基于TSN 802.1AS协议的时间同步分析（7种延时，1次厘清）

一、前言

往期的时间同步——802.1AS协议介绍一文向大家介绍了802.1AS协议的基本内容，基于时间同步协议就能实现主节点与各从节点的时间同步，但是如何评价时间同步的优劣呢？这就需要我们通过一些时间同步的参数进行分析。

 

本文将借助TSN Systems公司的专业TSN网络分析及测量工具TSN Box以及TSN Tools，（其中TSN Box是网络的硬件接口，作为TAP（Test Access Point）时，能够监测单条链路的报文；TSN Tools是对TSN网络通讯数据进行分析和可视化的软件工具。），从时间同步分析的角度，介绍常用的时间同步参数以及在TSN Tools软件中对应的分析器工具。

 

二、时间同步机制

在介绍具体的时间同步参数之前，先来回顾一下802.1AS中保证时间同步的两个机制：Sync（本文基于“两步法”讨论，即全局主节点发送Sync报文之后，再发送一帧Follow Up报文）以及Pdelay机制。前者使得从节点接收到全局主节点时钟，后者使得每个节点能计算出相邻链路的延迟，二者结合起来实现时间同步。

 

1、Sync

 

 

全局主节点周期性地发Sync报文，并且在随后的Follow Up报文中附带上之前Sync报文发送的精确时间戳；所有从节点记录下接收到Sync报文的精确时间戳（基于本地时钟），再结合之后的Follow-Up报文中包含的精确时间戳（基于全局主节点时钟），结合下面介绍的路径延时，就能计算出本地时钟相对于全局主节点时钟的偏移。

 

2、Pdelay

 

 

Pdelay机制分为发起端和接收端，任意一个节点都可以是发起端或接收端，也就是说，全局主节点可以是接收端，从节点也可以是发起端。

 

Pdelay发起端发送Pdelay_Req报文，发起端同时记录下发送的精确时间戳t1；而Pdelay接收端收到Pdelay_Req报文后，记录下接收的精确时间戳t2；然后Pdelay接收端发送Pdelay_Resp报文，其中包含t2这一信息，同时记录下发送的精确时间戳t3；随随后Pdelay接收端再发送包含t3时间信息的Pdelay_Resp_Follow_Up报文，这样发起端获得t1、t2、t3和t4四个时间戳信息，就能计算出发起端至接收端的平均链路延时。

 

三、TSN Box与TSN Tools时间同步分析器

TSN Box是网络硬件接口，作为TAP设备时串联进单一链路中，监测双向的通信。需要说明的是配置为TAP的TSN Box向上位机的TSN Tools提供测量数据时，会引入大约1.5μs ±10 ns的延时，详见罗德与施瓦茨公司和TSN Systems公司为车载以太网提供纳秒级精度测量一文。TAP的基本拓扑如下图所示：

 

 

TSN Tools是网络分析、可视化的软件，可以将TSN Box捕捉到的报文经过筛选、分析，输出直观的图表，比如将全局主节点周期发送的报文绘制在同一时间线里：

 

 

而TSN Tools强大的分析功能来源于分析器模块，比如其内置的802.1AS分析器 ，下面就逐一介绍这些分析器的功能：

 

 

1、Sync-Follow_Up Delay

 

图 Sync-Follow_Up

 

Sync-Follow_Up Delay表示，在一次Sync报文授时过程中，TSN Box接收到的Sync、Follow_Up报文的时间差，即t4-t2（见图 Sync-Follow_Up），此参数用来反映实际Sync-Follow_Up时间间隔的稳定性。

 

下图是TSN Tools使用Sync-Follow_Up Delay分析器的效果：

 

 

可以看到Sync-Follow_Up Delay基本稳定在10ms，少量波动在-250μs~+750μs范围。

 

2、Inter-Sync Arrival Delay

Inter-Sync Arrival Delay表示TSN Box接收到相邻两个Sync报文的时间间隔，即t6-t2（见图 Sync-Follow_Up），此参数反映Sync发送周期的稳定性。

下图是TSN Tools使用Inter-Sync Arrival Delay分析器的效果：

 

 

可以看到Inter-Sync Arrival Delay在131ms±333μs范围波动，个别波动点在130ms左右。

 

3、Slave Clock Wander

Slave Clock Wander表示Slave时基相对于Master时基的偏移。

 

 

这需要TSN Box和Slave节点均与Master同步；Slave节点发送Reverse-Sync，并且记录发送时间戳t1’，在TSN Box接收到Reverse-Sync记录接收时间戳t2’，由于Tap Delay足够小，且TSN Box已经与Master节点同步，所以t2‘可以认为是Master时基的时间戳’；随后Slave节点发出Reverse-Follow_Up，其中会包含t1’信息，然后Slave节点再次发送一对Reverse-Sync、Follow_Up，此时在TSN Box就有t1’、t2’、t5’、t6’四个时间戳，其中t1’、t5’是Slave时基下的时间戳，t2’、t6’是Master时基下的时间戳，两种时基下的时间差与Master时基之比就表示Slave时基相对于Master时钟的偏差，由于这个偏差通常比较小，所以在TSN Tools中以每秒偏差多少纳秒的形式显示：

 

 

可以看到Slave Clock Wander在±100ns范围波动。

 

4、Sync Delay

Sync Delay表示TSN Box接收到Sync报文的时间戳与Follow Up报文中包含的Sync发送时间戳之差，这里假定Master与TSN Box之间的物理连接线束长度很小，此时引入的链路延时大约是纳秒级，则Sync Delay能够反映Master节点记录发送时间戳的能力。

 

可以看到Sync Delay大约在840±40ns范围：

 

 

5、Propagation Delay

 

图 Pdelay

 

Propagation Delay即Pdelay也就是单一链路延迟，仅考虑单向时为从发起端到接收端的时延，考虑双向时为双向时延的平均值。

 

可以看到Propagation Delay大约在2825ns±25ns范围。

 

 

6、Peer Delay Round Trip

Peer Delay Round Trip表示计算从PdelayRequest发出到接收到PdelayResponseFollowUp的时间差，即t6-t1（见图 Pdelay）：

 

 

7、Forwarding Delay

Forwarding Delay指的是报文经过单个或多级交换设备转发产生的时延，需要从TSN Box的一端接收从Master发出的报文，另一端接收经过转发的报文，TSN Box比对两端相同报文的接收时间戳，从而计算出转发的时延。

 

 

四、结语

本文通过介绍TSN Tools中各个802.1AS分析器的功能及使用方法，展示了TSN Box结合TSN Tools所提供的强大的时间同步分析能力。TSN Box结合TSN Tools是应对复杂的、具有时间敏感特性的车载以太网的有效解决方案。

 

北汇信息作为TSN Systems公司在中国的独家合作伙伴，借助TSN Systems公司专业的TSN网络设备及分析软件，能够为下一代E/E架构中时间敏感网络提供系统级测试解决方案，包括系统设计测试、系统性能测试以及系统鲁棒性测试等。此外还提供TSN技术Workshop，其中对TSN协议族内各个子协议的解读、行业现状及趋势分析、根据应用场景提出TSN网络架构解决方案等内容，将有效地帮助客户迎接下一代E/E架构中时间敏感网络带来的挑战。

 

图源自TSN Box手册及TSN Tools软件。