带你读懂时间敏感网络(TSN)中的时间同步协议gPTP(一)

艾睿电子技术和方案 2024-05-16 12:02

TSN旨在通过对以太网数据流的控制和管理,在以太网网络中同时提供高性能、高可靠性和精确时延的实时通信,与高带宽高吞吐量的普通通信。以满足工业控制、汽车、音视频等领域对实时通信与大量数据传输的需求。IEEE Std 802.1AS 对 IEEE 1588 进行扩展产生了gPTP协议,它用于TSN中的时间同步,为数据流的控制和管理提供时间参考。本文对gPTP的基本工作原理进行介绍,以帮助你快速了解gPTP协议。


gPTP简介

一个时间感知网络由多个相互连接的支持gPTP的时间感知系统组成。这些时间感知系统可以是任何网络设备,包括桥接器、路由器和终端站等。每个时间感知系统支持的gPTP实例都在一个gPTP域中,这些gPTP实例都是该gPTP域的一部分。每个域中会选举出一个GrandMaster,域中的所有实例按照GrandMaster的时钟对网络流量进行调度和管理。一个时间感知系统可以支持多个gPTP实例,每个实例与不同的gPTP域相关联,成为多个gPTP域的一部分。


PTP 实例分为两种类型
  • PTP终端实例: 如果不是GrandMaster就是Slave,GrandMaster发送时间信息到域中其他实例,其他实例将自身时钟源同步到GrandMaster。
  • PTP中继实例: 从主GrandMaster或其他中继实例接收时间信息,校正局域网和自身的延迟,并重新传输校正后的信息。

每个PTP实例都具有以下属性
  • Priority1: 用于选举GrandMaster。取值范围为0-255,数值越小优先级越高,255代表实例不支持GrandMaster功能
  • ClockClass: PTP实例的时钟源与国际标准时间或其他已知准确度的时钟之间的关系,该值越小与其标准时间的偏差越小
  • ClockAccuracy: 时钟源的精度
  • OffsetScaledLogVariance: 时钟源的稳定性
  • Priority2: 作用与priority1相同,但优先级比priority1低
  • ClockIdentity: 用于识别不同PTP实例
  • TimeSource: 实例的时钟源类型如GNSS、原子钟或晶振
  • NumberPorts: 实例有多少个端口

不同gPTP域通过域号与SdoId标识
  • 域号范围为0-127,每个时间感知系统必须支持域0
  • SdoId为12位无符号数,高4位位majorSdoId,低8位位minorSdoId。gPTP域的majorSdoId为0x1,minorSdoId为0x00


gPTP的工作流程

以下是简化的两个只有一个全双工以太网接口的gPTP设备连接后的通信流:


交换GptpCapable Signaling与Pdelay报文

gPTP要求相同域中的所有设备都支持gPTP,它不会通过不支持该协议的系统传输时间信息。支持802.1AS的设备会定期发送GptpCapable Signaling报文与PdelayReq报文,GptpCapable Signaling报文用于通知链路对端设备本设备支持gPTP,PdelayReq报文发起链路延迟测量请求,测得的链路延迟将用于判断链路中是否包含不支持802.1AS设备和随后的时间同步。设备通过以下条件判断链路及对端设备是否支持802.1AS (802.1AS-2020 11.2.2 Determination of asCapable and asCapableAcrossDomains)
  • 判断链路支持802.1AS (asCapableAcrossDomains)
    • 链路正在交换延迟测量报文
    • 延迟未超过meanLinkDelayThresh,100BASE-TX和1000BASE-T链路中该值为800纳秒
    • 未收到对同一Pdelay_Req报文的多个响应
    • 连接到链路的端口未收到来自自身或同一PTP实例的另一端口的响应
  • 判断链路支持特定PTP域 (asCapable)
    • 链路支持802.1AS
    • 收到来自相同域的GptpCapable报文 (neighborgptpcapable),或域号为0且收到SdoId为0x100的延迟测量报文(兼容802.1AS-2011)

如果链路未能满足以上要求,GptpCapable Signaling和PdelayReq报文仍然会持续发送以定期检查链路是否能运行802.1AS协议。


交换Announce报文并选举Grandmaster

802.1AS设备的Master端口会周期性发送Announce报文向其他设备通报GrandMaster信息,报文发送周期称为announceInterval。收到Announce报文的设备会使用BMCA (Best Master Clock Selection) 算法比较Announce报文中的GrandMaster,若Announce中的GrandMaster优于自身当前的GrandMaster,会将自身的GrandMaster替换为Announce中的GrandMaster。在设备未收到Announce报文时,会尝试将自身选举为GrandMaster。


BMCA主要通过systemIdentity判断哪个设备是更优的GrandMaster,设备该值越小代表它是更优的GrandMaster。设备的该值由它的以下参数按照有效位从高到低顺序连接而成:


SystemIdentity

  • Priority1 (1 octet; see 8.6.2.1)
  • ClockClass (1 octet; see 8.6.2.2 and 6.4.3.8)
  • ClockAccuracy (1 octet; see 8.6.2.3 and 6.4.3.8)
  • OffsetScaledLogVariance (2 octets; see 8.6.2.4 and 6.4.3.8)
  • Priority2 (1 octet; see 8.6.2.5)
  • ClockIdentity (8 octets; see 8.5.2.2 and 6.4.3.6)

发送Sync报文同步时间

802.1AS设备的Master端口会周期性发送Sync报文,接收到该报文Slave设备将可计算出与Master设备的时钟偏移。


延迟测量

 

传播延迟测量始于发起方发出 Pdelay_Req 报文并生成时间戳t1。响应者接收到该报文并生成时间戳t2。响应者返回包含t2的Pdelay_Resp 报文,并生成时间戳t3。响应者在Pdelay_Resp_Follow_Up报文中返回t3。发起方在收到Pdelay_Resp报文后生成时间戳t4。随后发起方使用这四个时间戳通过以下公式计算平均传播延迟D(meanLinkDelay)。


时间同步


Master设备发送首先Sync报文并生成时间戳t1,随后发送包含t1的Followup报文。Slave设备收到Sync报文并生成时间戳t2。Slave设备使用这两个时间戳通过公式t2-t1-linkDelay得到自身时钟与Master时钟的偏移。



参考文献:

IEEE Std 802.1AS-2020

IEEE Std 1588-2019


扫一扫订阅新闻邮件,及时获取 最新技术资讯


艾睿电子技术和方案 艾睿为数十万家领先的技术制造商和服务商驱动创新,致力于发展可帮助提升商业价值及改善生活的科技解决方案
评论 (0)
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 148浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 209浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 152浏览
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 98浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 210浏览
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 73浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 128浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 71浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 200浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 202浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦