高速以太网接口）都必须支持该协议的报文解析和硬件打时间戳等功能[4,5]，使得时间信息在传递过程中能够保持全程高精度，从而有效保证主、从时钟设备在计算时间偏差计算和修正的准确性。为此IEEE 1588协议对传输路径上支持协议的各类设备进行了规范，定义了普通时钟（Ordinary Clock，OC）、边界时钟（Boundary Clock，BC）和透明时钟（Transparent Clock，TC）等设备时钟属性[6]。OC设备只能接收时间，用于整个网络的时间源或时钟宿，不能同时作为主时钟和从时钟。BC设备相当于时间中继器，既可以恢复时钟，又可以作为时钟源往下游传递时钟，对应处于中间位置的网络节点。TC设备自身不恢复时间和频率，只对IEEE 1588协议报文做延时修正，TC设备对应网络中仅需配合处理IEEE 1588协议V2版本报文，自身不需恢复时钟的设备。

因此在网络因素中，各类设备的协议支持能力对2个时延值准确性影响较大。在大型网络规模中，主时钟设备与从时钟设备之间的交互要通过不同数量和类型的设备，包括传输设备、网络设备以及安全设备等。虽然各类设备都可以采用高速以太网端口连接，但目前不同设备对IEEE 1588协议的支持程度却差异较大。目前在传输设备上，传统的SDH设备不支持IEEE 1588协议，正在快速发展的PTN设备则支持该协议；在网络设备上，各制造商的早期产品不支持IEEE 1588协议，但近年来均推出了支持该协议的产品，如华为公司的NE-40E系列路由器、C9300系列交换机等；在安全产品中，有影响的主要是串接在网络中的安全防护设备，常见的包括网络防护墙、PTN和IPS等，目前尚没有支持IEEE 1588的产品。

为了解各类设备对IEEE 1588协议应用的影响程度，通过在主时钟设备与从时钟设备之间串接不同类型网络设备、传输信道及安全保密设备之后测试时间同步精度，可以发现常见设备影响程度，如表1所示。

表1 常见设备影响程度

3.3 稳定性影响

在IEEE 1588协议应用中，主、从时钟设备之间进行周期性的时间同步，同步过程中通过计算时间偏差和传输延时来修正从时钟设备。由于时钟设备晶振稳定性很高，一般情况下主、从时钟设备的时间偏差很稳定，如果周期性同步过程中的传输延时值也较稳定，则有利于提高从时钟设备同步效果。但作为一种网络应用层协议，IEEE 1588协议消息与其他各类应用协议报文一起在网络中传播，由于各种原因引起的网络丢包和拥塞等问题，都可能导致IEEE 1588协议消息传输时延值的抖动和偏差，从而会降低时间信息的传输精度。

因此网络因素中，网络运行性能对2个时延值稳定性影响较大。网络运行性能主要影响在于：①能否保障IEEE 1588协议消息的服务质量。在支持IEEE 1588协议的网络设备中自动优化了协议消息的处理与转发机制，使其优先于所有应用层协议报文；在不支持协议的网络中配置Qos策略，将IEEE 1588协议消息传输优先级设置为高于其他数据，确保在网络状态异常时协议消息传输质量；②能否保障传输路径性能指标，即通过合理规划网络流量，优化协议消息传递路径的负载流量，使其最小化和平衡化，降低丢包率和时延抖动，从而提高主、从时钟设备之间传输时延的稳定性。

4 结束语

随着信息技术快速发展，IEEE 1588协议提供的高精度网络时间同步精度能力正逐步从通信、电力和控制等领域向更大范围推广应用。通过上述分析，应用IEEE 1588协议能否达到预期的时间同步精度，与协议应用的实际网络环境密切相关，其效果受各种网络因素的影响。因此，应当将IEEE 1588协议应用与网络建设规划紧密结合起来，从而得到协议应用的最佳效果，提供网络整体能力。

[1]孔令彬,文赫胜,陈向文.IEEE 1588精确时间同步关键技术研究[J].计算机测量与控制,2010,10(8):1585-1586.

[2]胡昌军,徐一军,汪建华.时钟同步技术的发展前景[J].电信网技术,2010(10):58-61.

[3]李晓珍,苏建峰.基于IEEE 1588高精度网络时钟同步的研究[J].通信技术,2011,44(3):105-107.

[4]周国平,周磊.IEEE 1588时间同步误差的研究[J].山西电子技术,2012(2):94-96.

[5]陈东.IEEE 1588协议及其在路由交换平台中的实现技术[J].信息安全与通信保密,2011(7):54-56.

[6]王相周,陈华婵.IEEE 1588精确时间协议的研究与应用[J].计算机工程与设计,2009,30(8):1846-1849.

Analysis on Influence of IEEE1588 Protocol Applied in Network

LIU Ji-guang,ZHANG Bin-bin,LI Nai-zhen
(Unit 92493,PLA,Huludao Liaoning 125001,China)

As a new generation of time synchronization technology,IEEE1588 protocol uses the IP network as the time information transmission path,calculates and corrects the time deviation by means of delay measurement between two clocks.As a result,the protocol application is closely related to the network environment.This Paper firstly introduces the basic principle of protocol,and analyzes the main mechanism of influence of network on correction of time deviation.And then,this paper emphatically analyzes the influence of network topology on the consistency of time synchronous link delay,the influence degree of network equipment on the calculation accuracy of time synchronous link delay and the influence of network operation condition on the stability of time synchronous link delay.

precision time protocol;time synchronization;network

TP393.1

A

1008-1739（2014）18-62-4

定稿日期：2014-08-26