美國國家半導體的DP83640精密PHYTER?實現了IEEE 1588精密時間協議（PTP）的時鐘關鍵部分，允許高精度 IEEE 1588節點實現。當使用包含IEEE1588功能器件、邊 界時鐘和透明時鐘的網絡時，利用非常簡單的時鐘伺服算法來確定速率調整和時間校正，可以獲得非常高的精度。不需 要復雜處理，只需要對協議測量進行簡單平均或濾波即可。 當網路由不具有IEEE 1588能力的器件構成時，包延時偏差 （PDV）就很重要。簡單時鐘伺服不會提供很高精度的同 步。

本文描述了一種同步方法，它可以為較大PDV系統帶 來更高的同步精度。這里描述的方法試圖檢測最小延時，或 “幸運包”。這個方法還利用了DP83640時鐘控制機理來獨 立控制時鐘速率和時間校正，從而將時鐘時間精度內的過沖 和擺動降低到最小。

2.0 背景

IEEE1588精確時間協議給從機提供了基本信息，用以確 定相對于最高級主時鐘的頻率以及時間偏差。基本算法包括使用各自的同步和延時請求消息來測量主機到從機之間和從 機到主機的路徑延時。 圖1顯示了最基本的IEEE 1588的時序圖。



主機到從機和從機到主機的延時為：

MSdelay = t2 - t1

SMdelay = t4 –t3

單向延時或稱為平均路徑延時正是這兩個延時的平均值

MeanPathDelay = (MSdelay + SMdelay)/2

理想情況下，時間偏移為：

offset_from_master = MSdelay – meanPathDelay

在包含支持IEEE-1588網絡元件（橋、開關、路由器）的網絡中，包延時偏差基本上可以忽略。在邊界時鐘器件中，同步時鐘在網絡元件上得以保持，它與上游主機同步時間和速率，并充當下游器件的主機。在透明時鐘器件中，因為PTP報文要經過這個器件，所以通過測量其停留時間來校正包延時偏差。



在無1588能力的網絡中不做補償，導致包延時變量大概 是幾十或幾百微妙的數量級。這些延時變得非常明顯，使得 單一測量極度不正確。

在使用只有簡單平均和濾波的基本算法的單開關條件 下，得到了圖2在80%流量條件下的MTIE（最大時間間隔誤差）測試波形。很容易看到，這種方法提供了相對較差的同 步，其誤差達到100ms之大。

2.1 建議算法

在無1588能力元件的網絡中，包延時可能在每個器件 的最小物理延時和通過每個器件的最大延時總和的范圍內變化。實踐中，每個設備經常會有最小傳輸延時，因此主機到 從機產生最小的總包延時。基本操作是嘗試檢測最小延時，或者“幸運延時”，利用這些包的結果進行速率和時間校 正。算法基本上可分為三級：平均路徑延時測量、速率校正 和時間校正。

2.1.1 平均路徑延時測量

在大多數網絡中，最小路徑延時是相對恒定的值。再 次配置網絡能夠引起步長變化，但是這種配置并不是經常性的。因此有可能采用長期跟蹤最小環回延時（即全部的同步 延時請求計算）的方式來檢測最小平均路徑。這種方法保持最后N個平均路徑延時測量記錄，并從中找到最小值：

Min_meanPathDelay(n) = min(meanPathDelay[n+1-N:n]

其中，Min_meanPathDelay(n)為第n次測量記錄中保留的N個數據中的最小值。

進行速率校正和時間校正時確定最小平均路徑是關鍵。

2.1.2 速率校正

速率校正通過測量跟隨的同步周期并測量每個消息從 主機開始與到達從機之間的差異進行。這給出了從機頻率相對于主機頻率的一個基本比值并可以用來校正頻率差。因為 包延時偏差可能很明顯，這可能使任何單一的速率測量有很 大的不精確性。

例如，如果同步周期每秒8個同步，誤差在 125ms內可能是100us或者接近1000ppm。如果算法是平均所有速率測量，也許需要成百上千秒來測量速率以得到合理 的估算。使用低廉的振蕩器時會發生短期頻率變化，平均時間較長會導致不能對這種頻率變化進行控制。 可替代的方法是，建議的算法利用平均路徑延時測量來檢測短時等待包時，只使用這些包檢測對主機的頻率偏移。

如果包滿足一個好的最小環回延時要求，通過比較上一個 “好包”時間來測量速率。*估“好包”時，需要在質量和數量上進行權衡。如果質量過于嚴格，就可能無法獲得足夠 的信息來跟蹤頻率變化。但如果不夠嚴格，速率計算結果中 可能包含過量的偏差。

圖3表明用于決定速率的同步消息之間的最基本的關系。



從這個圖中，速率比值為

rate_ratio(n) = (T2(n) – T2) / (T1(n) –T1)

另外，為準備另一個測量，需要設置：

T1=T1(n)，T2=T2(n)

由于測量中存在誤差，仍然需要一些平均或濾波測量。

為了簡化，使用指數移動平均或平滑函數來跟蹤速率。這個等式為：

rate_avg(n) = Rate_avg(n-1)

+α(rate_ratio(n) – rate_avg(n-1))

α的典型值通常設為0.1，但是在某些諸如提高或降低速率的延長周期場合，這個值可能會有所增加。

2.1.3 時間校正

確定時間偏移的典型方法是使用同步消息來確定對主機 的偏差。常使用平均或濾波的方式來平滑連接，并避免每次測量的過量校正。對于時間校正來說，利用兩個不同的機制 來檢測和校正時間偏差。

第一個機制的基本想法是尋找最小延時。基本算法是在 最近的延時中檢測最小的主機到從機的延時。為防止過量校正，也對時間校正進行了限制。這種算法依賴于大量的同步 消息，比IEEE－1588網絡本身需要的同步報文更多。另外，在延時請求測量之后，算法可能使用主機到從機延時或從機 到主機延時中產生更小偏差的一個延時。在一個方向的流量變得擁堵的情況下，另一個方向可以提供更精確的時間偏差 的測量。這個方法基于它擁有的最好信息而在每個周期都進行校正。如果沒有收到真實的最小延時消息報文，這將導致 不適當的校正。原因是算法不能確定測量誤差是由時間偏差 還是由包延時偏差引起的。

第二個時間校正機制是嘗試只使用延時來進行校正，前 提是這些延時已經確定為真實最小延時包。它有助于避免對時間值的無效校正。這個機制的基本想法是使用同步和延時 請求來進行時間校正。對于同步消息，如果主機到從機延時小于最小平均路徑延時，測量結果就顯示至少有一個主機到 從機延時減去最小平均路徑延時的時間偏差。這種情況下，時間校正是基于偏差測量進行的。如果主機到從機的延時高 于最小平均路徑延時，無法知道誤差是由時間偏差引起的還是包延時偏差引起的，所以不會做校正。對于延時請求消息 也相似，如果從機到主機的延時小于最小平均路徑延時，測量結果就顯示有至少為平均路徑延時減去從機到主機延時的 時間偏差發生。注意，這里檢測到的時間偏差是正的，而主機到從機延時測量中的結果是負的。

兩個方法都是通過調節一段時間內的精準時間協議的時 鐘速率來進行時間校正。為了避免速率的大波動，每一個校正都限制幅值。這將有助于降低由于時間偏移的快速校正而 引起的時間間隔誤差。在第二個機理中通過保持時間誤差值進行處理。當因接收到的同步或延時請求引起的新誤差計算 出來時，如果這個新誤差代表了一個更大的偏差，時間誤差就更新為新值。否則，時間誤差保持不變。基于時間誤差， 只能進行有限的校正并從時間誤差中去除。因此，在完成校正之前，偏移測量可能進行多次校正。



第二個機理很少有無效的校正，但是呈現出更長的無校 正周期；基于速率校正誤差，很可能會出現漂移。盡管第二個機理在重流量和多開關的條件下顯得更好，但兩者的總體 結果相似。由于第二個機理產生更好的結果，結論部分詳述 這些結果。