PTP網絡非對稱時延抖動修正算法設計與分析

余學鋒，張開維，秦項乾

(中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰 714200)

0 引言

在常規武器靶場，統一的時間頻率基準是確保測量控制設備同步精確工作的重要保證。隨著靶場局域網的不斷完善，通過局域網實現遠程時間頻率參數傳遞及測試成為可能。目前較為成熟的方法就是基于IEEE1588精密時鐘協議(PTP)，通過網絡將主時鐘時間信息傳遞給遠端從時鐘，一方面為測試設備提供時間信息，另一方面完成對自主守時裝置的時間同步測試(校準)。然而現有的PTPV2方法是基于兩點假設，一是局域網中的網絡交換機支持IEEE-1588v2協議，也就是說要具備PTP報文優先轉發、鏈路時延補償等協議功能。二是局域網中主時鐘到從時鐘的路徑延遲與從時鐘到主時鐘的路徑延遲相等且鏈路時延通常不會發生抖動。而靶場實際情況是局域網中的交換機為普通交換機，不支持IEEE-1588v2協議。因此在網絡報文傳輸中由于網絡傳輸阻塞的不確定性會造成鏈路報文傳輸非對稱時延及抖動(PDV)，通常達幾百微秒級，而靶場授時及測量精度要求為百納秒級別，因此必須解決網絡傳輸非對稱時延抖動的問題。

關于PTP協議網絡傳輸非對稱延時抖動抑制方法，許多學者做了大量的工作。文獻[1]提出了最小排隊轉發時延估計算法；文獻[2]提出了采用能夠記錄報文時間戳的交換設備對其固有延時時間進行修正方法；文獻[3]提出一種基于網絡區分服務調度模型的同步報文路徑延時誤差修正方法；文獻[4]提出了報文時延分布參數估計方法；文獻[5-7]等也都提出了一些很好的方法。但這些方法中有的需要交換機硬件支持，有的需要對交換機進行優先級設置，有的需要在PTPV2協議傳輸機制中額外增加專門檢測報文，有的只是在實驗室環境下的性能仿真驗證結果。為此，本文提出了采用二級過濾的先進增強時間恢復算法，利用從端接收報文之后，對所有的報文進行算法過濾估值計算，確保收到的不同PDV數據為統一穩定的時間值。當網絡傳輸出現高流量負荷、擁塞而導致的非對稱時延抖動時也能恢復出精準時鐘，并且在實際普通交換機網絡中對算法性能進行測試。

1 PTPV2報文傳輸模型

PTPV2的基本原理是主從時鐘之間周期性交換帶有時間戳的報文，從時鐘根據時間戳信息計算出路徑時延以及主從相位差，進而校正從時鐘的時間相位偏差。

設從時鐘相對于主時鐘的初始時間相位偏差為δ，PTPV2采用主從層次結構(雙向報文交換)，協議引擎為端對端(E2E)延時測量機制。在同步開始時，主時鐘端在t1時刻向從時鐘端發送SYNC報文，同時將SYNC報文的發送時刻t1通過跟隨報文FOLLOW_UP發送給從時鐘端。從時鐘端記錄SYNC報文的接收時刻t2，t2=t1+d1+δ,其中d1為端對端(E2E)延時測量機制下的主時鐘端到從時鐘端網絡延時。

從時鐘在t3時刻向主時鐘發送延時請求報文DELAY_REQ，主時鐘端記錄收到DELAY_REQ報文的時刻t4，t4=t3-δ+d2，d2為端對端(E2E)延時測量機制下的從時鐘端到主時鐘端網絡延時。然后將時間t4通過延時響應報文DELAY_RESP發送至從時鐘。這樣在每個同步周期，從時鐘端就可得到4個時間戳信息t1、t2、t3、t4。根據這四個時間信息，同步系統程序可分別計算出主時鐘到從時鐘的鏈路時延、從時鐘到主時鐘的鏈路時延、平均鏈路時延以及主從時鐘偏移。

2 延時抖動修正算法

基于PTPV2協議的主從時鐘在普通交換機網絡下的同步報文傳輸延時抖動，核心是由于網絡阻塞的不確定性，而網絡本身又不具備對報文在交換機中的滯留時間標記能力，不能糾正延遲的不對稱性，導致從時鐘端得到的4個時間戳信息不能真實反映主從時鐘同步情況。而先進增強時間恢復(AETR)算法可大大降低主從時鐘同步過程中的時延抖動。基本思路是通過對N個時鐘同步周期時間戳觀測值的統計分析，過濾掉受網絡擁塞影響的同步周期，并在未受阻塞的幸運同步周期中，運用從時鐘端得到的4個時間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協議計算傳輸延時及偏差修正值，恢復出從時鐘調整值。先進增強時間恢復算法能夠集成于PTPV2同步協議延時測量機制中，在不增加PTP協議傳輸通訊開銷的前提下，僅將多個同步周期的偏差計算值以緩存的形式存儲起來，用于先進增強時間恢復算法的統計分析。AETR算法通過兩級連續的過濾算法，確保使用最優同步周期偏差值來恢復出精確的從時鐘時間調整信息。另外AETR模型在同步周期偏差值過濾中，不僅過濾掉明顯受網絡阻塞影響的同步周期，還要對通過一級過濾后的幸運同步周期進行二次過濾，篩選出最優的同步周期偏差值，運用逐次逼近算法，恢復出主從時鐘同步周期的精確時間。當在PTP協議網絡傳輸某個同步周期中，從時鐘端沒有獲得符合算法要求的同步周期偏差值時，就采用先前存儲的同步周期偏差值進行時鐘調整。AETR算法執行過程流程圖如圖1所示。

圖1 AETR算法執行過程流程圖

在第一級過濾過程中，主、從時鐘按照PTPV2協議中的延時請求-響應測量機制在每個同步周期內交換基本時間信息并計算鏈路延時偏差。為了實現對遭受傳輸網絡阻塞的同步周期的過濾，設置過濾閾值標記R，R=(t2-t1)/(t4-t3)。若傳輸網絡為對稱無時延抖動，理想情況下R值為1，但實際上由于網絡阻塞等原因，R值是在1附近變化的，通過設置R的閾值，可將一部分受網絡阻塞影響的同步周期過濾掉。該標記值的選擇要綜合考慮主、從時鐘所在網絡情況以及時鐘同步精度要求，靶場試驗IP網屬于中度流量網絡，主從時鐘同步精度要求優于100 ns。因此綜合有關報道[8-9]，選擇的R值過濾范圍為0.97

所有通過第一級過濾后的幸運同步周期，從時鐘端都將得到4個時間戳信息t1、t2、t3、t4，并按照PTPV2協議進行傳輸延時及偏差修正值計算，即Yi=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。計算結果存儲在緩存中并給以標記，然后進行第二級過濾算法，即精確時間恢復算法。在第二級過濾中，采用偏差逐次逼近方法確保過濾出最優偏差估值，用于計算從時鐘當前相位偏差值并對時鐘數據更新。這其中有可能還有一些時鐘偏差計算值或高或低于預期的偏差值，在數據更新過濾過程中，這些計算值所對應的同步周期也將被過濾掉。數據更新過濾流程圖如圖1中的二級過濾部分所示。當收到的最新同步周期顯示網絡中有較大的流量時，從時鐘將用上一次的偏差計算值而不會采用當前偏差計算值對從時鐘調整。

通過一級過濾后的第一個幸運同步周期，根據獲得的4個時間戳計算出從時鐘偏差修正值Y1，并用該值對從時鐘進行調整。待第二個幸運同步周期，其偏差計算值Y2則與Y1進行求平均值，用平均值對從時鐘進行調整。當第三個幸運同步周期到來后，則將三個幸運同步周期的偏差計算值Y1、Y2、Y3求平均值Yt及與平均值的差值Yti，i=1,2,3，計算Yti最大值Ytmax和最小值ytmin，取Yti最小值ytmin所對應的偏差計算值Yi，用于對從鐘進行調整，并將該值標記為最優偏差值Ft。

當超過三個以上幸運同步周期到來后，就按照式(1)和式(2)的逐次逼近算法獲得ytmin、ytmax。

(1)

(2)

式中,k為算法因子。同時求當前偏差計算值Yi與Yt的差值，若二者差值絕對值小于Ytmin，則用當前值Yi對從鐘進行調整，并將該值標記為最優偏差值Ft，如果Ytmin<|Yi-Yt|

3 試驗結果與分析

在靶場試驗IP網絡中(網絡拓撲圖如圖2所示)，共有五級網絡交換。將PTPV2主從時鐘接入該局域網中，以主時鐘對從時鐘進行授時，從時鐘始終與主時鐘保持同步，從時鐘提供校準時間對遠端自守時設備的1 pps同步精度進行測試。主從時鐘間同步精度以及從時鐘對自守時設備的1 pps測量誤差均采用更高精度的時間校準儀及數字存儲示波器進行監測，用于評價采用先進增強時間恢復算法后的主從時鐘授時及測量性能。

圖2 PTPV2測試網絡拓撲圖

對已有的符合IEEE1588V2協議的主從時鐘系統處理軟件中，增加延時抖動修正過濾算法，并將兩個網絡流量模擬源鏈接于網絡中，模擬高流量負荷、擁塞而導致的大分組時延變化(PDV)環境，進行主從時鐘同步精度及從時鐘遠程校準驗證測試。

首先進行主從時鐘授時精度測試，用時間校準儀對主時鐘的時間精度進行校準，誤差小于10 ns，因此當把主從時鐘接入局域網后，時間校準儀對從時鐘端的測量(借助數字存儲示波器)結果就代表了主從時鐘同步精度。

將主、從時鐘分別接入靶場試驗IP網的端口1和端口2(5層交換機)，進行初始化設置，待穩定后采用時間校準儀及數字存儲示波器對從時鐘1 PPS輸出進行測試(相對于主時鐘1 PPS輸出)，連續測量24小時，期間通過兩個網絡流量模擬源對網絡交換機施加最高到80%的數據量。測試結果如圖2中所示。主、從時鐘網絡傳輸同步時間抖動呈正態分布，平均值為15.5 ns，標準偏差為6.0 ns，抖動最大范圍為-12.9～45.6 ns。

圖3 主、從時鐘授時精度及同步時間抖動

其次進行基于網絡的從時鐘遠程校準性能測試。將主、從時鐘分別接入靶場試驗IP網的端口1和端口2(5層交換機)，進行初始化設置，待穩定后將被校準時統裝置(自守時)先與放在端口2的時間校準儀進行本地測試，測試結果作為標稱值，如圖4(a)所示。再將被校準時統裝置接入端口2所在的從時鐘1 pps IN測試口進行測試，測試結果如圖4(b)所示。共進行100次測量，采用時間校準儀本地校準和PTPV2遠程校準的時統裝置同步誤差測量平均值分別為-331.1、-316.5 ns，二種方法測量偏差為14.6 ns，保持了很好的一致性。

圖4 基于網絡的從時鐘遠程校準性能測試

4 結束語

在基于PTPV2協議的主從時鐘同步中，本文設計的先進增強時間恢復算法，可有效抑制由于普通交換機網絡報文傳輸延時抖動所帶來的同步偏差，大大提高主從時鐘同步精度。實際應用情況也表明，在有5級普通交換機下，主從時鐘同步精度可優于100 ns，這也為基于局域網的遠程時間頻率校準奠定了基礎。

先進增強時間恢復算法是在PTPV2周期性交換網絡數據報文基礎上，增加了傳遞報文過濾評估環節，使得收到的不同PDV數據為統一穩定的時間值。如果考慮時間同步中的偏移率及環境溫度的影響，二級過濾閾值的選擇則需要更為細致，有關這方面問題在未來工作中有待進一步的研究。