1588的E2E链路延迟测量机制

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[导读]无用的前言做1588已经很多年了，现在才开始想起来写一些技术文章。这是第一篇，希望能坚持写下去。1588标准的内容其实很多、很细，但终究是做网络时钟同步，所有方法和机制最终都是为计算出slaveclock和masterclock的时间偏差。所以想最快，最直观的了解1588是怎么同...

无用的前言

做1588已经很多年了，现在才开始想起来写一些技术文章。这是第一篇，希望能坚持写下去。1588标准的内容其实很多、很细，但终究是做网络时钟同步，所有方法和机制最终都是为计算出slave clock和master clock的时间偏差。所以想最快，最直观的了解1588是怎么同步网络中的时钟，那就应该看标准中最基本的E2E链路延迟测量机制，了解slave clock是如何通过该机制同步。

E2E链路延迟测量机制

直接上图，这是1588标准中，E2E链路延迟测量机制的原理图。E2E链路延迟测量机制也叫Delay request-response链路延迟测量机制。其实不难理解，两个网络设备要靠网络报文来交换时间信息完成时间同步，而这些网络报文的发送和接收都会记录对应的时间戳。可以是软件的时间戳，也可以是硬件的时间戳，如MAC时间戳或者PHY时间戳。

进入正题，我们来看这个同步的过程。

Master发送Sync报文，发送时间戳记为t1。
Slave收到Sync报文，接收时间戳记为t2。
Master发送完Sync报文后立即发送Follow_up报文，并把t1写在Follow_up报文上告诉slave。
Slave发送Delay_req报文，发送时间戳记为t3。
Master收到Delay_req报文，接收时间戳记为t4。立即回复Delay_resp报文，并把t4写在Delay_resp报文上告诉slave。

所以最终不管是master的时间戳t1和t4，还是slave的时间戳t2和t3，slave端都是知道的。那如何计算slave和master之间的时间偏差呢，我们直接给出下面等式，然后再具体分析。

t2 - t1 = delay   offset
t4 - t3 - delay - offset

其实Sync报文从发送到接收的过程，t2 - t1的时间差值不只包含了链路延迟，同时也包含了时间偏差。而Delay_req报文从发送到接收也是类似的，t4 - t3的时间差值不只包含了链路延迟，同时也包含了时间偏差。这两个时间偏差刚好是相反数。

有人可能会问，从master到slave的链路延迟，和从slave到master的链路延迟是一样的吗？重点来了，1588标准的核心假设，就是master和slave之间的链路延迟是对称的。如果有任何非对称延迟的引入，那计算的时间偏差就会引入误差。所以严格的说两个网络设备做1588同步，如果中间经过了路由器或者交换机等转发设备，而这些路由器或交换机并不支持1588协议的话，那就会引入非对称链路延迟，影响同步的精度。这些话题以后再慢慢介绍。

回归正题，总之这两个公式是可以算出来链路延迟，和时间偏差的。

2 * delay = (t4 - t3)   (t2 - t1)
2 * offset = (t2 - t1) - (t4 - t3)

Slave如何调整时钟

从1588标准的角度，介绍到计算出offset已经完事了。1588并不规定怎么调整slave的时钟和master同步。在这里我们做个知识扩展，1588协议软件通常会这么做，Slave如果计算出和master的时间偏差，并且发现这个时间偏差超出设定的一个阈值，比如1s，它就是直接重置clock的时间和master的时间值一样。

这样时间同步就完成了吗？并不是，因为重置clock的过程所有软件操作都是有延迟的，所以slave和master仍然时间会有偏差。而且这两个clock如果各自free running的话，时间漂移会越来越大。这个时候软件通常在重置slave clock之后，时间偏差小于设定阈值的情况下，用PI servo来不断补偿slave的频率，使得计算得到的时间偏差趋于一个最小的稳定的数值。感兴趣的同学可以私下了解下什么是PI控制。