gPTP介绍

　　802.1AS通用精确时间协议gPTP（Generalized Precision Time Protocol），将为汽车、工业自动化控制等领域实现精确时间的测量。

　　1. 基本构成

　　在802.1AS中，时间同步是按照“域”（domain）划分的，包含多个PTP节点。在这些PTP节点中，有且仅有一个全局主节点（GrandMaster PTP Instance），其负责提供时钟信息给所有其他从节点。

　　PTP节点又分为两类：PTP End Instance（PTP端节点）和PTP Relay Instance（PTP交换节点）。其中：

• PTP End Instance或者作为GrandMaster，或者接收来自GrandMaster的时间同步信息；
• PTP Relay Instance从某一接口接收时间同步信息，修正时间同步信息后，转发到其他接口。

　　2. GrandMaster的选取

　　GrandMaster的选取除了手动设置以外，可以通过比较每个PTP节点的属性，自动选出GrandMaster，这一策略就是BMCA（Best Master Clock Algorithm）。在BMCA建立的过程中，首先各个PTP节点将自身时钟属性（比如时钟源）、接口信息放入Announce报文中，并发送给gPTP域内所有节点，之后PTP节点比较自身与接收到的时钟属性，优先级高的PTP节点自动成为GrandMaster。

　　3. 802.1AS测量过程

　　为了实现从节点本地时钟与GrandMaster时钟同步，需要考虑三个因素：

• 时钟频率误差；
• 链路延迟；
• 驻留时间。

　　1)时钟频率误差

　　802.1AS为了消除这种误差，采用累积计算相邻节点时钟频率的比值（NeighborRateRatio）的方式，实现将本地时基（Local Clock Timebase）换算成（GrandMaster Timebase）。

　　双步模式，Follow Up报文传输前面SYNC报文的物理层发送时间戳。

　　于是，Slave节点能够得到4个时间戳：T1-T4。于是可以计算出两个时钟的频率比。

　　neighborRateRatio= (T3-T1)/(T4-T2)

 

　　2）链路延迟测量

　　802.1AS中测量链路延迟采用P2P测量机制（Peer-to-Peer delay Mechanism），假设链路往返延迟一致（链路具有对称性），通过测定四个精确时间戳，计算得出一段链路上的链路延迟（MeanLinkDelay）。

　　

　　

• 对于一段链路，存在两个PTP节点，其中Peer delay initiator（发起者）会主动发出Pdelay_Req报文，接收Pdelay_Req报文的节点称为Peer delay responder（响应者）；
• 在initiator端会记录Pdelay_Req报文实际的发出时间戳t1，在responder端会记录报文实际的接收时间戳t2；
• responder在接收到Pdelay_Req后会回复Pdelay_Resp报文给initiator，这个报文会包含t2这一信息；
• 在responder端会记录Pdelay_Resp发送时间戳t3，在initiator端会记录接收时间戳t4；
• responder端会在Pdelay_Resp之后在发送一个Pdelay_Resp_Follow_Up报文给initiator，以包含信息t3；
• 至此，在initiator端有t1、t2、t3、t4四个精确时间戳，通过计算t2-t1和t4-t3就能得到这一链路两个方向（i->r、r->i）传播的用时（tir、tri），再对其求均值，就能得到这一链路延迟（MeanLinkDelay）；
• 对于进行P2P测量的双方节点会交替作为initiator，从而都能获得该链路延迟（MeanLinkDelay）。

　　使用P2P测量机制，就能得到gPTP域中每一段链路延迟，在实际进行同步过程中，PTP Relay Instance会将从GrandMaster开始的链路延迟累积记录在Follow_Up报文中的correctionField中，再转发出去；同时，对非对称误差的修正（通过测定后，手动设置参数修正），也放在correctionField中。

　　于是，initiator端可以得到四个时间：t1,t2,t3,t4。单向链路延迟计算公示如下（假设slave为initiator端）：

　　

 

　　3）驻留时间

　　驻留时间由PTP Relay Instance引入，指的是报文停留在Relay中的时间。想要消除其带来的影响相对简单，就是在转发出的Follow_Up报文中的correctionField中记录这一驻留时间，其他PTP节点收到该报文，就能计算得出正确的时间偏移。

　　4. 同步原理

 

　　在slave中，我们已经有Pdelay time，T1，T2时间，则master的T6时间应该是slave节点的T5，两者之间可以通过以下公示表示：

 

　　如果加上relay节点（交换机）的驻留时间。

　　则需要加上两个Pdelay time，以及Bridge上的residence time。

　　5. 包类型

　　gPTP包类型：Sync,Follow_up,Pdelay_Req,Pdelay_Resp,Pdelay_Resp_Follow_Up, Announce,Signaling。　如下图所示。

　　其中前5个类型的包，在上述过程都已经涉及到，在此不再赘述。下面介绍一下Announce和Signaling。

　　Announce：gPTP的主时钟选择机制是“最佳主时钟算法（BMCA）”。选择算法启动时，所有可以成为主时钟的端点都会参与竞争。要启动BMCA算法，所有端点都通过发送Announce报文来宣告自己的能力。各个端点比较自己与其他端点的相关字段值，胜出者作为主时钟端点。但车辆是一个封闭的网络，不会出现节点总变化的情况，所以车载应用中，主时钟往往都是固定的，比如网关。

　　Signaling: 在实现节点同步之前，各个PTP节点通过Signaling报文协商计算NeighborRateRatio的间隔、计算MeanLinkDelay的间隔等信息； 主要传送非时间关键流。

　　6. 模拟实现

　　从Inet4版本后开始支持TSN功能。通过Omnet和Inet组件模拟。

　　1）模拟方法

　　实验环境：Omnetpp 6.0.2 、Inet4.4。

　　文件位置：/inet/showcases/tsn/timesynchronization/gptp/omnetpp.ini

　　实验拓扑中有一个tsnClock、一个tsnSwitch和两个tsnDevice，具体如下：

　　2）模拟结果

　　通过模拟，可以观察到包的发送情况。具体如下：

　　 可以看到：gPTP协议通过节点相互发送GptpPdelayReq、GptpPdelayResp、GptpPdelayResFollowUp确认各个链路的Pdelay值。然后再周期性发送GptpSync和GptpFollowUp进行时间同步。大家还可以深入到包内容去看一下correctionField值，在此不再延伸。

　　最终得到时钟同步效果如下图所示：

　　

　　7.总结

　　本文介绍了gPTP的原理、包类型，并且通过模拟观察到同步过程。

　　8.参考资料

　　[1]"Precision Time Protocol (gPTP) Explained in 5 minutes "   url: https://youtu.be/3vsO4Ndv-9M?si=Fxuamm7r1mnBquk7

　　[2] “车载以太网时间同步之EthTsync”   url:https://zhuanlan.zhihu.com/p/627420984

　　[3] “时间同步—TSN（Time Sensitive Network-时间敏感网络）协议802.1AS介绍”  url：https://zhuanlan.zhihu.com/p/336741458

　　[4] "using gPTP"  url: https://inet.omnetpp.org/docs/showcases/tsn/timesynchronization/gptp/doc/index.html