PTP 的功能可能会改变我们未来处理许多常见测试需求的方式。本文将介绍它的工作原理以及我们如何从这项技术中受益。PTP 可以精确同步许多现代系统组件中嵌入的实时时钟。与网络定时协议 (NTP) 类似，PTP 也基于以太网和 TCP/IP 协议运行。然而，它的精度要高得多：可以轻松实现 100 纳秒甚至更低的同步精度。您可能会认为这样的系统会很脆弱且难以配置，但事实并非如此。正如我们将在下文看到的，系统设置简单且大部分过程都是自动化的。但首先，让我们了解一些基本的 IEEE 1588 标准概念。.
PTP 基于主从架构。从时钟与主时钟同步（通常是时基最稳定、最精确的主时钟）。PTP 精度的关键在于它在评估从时钟偏差时如何考虑局域网 (LAN) 上的消息传输时间（参见图 1）。
如图所示，主时钟定期向从时钟发送同步消息“Sync”。从时钟以延迟请求消息“Delay_Req”作为响应。时钟会记录这些消息的发送和接收时间。然后，利用这四个时间记录来计算传输时间（消息在物理网络层实际传输的时间）。需要注意的是，图 1 中的计算基于传输时间对称的假设（对于以太网而言，这是一个完全合理的假设）。有了传输时间和基于同步消息时间的寄存器，计算从时钟偏差就非常简单了。
硬件优于软件。
虽然并非硬性要求，但为了获得最佳性能，时序寄存器通常在物理网络层的硬件层面进行处理。为什么呢？完美同步的关键在于稳定且可重复的时序寄存器，并尽可能减少其偏差。而实现这一点的最佳途径是通过硬件设计（参见图 2 中的概念框图）。
对于采用独立物理芯片（物理层实现）的以太网设计，捕获以太网帧的比特流相对容易。模式匹配硬件随后会查找传入的 Delay_Req 或传出的 Sync 消息模式。请注意，IEEE 1588 标准规范明确指出了应捕获哪些比特转换时序寄存器。
在上述设计中，时序寄存器的捕获方式如同以太网帧实际发送到物理网络层一样。因此，时序寄存器不能作为同一消息的一部分发送。后续消息（参见图 1）用于将基于时间的日志（“精确发送时间”）与原始 Sync 消息分开传递。
在某些情况下，使用软件应用程序来获取基于时间的日志可能就足够了，而且完全合理。然而，由于网络协议栈软件存在时间抖动，由此产生的同步精度至少会低得多。
网络延迟抖动是最大的敌人。
如前所述，时钟校正算法依赖于对称传输时间的假设。因此，传输时间的波动（单向）会降低同步精度。为了获得最佳性能，应选择延迟抖动最小的网络基础设施。
以太网集线器的设计使其延迟相对较低且稳定。集线器只是一个简单的信号中继器，以太网帧既不存储也不进行任何处理。以太网交换机的延迟更高，更重要的是，抖动也更大。交换机会分析接收到的帧，并将它们排队等待输出到相应的目标端口。路由器的抖动更高，因为它会在 IP 层检查数据包，并使用软件机制存储和转发它们。
如果您希望使用交换机或路由器来获得它们在网络层（第 2 层或第 3 层）的额外功能，则无需容忍它们较高的抖动以及由此导致的同步精度下降。点对点 (PTP) 协议使用一种称为外设时钟的机制来抵消网络元件高抖动带来的负面影响（参见图 3）。
外围时钟是指具有内置实时时钟并符合 IEEE 1588 标准的交换机或路由器。除了 Sync 和 Delay_Req 等 PTP 定时消息外，它的行为与普通交换机或路由器并无二致。然而，对于 PTP 而言，外围时钟终止了每个端口背后的“同步路径”。连接到最佳时钟（主时钟）的端口充当从时钟。因此，交换机或路由器的内部时钟通过此端口与主时钟同步。其他端口充当主时钟。因此，各自同步路径中的所有从时钟都与外围时钟的内部时钟同步。外围时钟
机制显著提高了同步精度（达到甚至超过普通以太网集线器的水平），因为 IEEE 1588 定时消息无需通过网络元件进行交换或路由（与其他 IP 数据包或以太网帧不同）。因此，消除了延迟抖动的一个重要来源（网络元件中的存储和处理过程）。
这种机制的适用范围究竟有多广？
正如我们所见，一个旨在实现最佳性能的系统应遵循两条重要原则。首先，它应采用硬件辅助方式实现 IEEE 1588 标准的主时钟和从时钟。其次，它应使用合适的网络基础设施：一个简单的以太网集线器，或者一个带有外设时钟的更复杂的网络设备（交换机或路由器）。如果我们遵循这些原则，同步精度能达到多高？
采用硬件辅助技术时，精度受两个因素限制：物理实现的时钟捕获能力以及振荡器或本地时钟本身的稳定性。在实现快速以太网时，时钟捕获抖动通常在十纳秒以下的低范围内。使用统计方法可以非常有效地降低这种抖动的影响。本地振荡器的变化很大程度上取决于系统设计，并且可以轻松地最大限度地减少时钟捕获问题。需要注意的是，同步消息间隔可以缩短到 1 秒，但不能更短。一个具有高稳定性的设计需要具有有限的波动性，以适应时钟捕获的稳定性（纳秒级）。这可能需要一种基于耐热振荡器的相对昂贵的解决方案。
最佳设计方案应包含适当的统计方法来降低延迟波动的影响。IEEE 1588 标准并未规定使用平均算法；因此，制造商可以在此领域做出独特的贡献。.
这些系统安装起来困难吗？
IEEE 1588 标准最吸引人的地方之一在于，系统配置基本是自动化的（除非您希望控制配置过程）。让我们来看看它是如何实现的。
每个时钟都维护着一些描述其固有功能（例如稳定性）和实际配置（例如与主时钟的实时偏差估计值以及主时钟的标识）的数据集。这些（以及其他）参数描述了时钟的质量，并作为时钟发送的每个同步消息的一部分“发布”。
当一个时钟上线时，它会承担主时钟的角色，并开始发送包含其规格的同步消息。其他时钟接收到这些质量参数后，会将其与自身的规格进行比较（使用“最佳主时钟”算法）。如果它们检测到更好的主时钟，则会承担从时钟的角色。那么，
一个“好的”时钟的标准是什么呢？一个重要的参数是“时钟层级”。该值指示时钟是否具有与“官方”标准时间源（例如 GPS 接收器）的直接或间接可追溯性。优先选择与此类绝对时间源直接链接的时钟。另一个重要参数是“时钟偏差”，它指示时钟的固有稳定性。
如前所述，可以根据需要修改自动或默认设置。IEEE 1588 标准还为此定义了几个管理消息。这些消息允许您通过局域网查询时钟的数据集、调整实时设置以及更改时钟的状态或其他运行参数。
那么，这项技术有什么用途呢？
数据采集是IEEE 1588标准的一个显而易见的应用。许多数据采集应用需要将传感器分布在广阔的区域内（例如，在工业设施或有线/无线通信中）。即使是集中式应用，也需要同步不同的仪器或数据采集单元。除了最简单的应用之外，了解每次测量的时间至关重要。IEEE 1588提供的高精度时间同步为后处理和分析提供了更多可能性，从而有助于更好地理解数据。如果没有IEEE 1588，则需要使用单独的GPS接收器或集中生成的触发信号来同步仪器。第一种方法成本高昂，而第二种方法由于传播延迟和触发抖动噪声而难以实现。
功能测试是另一个将受益于IEEE 1588的领域。通常需要按照预定义的顺序和精确的时间施加激励信号。还需要测量或记录被测设备（DUT）在预定义时间点的响应。即使是最复杂的场景，利用 IEEE 1588 标准支持的基于时间的触发方式也能轻松实现。如果没有这项标准，则可能需要生成一个或多个硬件触发信号，并以适当的方式将其路由到各个仪器。基于时间的触发方式更加灵活，因为它不受物理布线的限制，也不会出现信号质量问题。
摘要：
IEEE 1588 标准是一项令人着迷的技术。如果您从事系统应用工作，绝对应该考虑它。这项技术及其特性可以大大简化您的工作。点对点 (PTP) 技术无需复杂的布线即可实现系统级的基于时间的日志记录和精确的基于时间的触发。因此，它在该领域提供了前所未有的灵活性。
作者
斯特凡·科普拥有德国斯图加特合作教育大学计算机科学学位。自1989年以来，他一直在安捷伦（前身为惠普公司）工作，担任过各种职务，包括定制测试解决方案的项目经理和销售代表。他目前的职位是测试自动化和测试系统组件领域的顾问。
