802.1AS-2011_Gptp协议栈

Gptp协议栈理解：

GPTP（广义时钟同步协议，或IEEE 802.1AS）的基本功能是确保局域网中所有的时钟都同步，并提供时间信息。这种协议用于在局域网中进行同步和时间对齐，其目的是确保网络中各设备的时间一致性。

总的来说，GPTP的功能可以概括为提供精确的时间同步服务，确保网络中各设备的时间一致性，以满足特定应用的需求。

Gptp协议栈是二层协议，不能连接到路由器。在OSI网络模型里，L2是MAC层，L3是IP层，我们通常见到的如交换机是L2层的转发，路由器是L3层的转发。gPTP协议是基于L2层的传播，那么就决定了一个特性，只能在局域网里传播，不能通过路由器往WAN网传输，具体的话，对于路由器来说，硬件地址会有多个，在网络传送的过程中，硬件地址会发生变化。

1. 主时钟选取

gPTP中的主时钟，既可以默认指定，也可以通过BMCA(Best Master Clock Algorithm) 动态选取。 在AutoSAR官方文档中，一般不允许使用BMCA动态选取主时钟，而是默认指定。

2.两步时钟和一步时钟：

对于两步时钟，标志位oneStepTXOper为FALSE,时间戳和纠正域等信息会在follow_up报文中携带并发送给slave

然后对于一步时钟，标志位oneStepTXOper为TRUE，所有信息会由Sync报文携带并发给slave。

两步法相对于一步法而言：在发送端，两步法不需要在消息离开时将时间戳写入消息，这可以使两步法的主时钟在硬件方面要求会低一点，可以节约成本。同时在两步时钟模式中，时间信息的产生分两步完成，这样可以兼容一些不支持给事件报文打时间戳的设备。

2.gptp协议时间同步过程：

测量时钟偏差，完成频率同步：

在实际的gPTP通信中，master会不停地发送Sync和Follow-up，slave能够测量出自己收到Sync报文的时间，即上图中的T2和T4（这个时间是以slave的本地时钟为基准的）。在每个sync报文之后，master都会发送一个follow-up报文，用来告诉slave自己发送上一条sync报文时的时间戳（以master的本地时钟为基准）。没有follow-up报文的话，slave无法Sync报文的实际发送时间，即上图中的T1和T3。有了T1、T3和T2、T4，slave就能够计算出自己的时钟频率与master之间的偏差，计算式如下图所示：

​ R =

延迟时间测量：

1.首先slave发送PDelay_Req报文，请求测量延迟时间；

2.PDelay_Req报文离开物理层时，slave利用本地时钟获得T1时间戳；

3.PDelay_Req报文到达应答方物理层，master利用本地时钟获得T2时间戳；

4.master生成一个PDelay_Resp报文并发送，将T2时间戳带给slave；

5.slave利用本地时钟可以捕获收到PDelay_Resp时的时间戳T4；

6.然后master会发送PDelay_Resp_Followup报文将T3带给slave；

这样slave就知道T1,T2,T3,T4这四个时间戳了，然后利用如下算式计算延迟时间：

​ delay =

其中R是在上面计算出的slave与master之间时钟频率的偏差。

根据计算出延迟时间和频率差异之后，slave就可以利用master不断发送的sync和follow_up报文将自己的时钟与master进行同步了。

同步方式如右图所示：

计算公式如下：

Ta = T1 + delay + (Tb-T2) * R

在上述计算式中，Tb是slave在某时刻的本地时间戳，Ta是该时刻master上的本地时间戳。同步的目的，就是根据Tb可以推算出Ta的值。在这个计算式中，slave通过sync和follow_up报文获得T1和T2，delay和R在之前的延迟时间和频率差异计算中已经获得。所以，slave能够根据本地时间戳Tb计算出master上的时间戳Ta，时间同步就实现了。

3.Gptp作为bridge原理：

gPTP规定一个局域网里只能有一个master，其他全部是slave，同时只有endpoint能参与作为时钟节点，bridge不能作为时钟节点，只能作为透明时钟。

gPTP桥节点不会去参与到grandmaster的节点竞选, 只复制消息的转发，同时由于bridge桥节点作为中间交换节点，从一个包ingress到这个包egress是有时间差的。这个时间差叫做驻留时间（residence time).

Follow-up帧里有一个correctionField字段，这个correctionField是A系统到B系统的传播延时+B系统内的驻留延时构成。C系统只能知道自己和B系统之间的传播延时，不能知道B系统和A系统之间的传播延时，所以A系统和B系统之间的传播延时必须包含在correctionField中。

有了correctionFiled的帮助，C系统就可以知道B和A系统之间的准确的时间差了。

4.时钟矫正流程：

假设下面的三个设备都是One-Step的Clock，即Sync报文发出后，不需要额外的Follow_Up报文告知Sync报文是在哪个时刻发送的

1. Grandmaster时钟在t1时刻发送时间同步报文Sync到Bridge，报文Sync的originTimestamp中填充时间信息t1，矫正域correction填充ns的小数部分（Sync报文的时间戳部分只能表示秒和纳秒，不足1纳秒的只能放在矫正域）。

2. Bridge收到Sync报文后，不仅要矫正自己的时钟，还要把Sync报文转发出去

3. Bridge根据Sync报文调整自己的时钟： Bridge在t2时刻收到Sync报文，并从中解析出Grandmaster是在t1时刻发送该报文的，以及Grandmaster填充的矫正值correction。在t2时刻，Grandmaster的时钟显示的值应该是： t1 + correction + path_delay1 由此可以计算出Bridge的时钟偏差，并调整自己的时钟： clock_offset = t1 + correction + path_delay1 – t2

4. Bridge转发Sync报文收到Sync报文后，Bridge将自己与上级节点的路径延时（path_delay1）和Sync报文在自己这里的驻留时间（residence_time）累加到Sync报文的矫正域，并转发出去。此时矫正域correction值如下： correction = old_value_of_ correction + path_delay1 + residence_time 但是Bridge不修改Sync报文的originTimestamp字段（该字段为Grandmaster发出Sync报文的时间）。

5. End-Point在t4时刻收到Sync报文，并从中解析出Grandmaster是在t1时刻发送该报文的，以及Bridge矫正后的correction。在t4时刻，Grandmaster的时钟显示的值应该是：

t1 + correction + path_delay2

由此可以计算出End-Point和Grandmaster的时钟偏差，并调整自己的时钟：

clock_offset = t1 + correction + path_delay2 – t4

即每个节点只关注自己和上级节点的传输延时，Bridge负责将中间路径的传输延时和缓存时间逐段累加到矫正域。

5.时间同步报文解析

gPTP定义有两类报文，事件类型报文（包括Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp三条）和一般类型报文（包括Follow_UP、Pdelay_Resp_Follow_UP二条）。gPTP定义设备工作在网络七层模型中的第二层数据链路层的MAC（Media Acess Control，媒介访问控制）子层。

当设备MAC层接收或发送事件类型报文时，会触发对硬件计数器进行采样，从而获得时钟振荡周期计数值，结合时钟振荡频率及基准时间，可获得此时的时间戳。而一般类型报文仅用来携带信息，不会触发内部硬件计数器的采样操作。

Ethernet Header:

Destination MAC 8bytes 固定值01:80:c2:00:00:0e,链路层广播地址

Source MAC 8bytes 具体设备地址

Type 2bytes 0x88f7为gptp

gPTP报文由3部分组成：

Header （对所有gPTP都一样）
Body （取决于gPTP 报文类型）
TLV(type length value)

Header详情:

body:取决于gPTP 报文类型messageID

报文头中的messageID标识了gPTP报文的类型，类型取值范围如下图所示：

messageID	Value
Sync	0x0
Pdelay_Req	0x2
Pdalay_Resp	0x3
Follow_up	0x8
Pdelay_Resp_Follow_up	0xA
Announce	0xB
Signaling	0xC

6.影响校时精度的因素

假设传输时延是对称的，即报文从A传到B和从B传到A耗时相同，实际情况中，路径有可能是不对称的，如下图所示，tms和tsm有可能是不相等的。这会导致校时误差。

6.1GPTP对策：

• 要求网络内的节点都是时间敏感的
• 传输延时分段测量（P2P方式）减少平均误差
• 中间转发节点可以计算报文的驻留时间，保证校时信号传输时间的准确性
• 如果已知链路不对称，可以将该值写在配置文件中，对于endpoint，在校时的时候会把该偏差考虑进去；对于bridge设备，在转发的时候，会在PTP报文的矫正域中（correctionField）把对应的差值补偿过来

6.2. 驻留时间

对于Bridge设备，从接收报文到转发报文所消耗的时间（中间可能经过缓存），称为驻留时间。该值会具有一定的随机性，从而影响校时精度。

gPTP对策：Bridge设备必须具有测量驻留时间的能力，在转发报文的时候，需要将驻留时间累加在PTP报文的矫正域中（correctionField）。

6.3. 时间戳采样点

前面提到的t1、t2、t3、t4等采样时刻的值，应该在哪里产生呢？

常规的做法是在应用层采样，如下图蓝色传输线路所示：在发送端，报文在应用层（PTP校时应用）产生后，需要经过协议栈缓冲，然后才发送到网络上；在接收端，报文要经过协议栈缓冲，才能到达接收者（PTP校时应用）。这样存在下面两个问题，而这都会影响时间同步的精度：

• 协议栈缓冲带来的延时是不固定的

• 操作系统调度导致的随机延时

6.4 传输路径延时测量方式

EEE 1588支持两种路径延时测量方式：End-to-End（E2E) 和 Peer-to-Peer（P2P)，二者不能在同一个网络中共存。

在End-to-End机制中，强调的是两个支持PTP的端点（一个master port，一个slave port）之间的延时，这两个端点可能是直接相连的，也可能中间穿插了普通的交换机、时间敏感的透明时钟（TC），在通信双方看来，信息都是在master port 和slave port之间传输，所以最终slave测量到的传输延时是从master到slave的端到端延时。

在Peer-to-Peer机制中，要求网络内所有节点必须支持P2P，所以它强调的是相邻相邻节点间的通信，最终测量的是相邻节点间的传输延时。

二者主要区别如下图所示：

• P2P测量的是相邻节点间的延时，路径测量报文不会跨节点传输，有利于网络扩展；E2E测量的是master port和slave port之间的，中间节点（如TC、普通switch）需要转发延时测量报文，网络规模较大时，报文可能泛滥，master节点压力较大。

• master节点变更时，E2E需要重新测量到新master节点的路径延时，P2P只需关心相邻节点。

• E2E方式允许网络中有普通的switch（透传PTP报文即可，由于驻留时间随机，会影响测量精度），而P2P要求网络中的switch必须全部支持P2P。

• E2E机制中，校时报文和路径测量报文是耦合在一起的（第二章第3部分描述的就是典型的End-to-End的流程，它使用Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp四个消息，同时计算时钟偏差和路径测量）；P2P机制中有独立的报文负责路径测量，把校时和路径测量解耦了。

gPTP要求使用P2P方式，并且要求网络中所有设备都支持PTP协议，路径传输延时测量只在相邻节点间进行。它使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up消息来测量路径传输延时。

注意Peer-to-Peer中没有使用Sync报文，而是专门为路径测量新建了几个报文，降低了复杂度。

• 节点A在t1时刻发送路径测量请求命令Pdelay_Req，并记录下时刻t1
• 节点B在t2时刻收到Pdelay_Req
• 节点B将t2放在报文Pdelay_Resp中，并在t3时刻将该报文发给节点A
• 节点B将t3放在报文Pdelay_Resp_Follow_Up中发给节点A
• 节点A在t4时刻收到Pdelay_Resp_Follow_Up。

至此，节点A拥有t1、t2、t3、t4四个参数。

平均路径传输延时可以通过下面的公式计算出来： path_delay = (t4 – t3 + t2 – t1) / 2

在Peer-to-Peer机制中，不仅节点A会主动发起测量请求，节点B也会主动发起测量请求，也就是说，每个节点都知道和自己紧挨着的节点的传输延时（Peer-to-Peer的名字也是这样来的）。不过有的场景下（比如固定主时钟的情况），可能会禁止master port进行路径测量。

7.系统对于硬件时钟的支持：

ethtool -T eth0:

1. 软件时间戳需要包括参数

      SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARESOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARESOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE  
   

2. 硬件时间戳需要包括参数

    SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARESOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARESOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARESOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE  
   

3. 硬件时间戳需要包括参数

    SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARESOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARESOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE