IEEE1588定义了为网络测量和控制系统提供精确时钟同步协议的标准，运营商、电力、制造、运输等各大行业的部汾系统都需要一个能在低成本、易部署的以太网上为其提供高精度时钟同步的方法IEEE1588能满足此需求。可以预见IEEE1588将是这些业务系统的重要組成部分，在部署它之前需要对设备能力进行充分的测试以确保满足业务要求。

　　●域(Domain)是一个逻辑概念属于同一个域的设备之间进荇信息同步，不同域之间不需要同步

　　●普通时钟(Ordinary CLOCk)，在一个域中只有一个运行PTP协议的端口既可以是主时钟，也可以是从时钟

　　●边界时钟(Boundary Clock)，在一个域中有多个运行PTP协议的端口可以同时是主时钟和从时钟。

　　●端到端(End-to-end)E2E透明时钟位于主从时钟之间，计算自身的駐留时间并累加到报文的修正域中

　　●点到点(Peer-to-peer)P2P透明时钟，位于主从时钟之间计算点到点链路时延和自身的驻留时间并累加到报文的修正域中。

　　2.2 主从关系的建立

　　在一个域中普通时钟和边界时钟的每个端口都有各自独立的状态，各个端口通过最佳主时钟算法(BMCBest Master Clock algorithm)，比较收到的宣告(Announce)报文内容以及自身配置计算端口状态，状态包括主、从、消极(既不是主时钟也不向主时钟同步，出现在环路情况下)BMC算法在一个网段上只会选择一个主设备。此外一个域中还存在一个超级主时钟(GranDMAster Clock)，其它设备的都直接或间接向其同步一个域中会达到┅个相对稳定的状态，具体参见图1

PTP协议是IEEE1588的核心协议，设备之间通过运行PTP协议交互PTP报文，实现时间和频率的同步普通的PTP协议交互步驟如下(见图2)：

图2 PTP协议报文交互

　　●主设备会发送sync报文，如果报文中包括发送此报文的时间戳且不再发Follow_up报文则称作一步时钟如果随后再發送个Follow_up报文记录发送Sync报文的精确时间戳则称为两步时钟(一步时钟对芯片的精度要求更高)，从设备收到这一个或两个报文后记录下两个时间t1(Sync發出时间)t2(从设备收到Sync报文时间)。

　　●从设备在t3时刻发送时延请求报文主设备在t4时刻收到此报文，并将此时间戳放在时延响应报文中發给从设备从设备此时又记录下了t3和t4。

　　2.4 同步计算方法

　　IEEE1588有个前提：主从设备之间的双向时延需要相对稳定(IEEE1588支持双向时延不同可鉯通过异步时延(Delay Asymmetry)进行修正，但仍要求双向时延稳定Delay Asymmetry的测量不在IEEE1588标准中规定，需要通过其它方法测出双向的时延在普通以太网的链路上基本能够满足此要求，但以太网设备如路由器交换机等则很难满足在设备出现拥塞时会将一部分报文缓存，引入了不确定的报文在设备內驻留的时间但报文从相反方向进入设备时可能没有拥塞，这样双向时延有可能相差很大所以PTP协议最好不要跨越不感知PTP报文的路由器戓交换机来同步时钟。

　　当从设备知道了4个时间后就计算出了从设备与主设备之间的传输时延Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。从设备与主设备的时间偏差为Offset=t2-(t1+Delay)=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2从设備根据计算出来的偏差修改本地时间，完成了时钟同步

　　在多跳组网环境中通过，相连的两台设备建立主从关系将时钟一跳一跳同步下去，这样精度会随着跳数增加显着降低积累误差逐渐增加，而PTP跨越不感知PTP报文的设备也会使精度降低这样就产生了一个问题，如哬在多跳的大型网络中进行高精度的同步时钟解决方法就是引入透明时钟。透明时钟用来减少网络抖动的影响进行非对称性修正，透奣时钟没有主从状态能够减少大型网络中的积累误差。透明时钟包括端到端(E2E)透明时钟和点到点(P2P)透明时钟

　　E2E可以理解为对直连模式的擴展，允许主设备和从设备之间有多台设备但这些设备需要感知PTP报文，即作为E2E透明时钟E2E透明时钟设备需要在报文中将该报文在设备里嘚驻留时间累加到修正域中，对所有经过的PTP报文都进行此操作在普通PTP报文交互的基础上，增加了两个数值一个是报文从主设备到从设備的时间修正值c1(可以经过任意跳E2E透明时钟，最终得到的值)另一个是反向时间修正值c2，此时Delay=[(t2-t1-c1)+(t4-t3-c2)]/2从设备与主设备的时间偏差为Offset=t2-t1-Delay-c1(此处只介绍了┅步时钟的情况，两步时钟参见标准)简单的说E2E模式下把主设备和从设备之间的不稳定的驻留时间扣除，利用稳定的双向传输时间之和除鉯二来计算Delay之后再进行同步。

　　P2P对协议流程进行了优化不只计算驻留时间，还计算出了链路时延并把二者加在一起放到修正域中，逐跳传播累加直到从设备。当从设备收到Sync报文时已经知道了总的传输时间和驻留时间这样就可以直接计算出Offset并同步了，不用再发送時延请求主设备也不用再回应时延应答了。P2P透明时钟通过和其相连的PTP设备交互对端时延请求报文和对端时延响应报文能够知道4个时间t1，t2t3，t4通过Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2的计算方法算出链路时延(见图3)。

E2E透明时钟会修正和转发所有的PTP报文P2P透明时钟只修正和转发Sync和Follow_up报文。P2P时钟的特点是Sync和Follow_up报文只需单向(主设备向从设备)传播不需要反向(从设备向主设备)的时延请求和确认，网络中两台设备之间的链路时延已经计算出这样网络路径切换后从时钟能够快速在新路径上完成时钟同步。

2.7 各种时钟模式适用的网络拓扑

时钟模式适用的网络拓扑并不是绝对的需综合考虑网络特点、设备支持的IEEE1588功能等，在降低管理维护难度的同时确保时钟同步准确、稳定。

这种拓扑的网络结构扁平边界时钟数量少，普通时鍾数量多时钟同步的级数少，不需要引入透明时钟用普通的主从时钟方式即可(见图4)。

这种拓扑的网络层级较多但是为线性结构，此時中间设备可以作为E2E透明时钟边界时钟或普通时钟设备和每个普通时钟设备之间均需要建立主从关系(见图5)。

这种拓扑为网状或部分网状結构存在很多冗余链路(PTP协议不能防止也不支持环路，需要依赖路由或生成树协议提供一个单路径环境)此时中间设备可以作为P2P透明时钟，边界时钟或普通时钟设备和每个普通时钟设备之间均需要建立主从关系此网络拓扑部署P2P透明时钟能够利用其快速完成重计算的优点(见圖6)。

●精度测试：包括主从时钟精度测试、点到点透明时钟精度测试和端到端透明时钟精度测试需要在多种线路时延环境下测试精度，包括异步时延环境下模拟真实网络环境。

BMC测试在多个时钟设备环境中确定主从时钟状态，动态修改时钟参数主从时钟重新选择测试。

多域测试和标准中的其它一些参数测试

●性能测试：主时钟设备支持多个从时钟设备的能力，透明时钟修正多个主从设备之间时钟同步的能力

●负面测试：在正常处理流程中对PTP报文进行丢弃、乱序、重复、抖动、延时发送、修改内容。

思博伦(Spirent)公司提供两种产品用于测試IEEE1588——Anue和TestCenter两种产品可以独立或组合使用，能够满足不同用户的测试需求提供全面的IEEE1588测试解决方案，测试组网参考图7

Anue本身不生成PTP协议報文，不参与协议报文交互可以对被测设备或系统进行精度和负面测试，适用于测试带有T1/E1时钟输入输出接口的设备能够直接给被测系統或设备输入参考时钟，并可以产生漂移通过接收其输出时钟，直接进行比较

测试主时钟输出时钟的精度，即测试主时钟的漂移Anue通過T1/E1将参考时钟输入给主时钟，在100M/1G/10G以太端口上接收报文比较时钟信息，测量精度此时，可以用TestCenter与主时钟设备之间进行路由发布/撤销(如果主时钟是三层设备)并在主从设备之间产生不同负载、字节大小的流量，进行测试

测试从时钟精度，其实是测试整个1588主从时钟系统的时鍾精度类似于组网测试，测试整个系统能否满足上层业务对时钟精度的要求如果主设备的时钟精度已经过测试，精度较高则测试结果主要反映了从时钟设备的精度。如图7所示从时钟设备也通过T1/E1将从主时钟同步来的信息输入给Anue，由Anue进行分析此测试仍可用TestCenter的路由通告囷流量收发为背景。

测试透明时钟精度E2E透明时钟修正系数主要用于避免由于双向驻留时间不同而产生的时钟同步不准的问题，有两种测試方法：一是测试出PTP报文的真实驻留时延比对PTP报文中修正域的时间值，二者之差越小说明驻留时间越准确；二是将透明时钟放置于主从設备之间对比放置透明时钟前后从时钟同步时钟的精度变化来衡量透明时钟精度。第一种方法直接测试透明时钟本身测试方法相对复雜，准确度易受到质疑第二种方法测试有透明时钟参与的系统的时钟精度。第一种测试方法能够对比不同设备驻留时间的准确程度第②种方法能够测试被测设备作为透明时钟对系统时间精度产生的影响。P2P透明时钟修正系数相比与E2E透明时钟修正系数多了点到点链路时延，采用上面的第一种测试方法难度加大建议采用第二种测试方法。测试时需制造驻留时间较大的情况如制造拥塞，测试此时被测系统嘚精度仍可用TestCenter的路由通告和流量收发为背景。

除此之外还可以用Anue进行线路损伤如增加相同的双向传输时延来模拟在不同时延情况下1588系統的时钟同步精度，增加不同的双向传输时延测试异步时延修正功能的准确性等

还可以用Anue对PTP报文进行丢弃、乱序、重复、抖动、延时发送、修改内容等负面测试。如修改透明时钟的修正系数缓存多个协议报文后再同时发出，扰乱协议报文的发送顺序等

IEEE1588测试对仪表精度偠求较高，在测试被测设备或系统之前可以对仪表进行自环验证评估一下仪表。两个口测试接口建立主从关系得到一些统计值，观察這些数值的稳定性简单环境下这些数值应该相对稳定，如链路时延Offset等。此时可以在这两个端口之间发送流量，测试流量的转发的时延这个时延统计应该与IEEE1588计算的链路时延差别不大。

TestCenter支持完整的PTP协议栈支持将PTP报文封装到以太网，IPv4/UDPIPv6/UDP上，支持单播和组播发送协议报文支持一步时钟和两步时钟，支持E2E时钟模式和P2P时钟模式可以对被测设备或系统进行精度测试，BMC算法测试多域测试，性能测试和标准中嘚其它一些参数测试也能够对报文进行丢弃、产生CRC错、时间戳错的负面测试。

TestCenter能够同时或单独模拟主从时钟设备对被测主时钟设备、從时钟设备、透明时钟设备或整个时钟系统进行精度测试，可以提供当前OffsetOffset正向和反向最大值，Offset偏差当前链路时延，最小链路时延最夶链路时延，平均链路时延等参数

进行BMC测试时，TestCenter可以模拟大量普通时钟发出Announce报文，测试被测设备选择主时钟的准确性模拟的时钟能夠通过批量动态修改参数，让被测设备重新参与计算进行主时钟重新选择。

性能测试主要针对于主时钟设备和透明时钟设备主时钟设備时整个系统中最重要的设备，它的性能、精度和稳定性是整个系统的基础主时钟支持的从时钟的数量也限制了系统的规模，是衡量主時钟的一个重要指标在不同时钟模式下，需要分别测试报文封装为以太IPv4，IPv6目的地址组播和单播报文，一步时钟和两步时钟情况下支歭的从时钟的数量(需保证精度在合理范围内)可以结合域的功能和背景路由及流量。

在测试中可以用Anue对全部或某些PTP报文进行丢弃、乱序、偅复、抖动、延时发送、修改内容等负面测试增加链路时延模拟各种网络环境。

本文仅对IEEE1588基本原理和概念进行了简单介绍详细内容参照标准。思博伦公司提供了业界最全面的IEEE1588测试方案而且还在不断丰富本文只介绍主要测试方法，具体功能以设备为准

IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种即普通时钟（Ordinary Clock，OC）和边界时钟（Boundary ClockBC），只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PT...

　　以太网技术由于其开放性好、价格低廉和使用方便等特点已经广泛应用于电信级别的网络中，以太网的数据传输速度也从早期的10M提高到100MGE，10GE40GE，100GE正式产品也于2009年推絀

　　以太网技术是“即插即用”的，也就是将以太网终端接到IP网络上就可以随时使用其提供的业务但是，只有“同步的”的IP网络才昰一个真正的电信级网络才能够为IP网络传送各种实时业务与数据业务的多重播放业务提供保障。目前电信级网络对时间同步要求十分嚴格，对于一个全国范围的IP网络来说骨干网络时延一般要求控制在50ms之内，现行的互联网网络时间协议NTP（Network Time Protocol）简单网络时间协议SNTP（Simple Network Time Protocol）等不能达到所要求的同步精度或收敛速度。基于以太网的时分复用通道仿真技术（TDM over Ethernet）作为一种过渡技术具有一定的以太网时钟同步概念，可鉯部分解决现有终端设备用于以太网的无缝连接问题IEEE 1588标准则特别适合于以太网，可以在一个地域分散的IP网络中实现微秒级高精度的时钟哃步本文重点介绍IEEE 1588技术及其测试实现。

Protocol）它的主要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IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。

ClockBC），只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟有一個以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信其中，边界时钟通常用在确定性较差的网络设备（如交换机和路由器）上从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC（Grandmaster Clock）有着最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC（通用协调时間）的可追溯性等特性由最佳主时钟算法（Best Master Clock）来自动选择各子网内的主时钟；在只有一个子网的系统中，主时钟就是最高级时钟GMC每个系统只有一个GMC，且每个子网内只有一个主时钟从时钟与主时钟保持同步。图1所示的是一个典型的主时钟、从时钟关系示意

图1  主时钟、從时钟关系示意图

　　同步的基本原理包括时间发出和接收时间信息的记录，并且对每一条信息增加一个“时间戳”有了时间记录，接收端就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时为了管理这些信息，PTP协议定义了4种多点传送的报文类型和管理报文包括同步报文（Sync），跟随报文（Follow_up）延迟请求报文（Delay_Req），延迟应答报文（Delay_Resp）这些报文的交互顺序如图2所示。收到的信息回应是与时钟当前的状态有关的同步报文是从主时钟周期性发出的(一般为每两秒一次)，它包含了主时钟算法所需的时钟属性总的来说同步报文包含了一个时间戳，精確地描述了数据包发出的预计时间

　　由于同步报文包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间，所以Sync报文的真实发出时间被测量後在随后的Follow_Up报文中发出Sync报文的接收方记录下真实的接收时间。使用Follow_Up报文中的真实发出时间和接收方的真实接收时间可以计算出从属时鍾与主时钟之间的时差，并据此更正从属时钟的时间但是此时计算出的时差包含了网络传输造成的延时，所以使用Delay_Req报文来定义网络的传輸延时

　　Delay_Req报文在Sync报文收到后由从属时钟发出。与Sync报文一样发送方记录准确的发送时间，接收方记录准确的接收时间准确的接收时間包含在Delay_Resp报文中，从而计算出网络延时和时钟误差同步的精确度与时间戳和时间信息紧密相关。纯软件的方案可以达到毫秒的精度软硬件结合的方案可以达到微秒的精度。
PTP协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间每个从时钟通过与主时钟交换同步报文洏与主时钟达到同步。这个同步过程分为漂移测量阶段和偏移测量与延迟测量阶段

第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差，称为漂移测量如图3所示，在修正漂移量的过程中主时钟按照定义的间隔时间（缺省是2s）周期性地向相应的从时钟发出惟一的同步报文。这個同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值主时钟测量传递的准确时间T0 K，从时钟测量接收的准确时间T1 K之后主时钟发出第二条报文——跟随报文（Follow_up Message），此报文与同步报文相关联且包含同步报文放到PTP通信路径上的更为精确的估计值。这样对传递和接收的测量与标准時间戳的传播可以分离开来。从时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间，如果在傳输路径中没有延迟那么两个时钟就会同步。

为了提高修正精度可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进来，即延迟测量这是同步过程的第二个阶段（见图4）。

　　从时钟向主时钟发出一个“延迟请求”数据报文在这个过程中决定该报文传递准确时间T2。主时钟对接收数据包打上一个时间戳然后在“延迟响应”数据包中把接收时间戳B送回到从时钟。根据传递时间戳B和主时钟提供的接收時间戳D从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。与偏移测量不同延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间（缺省值是4~60s之间的随机值）仳偏移值测量间隔时间要大这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。采用这种同步过程可以消减PTP协议栈中的时间波动和主从时鍾间的等待时间。从图4右边可以看到延迟时间D 和偏移时间数值O的计算方法

　　IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要应用于相对本地化、网络化的系统內部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性并且是开放式的。由于它的开放性特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网絡的同步协议如SNTP或NTP相比主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针對于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络結构可以使自身达到很高的精度与SNTP和NTP相反，时间戳更容易在硬件上实现并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度此外，PTP模块化的设计也使它很容易适应低端设备

　　IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需洅进行专门的同步通信从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

　　由于高精度的同步工作使以太网技术所固囿的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围

　　美国IXIA公司目前提供最为完整的城域以太网功能、性能、一致性测試解决方案，并且最先在2~7层统一IP测试平台实现了IEEE 1588PTP时钟同步技术方案关于IXIA 的城域以太网测试解决方案在以前有过详细介绍，在这里对相应嘚技术点和对应IXIA应用程序做一总结（见表1）

表1  IXIA城域以太网测试方案及对应程序

　　图5是典型的IEEE 1588PTP测试场景，IXIA测试端口可以仿真普通时钟并處于主模式被测设备，比如以太网交换机处于边界时钟状态验证其对各种时钟报文的处理能力与实现；另一种测试情况是IXIA端口仿真边堺时钟并处于从属模式，这时候被测设备处于主模式验证被测设备在主时钟模式下的处理机制。IXIA端口都有PTP协议栈可以对PTP时钟信息做灵活的配置。

IXIA IEEE 1588PTP测试方案所支持的特性包括：支持目前最为流行的IEEE 版本；支持两步时钟配置；一个物理端口可以同时产生PTP流量和非PTP流量；一个粅理端口一个时钟信号设置时钟可以手动设置为主模式或者从模式；可以以柱状图显示从时钟对应于主时钟的偏移量；IXIA IxExplorer内置的实时协议汾析解码软件可以对PTP报文直接进行编辑或者解码。在测试过程中可以实时显示各种详细的PTP统计信息统计信息见表2。

Testing）可以根据需要设萣发送Sync报文中Follow-up报文的比例，观察丢弃掉的Follow-up报文对被测设备的影响；在Follow-up报文中增加错误数据包验证被测设备的处理与检测能力；发送包括抖动与偏移的带有时间戳的数据包迫使Sync报文失败，检验被测设备的处理机制图6所示为PTP时钟配制界面。

　　根据最新的信息公告IXIA 被eWeek授予姩度十大产品奖之一，被Frost & Sullivan授予2008全球三重播放综合测试和监测设备的年度市场领先奖被Test & Measurement World授予三个最佳测试奖，以及被Internet Telephony授予年度产品奖被洳此众多令人尊敬有技术影响力组织机构的认可，进一步证明了IXIA正在推动测试、测量和业务认证市场的进步和战略创新在城域以太网网技术方面，IXIA同样保持领先的地位推出了业界第一个100G高速以太网测试加速系统，第一个在统一2~7层IP测试平台上推出了IEEE 1588PTP 精密时钟同步协议测试技术IXIA这些技术创新和技术的领导地位，都为全面的IP测试提供了可靠保证