1  引言

      目前，運(yùn)營(yíng)商在大規(guī)模部署下一代網(wǎng)絡(luò)，分組交換網(wǎng)將替代TDM成為主流承載網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)全I(xiàn)P化的發(fā)展，在分組交換網(wǎng)絡(luò)上傳送TDM業(yè)務(wù)，IPTV業(yè)務(wù)，3G/4G等實(shí)時(shí)要求較高的應(yīng)用時(shí)，需要分組交換網(wǎng)絡(luò)提供更高質(zhì)量的同步與定時(shí)機(jī)制。傳統(tǒng)以太網(wǎng)沒(méi)有內(nèi)置時(shí)鐘的分布能力，同步以太網(wǎng)對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)做了一種擴(kuò)展，類似TDM網(wǎng)絡(luò)在物理層發(fā)布時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間時(shí)鐘頻率同步。但是還有一些應(yīng)用需要時(shí)間上的同步，IEEE1588-2008 PTP（Precision Timing Protocol）應(yīng)運(yùn)而生，成為公用的提供時(shí)間同步和頻率同步的協(xié)議。

      回顧同步技術(shù)的發(fā)展，我們?cè)谝蕴W(wǎng)上用過(guò)NTP技術(shù)，GPS技術(shù)或用T1/E1和以太網(wǎng)組成混合網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步能力，但由于NTP自身技術(shù)的限制，其精度只能在1~50ms之間；GPS廣泛應(yīng)用在CDMA基站和許多其它應(yīng)用，提供時(shí)間和頻率的同步，但GPS接收機(jī)需要在空中架設(shè)天線，在辦公室或運(yùn)營(yíng)商機(jī)房里實(shí)施是比較困難的；在T1/E1和以太網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò)，用T1/E1傳遞時(shí)鐘，用以太網(wǎng)擴(kuò)大帶寬，但從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本來(lái)講用這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。IEEE1588v2是一種精確時(shí)間同步協(xié)議，可以認(rèn)為是對(duì)NTP協(xié)議的一種進(jìn)化版本，IEEE1588v1精度可以達(dá)到亞ms級(jí)，IEEEv2精度可以達(dá)到亞us級(jí)的精度。IEEE1588v2對(duì)IEEE1588v1進(jìn)行了改進(jìn)和提高，提高了同步精度，加入了故障容限，滿足冗余和安全的保障功能，并引入邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘兩種新類型設(shè)備。通過(guò)主從設(shè)備間傳遞PTP消息包，從時(shí)鐘計(jì)算時(shí)間和頻率偏移，實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘的頻率和時(shí)間的同步。

      在研發(fā)和部署PTP設(shè)備時(shí)，在主要功能、性能和壓力測(cè)試方面，我們面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，對(duì)PTP的協(xié)議測(cè)試主要有以下方面：

      （1）校正系數(shù)測(cè)試：測(cè)試PTP設(shè)備是否能精確計(jì)算校正系數(shù)（Correction Factor）。

      （2）PTP設(shè)備規(guī)模測(cè)試：測(cè)試主時(shí)鐘在不同的各種消息速率下，能夠支持的最大從時(shí)鐘數(shù)。

      （3）BMC測(cè)試：主要指最佳主時(shí)鐘（BMC）選擇測(cè)試和錯(cuò)誤倒換測(cè)試。

      （4）對(duì)PTP包優(yōu)先級(jí)的測(cè)試：測(cè)試PTP設(shè)備如何對(duì)PTP的包做到有保證的轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)合L2和L3 QoS的測(cè)試。

      （5）多時(shí)間域測(cè)試：測(cè)試多時(shí)間域的規(guī)模和多時(shí)間域下是否有相互交互。

      （6）加載控制面：在測(cè)試PTP協(xié)議時(shí)，通過(guò)仿真STP和路由協(xié)議等，可以加載控制平面，并同時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定情況。

      （7）異常測(cè)試和加載額外壓力的測(cè)試。

      （8）協(xié)議定時(shí)器的測(cè)試：例如在發(fā)送了Sync消息以后可以控制發(fā)送Follow UP的間隔時(shí)間。

      （9）穩(wěn)定性測(cè)試：通過(guò)發(fā)送異常包來(lái)測(cè)試PTP設(shè)備的穩(wěn)定性。

      2  主要測(cè)試項(xiàng)目

      2.1  校正系數(shù)錯(cuò)誤測(cè)試（Correction Factor Error）

      透?jìng)鲿r(shí)鐘（Transparent Clock）最重要的一個(gè)功能就是能夠正確測(cè)量PTP包經(jīng)過(guò)它時(shí)的延遲（ns級(jí)），這個(gè)延遲我們又叫做“駐留時(shí)間”。透?jìng)鲿r(shí)鐘在發(fā)向下游的PTP消息里攜帶延遲信息，稱為校正系數(shù)（Correction Factor），如果CF不準(zhǔn)確，下游的從時(shí)鐘就無(wú)法與上游的主時(shí)鐘精確同步。

      用IXIA測(cè)試儀表可以測(cè)量每個(gè)PTP包經(jīng)過(guò)透?jìng)鲿r(shí)鐘的實(shí)際延遲，并比較PTP消息里所報(bào)告的CF值，可以更有效地測(cè)試透?jìng)鲿r(shí)鐘所計(jì)算的CF值是否準(zhǔn)確。CF Error計(jì)算公式為：CF Error=Correction Factor-Actual Latency。

      CF Error如果是正的，則表示透?jìng)鲿r(shí)鐘過(guò)高估算了駐留時(shí)間。反之，則表示透?jìng)鲿r(shí)鐘過(guò)低估算了駐留時(shí)間。如果CF Error過(guò)大和變化過(guò)大，將引起下游的從時(shí)鐘同步丟失。通常CF值在幾十ns是可以接受的。在ISPCS2009研討會(huì)上IXIA展示了CF的測(cè)試結(jié)果，被公認(rèn)為是透?jìng)鲿r(shí)鐘測(cè)試的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

      （1）IXIA測(cè)試的配置模式

      ●校準(zhǔn)模式：用校準(zhǔn)線纜直接背靠背連接IXIA測(cè)試儀表的兩個(gè)端口，執(zhí)行校準(zhǔn)過(guò)程（見圖1）。

      圖1  校準(zhǔn)測(cè)試拓?fù)鋱D

      ●測(cè)試模式：用測(cè)試儀表的兩個(gè)端口連接被測(cè)設(shè)備的兩個(gè)端口，執(zhí)行測(cè)試過(guò)程。校準(zhǔn)線纜長(zhǎng)度是測(cè)試線纜的2倍（見圖2）。

      圖2  Correction Factor Error測(cè)試拓?fù)鋱D

      為了測(cè)試的準(zhǔn)確性，在測(cè)試前需先校準(zhǔn)，減少由于測(cè)試儀表內(nèi)部的時(shí)間開銷或光纜/電纜傳送的延遲引起的不準(zhǔn)確性，主要包括：測(cè)試儀表內(nèi)部的時(shí)間開銷和通過(guò)光纜或電纜傳送的延遲（如五類電纜線的傳送延遲是48ns/m，光纜傳送延遲是29ns/m）。圖3所示的是校準(zhǔn)幫助修正測(cè)試儀表內(nèi)部時(shí)間開銷和線纜傳送延遲示意圖。

       圖3  校準(zhǔn)幫助修正測(cè)試儀表內(nèi)部時(shí)間開銷和線纜傳送延遲

      （2）CF Error測(cè)試步驟

      ●校準(zhǔn)時(shí)間戳

      ①在兩個(gè)測(cè)試端口分別設(shè)置主時(shí)鐘仿真和從時(shí)鐘仿真，Tx和Rx校準(zhǔn)因子（Calibration Factor）的缺省值為0，測(cè)試拓?fù)淙鐖D1所示。

      ②測(cè)試執(zhí)行一段時(shí)間后，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)顯示平均Sync Latency和平均Delay Request Latency。

      ③在模擬主時(shí)鐘的測(cè)試端口，我們可以根據(jù)公式（1）和公式（2）配置Tx和Rx校準(zhǔn)因子（Calibration Factor）：

      Tx Calibration Factor=Sync Latency/2                         （1）

      Rx Calibration Factor=Delay Request Latency/2                （2）

      ④在模擬從時(shí)鐘的測(cè)試端口，可以根據(jù)公式（3）和公式（4）配置Tx和Rx校準(zhǔn)因子      （Calibration Factor）：

      Tx Calibration Factor=Delay Request Latency/2                    （3）

      Rx Calibration Factor=Sync Latency/2                            （4）

⑤重新啟動(dòng)測(cè)試，再?gòu)臅r(shí)鐘結(jié)果顯示界面，可以檢查Sync Latency的值（接近0，低于100ns），Delay Request Latency的值（接近0，低于100ns），Latency Asymmetry的值（接近0，低于50ns），Offset From Master (OFM)的值（接近0，低于100ns）的參數(shù)：

可以微調(diào)校準(zhǔn)因子（Calibration Factor），使得以上參數(shù)接近0。

●在兩個(gè)測(cè)試端口分別模擬主時(shí)鐘和從時(shí)鐘

在主時(shí)鐘測(cè)試接口發(fā)送Sync message的速率，在從時(shí)鐘測(cè)試接口發(fā)送Delay Request的速率可以調(diào)節(jié)。測(cè)試拓?fù)淙鐖D2所示。

●測(cè)試結(jié)果

如圖4所示，測(cè)試結(jié)果會(huì)非常直觀地顯示在界面上，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)顯示Sync Correction Factor Error和Delay Request Correction Factor Error等。

圖4  CF Error測(cè)試結(jié)果

●變化以下條件，重復(fù)上述測(cè)試步驟

①加快Sync和Delay Request消息的發(fā)送速率。

②增加在一個(gè)測(cè)試端口模擬從時(shí)鐘的數(shù)量。

③用多對(duì)端口，并分布在不同的時(shí)間域中雙向測(cè)試，由于端口的不對(duì)稱，發(fā)現(xiàn)商用透?jìng)鲿r(shí)鐘在多端口存在測(cè)試結(jié)果的差異性，因此需要我們用多對(duì)端口測(cè)試，可以觀察在大的壓力下透?jìng)鲿r(shí)鐘計(jì)算CF值的準(zhǔn)確性。

④同時(shí)在多個(gè)時(shí)間域中執(zhí)行測(cè)試。這將測(cè)試透?jìng)鲿r(shí)鐘是否會(huì)與上行多個(gè)主時(shí)鐘（在多個(gè)時(shí)間域）同步。如果不能同步上，透?jìng)鲿r(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)就會(huì)不準(zhǔn)確，造成CF值的計(jì)算錯(cuò)誤。
⑤在測(cè)試過(guò)程中，在數(shù)據(jù)平面可以增加背景業(yè)務(wù)流，模擬真實(shí)環(huán)境。

⑥在控制平面，可以同時(shí)仿真多個(gè)協(xié)議，例如同時(shí)仿真最小生成樹和其它路由協(xié)議。

⑦PTP協(xié)議可以在單播和組播兩種模式下分別進(jìn)行測(cè)試。

2.2  PTP大規(guī)模測(cè)試（PTP Scalability）

大多數(shù)PTP系統(tǒng)里有很多從時(shí)鐘。在系統(tǒng)中隨著從時(shí)鐘數(shù)量的增加，會(huì)加重主時(shí)鐘或邊界時(shí)鐘的處理負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)、布置和升級(jí)PTP設(shè)備的時(shí)候，主時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘的大規(guī)?；鶞?zhǔn)測(cè)試非常重要。利用IXIA測(cè)試系統(tǒng)，可以非常容易模擬在多個(gè)時(shí)間域里大量的主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。PTP設(shè)備所能支持的規(guī)模與很多因素有關(guān)，例如，Sync和Delay-Request消息的發(fā)送速率，是用單播模式還是組播模式等。以下詳細(xì)介紹測(cè)試主時(shí)鐘規(guī)模的測(cè)試方法。測(cè)試拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5  PTP大規(guī)模測(cè)試拓?fù)鋱D

（1）測(cè)試步驟

●IXIA測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每塊板卡上CPU和內(nèi)存的占用情況。啟動(dòng)Dashboard功能，以保證測(cè)試的瓶頸不是由于測(cè)試儀表造成的。如果發(fā)現(xiàn)測(cè)試儀表板卡的CPU和內(nèi)存的占用過(guò)高，可以使用更多數(shù)量的測(cè)試板卡，以降低每塊測(cè)試板卡的壓力，并可把壓力匯聚到被測(cè)系統(tǒng)。

●仿真50個(gè)從時(shí)鐘，建立從時(shí)鐘的速率可以設(shè)置為5 slaves/100sm。

●判斷被測(cè)設(shè)備主時(shí)鐘能支持的最大從時(shí)鐘數(shù)量。根據(jù)兩個(gè)條件判斷，即所有仿真的從時(shí)鐘都達(dá)到Slave狀態(tài)；經(jīng)過(guò)一段測(cè)試時(shí)間，從時(shí)鐘所發(fā)送的Delay response 消息數(shù)應(yīng)等于所接收的Delay request消息數(shù)。

●如果通過(guò)測(cè)試，則再增加從時(shí)鐘的數(shù)量；如果沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，就減少?gòu)臅r(shí)鐘的數(shù)量。用二次折半法，可以測(cè)試出被測(cè)設(shè)備所能支持的最大從時(shí)鐘數(shù)量（見表1）。也可以通過(guò)改變不同消息的發(fā)送速率，來(lái)測(cè)量被測(cè)設(shè)備所能支持最大的從時(shí)鐘數(shù)量（見表2）。

表1  用二次折半法查找被測(cè)設(shè)備所支持的最大從時(shí)鐘數(shù)量

表2  在不同的條件下測(cè)量被測(cè)設(shè)備所支持的從時(shí)鐘數(shù)量

●在測(cè)試過(guò)程中，改變條件（在多個(gè)時(shí)間域中測(cè)試，在單播和多播兩種模式下進(jìn)行測(cè)試，在one-step模式和two-step模式下進(jìn)行測(cè)試）來(lái)測(cè)試被測(cè)設(shè)備的規(guī)模基準(zhǔn)。
2.3  最佳主時(shí)鐘選擇算法（Best Master Clock）

最佳主時(shí)鐘（MBC）選擇算法主要應(yīng)用在從時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘的從時(shí)鐘端口上，在本時(shí)間域選擇質(zhì)量最好的主時(shí)鐘。此算法主要是比較不同的時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)，以特定的優(yōu)先級(jí)順序選擇最佳主時(shí)鐘。IXIA測(cè)試系統(tǒng)可以模擬多個(gè)帶有不同時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)的主時(shí)鐘。如果被測(cè)設(shè)備是邊界時(shí)鐘，則下游IXIA測(cè)試系統(tǒng)所仿真的從時(shí)鐘可以很容易地確定系統(tǒng)的祖時(shí)鐘（Grandmaster）和被測(cè)設(shè)備所選擇的是否相同。以測(cè)試邊界時(shí)鐘為例，詳細(xì)介紹測(cè)試過(guò)程，測(cè)試拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6  BMC測(cè)試拓?fù)鋱D

測(cè)試步驟如下：

（1）在IXIA測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)測(cè)試端口上分別仿真兩個(gè)主時(shí)鐘Master Clock 1和Master Clock 2，但兩個(gè)主時(shí)鐘的時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)不同。Master Clock 2的時(shí)鐘質(zhì)量低于Master Clock 1的時(shí)鐘質(zhì)量，但高于被測(cè)設(shè)備的時(shí)鐘質(zhì)量。

（2）在IXIA測(cè)試系統(tǒng)的第3個(gè)測(cè)試端口仿真從時(shí)鐘，目的是在從時(shí)鐘上查看Grandmaster Clock ID和Clock Quality參數(shù)是否與被測(cè)設(shè)備所選定的相同。

（3）在被測(cè)設(shè)備和所仿真的從時(shí)鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為Master Clock 1。

（4）改變Master Clock 1和Master Clock 2的時(shí)鐘質(zhì)量，使Master Clock2的時(shí)鐘質(zhì)量高于Master 1，重新執(zhí)行測(cè)試。

（5）在被測(cè)設(shè)備和所仿真的從時(shí)鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（6）如果現(xiàn)有的最佳時(shí)鐘損壞了，被測(cè)設(shè)備是否會(huì)選擇次佳時(shí)鐘。仿真Master Clock 1出現(xiàn)故障，在被測(cè)設(shè)備和所仿真的從時(shí)鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（7）讓兩個(gè)或更多Clock Quality參數(shù)的組合不斷變化，重復(fù)以上測(cè)試；可以在組播和單播兩種模式下重復(fù)以上測(cè)試；在多個(gè)端口仿真多個(gè)主時(shí)鐘，并且分布在不同的時(shí)間域里，重復(fù)以上測(cè)試。

3  IXIA IEEE1588測(cè)試解決方案

IXIA IEEE1588測(cè)試軟件提供了全面和豐富的測(cè)試功能。用于測(cè)試主/從時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘的協(xié)議功能，性能和規(guī)模。

3.1  測(cè)試功能

（1）可以在一個(gè)端口仿真多個(gè)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，并分布在不同時(shí)間域。

（2）可以實(shí)時(shí)地測(cè)試主要性能參數(shù)，例如校正系數(shù)錯(cuò)誤（Correction Factor Error），主時(shí)鐘的時(shí)間開銷和平均路徑延遲。

（3）能夠控制協(xié)議仿真性能，例如對(duì)于Follow-up Delay，可以仿真立即或延遲很大的Follow-up消息，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的性能影響很大。

（4）可以全面設(shè)置主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的屬性，包括Unicast和Multicast模式，one-step和two-step行為，Unicast協(xié)商，QoS級(jí)別，時(shí)間域，Clock ID，時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)，E2E和P2P參數(shù)，Announce/Sync/Delay-Request 消息間隔等。

（5）可以在測(cè)試運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)改變參數(shù)（如發(fā)送消息速率）。

（6）可以實(shí)時(shí)跟蹤PTP仿真狀態(tài)和觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

（7）可以跟蹤時(shí)間值（如T1，T1等），以便更詳細(xì)的故障排除。

（8）在PTP仿真的同時(shí)，在相同端口可以同時(shí)加入其它協(xié)議的仿真（如STP和路由協(xié)議的仿真等）；也可以在相同端口加載流量，模擬真實(shí)的背景業(yè)務(wù)流。

（9）可以模擬復(fù)雜的PTP DDoS攻擊。

（10）提供對(duì)被測(cè)設(shè)備容錯(cuò)能力的測(cè)試。

3.2  特色

（1）在大壓力的環(huán)境下，可以測(cè)試透?jìng)鲿r(shí)鐘的校正系數(shù)錯(cuò)誤（CF Error）

IXIA IEEE1588可以快速地監(jiān)測(cè)和測(cè)量透?jìng)鲿r(shí)鐘CF Error，通過(guò)比較Sync消息所報(bào)告的Correction Factor和用硬件級(jí)的時(shí)間戳所測(cè)量的實(shí)際在被測(cè)設(shè)備的駐留時(shí)間（包轉(zhuǎn)發(fā)延遲），測(cè)試儀表可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到CF Error。為了更準(zhǔn)確的測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)提供校準(zhǔn)功能，可以消除測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘和光纖/電纜傳送時(shí)間。

（2）能夠有效驗(yàn)證BMC和錯(cuò)誤倒換

IXIA IEEE1588提供全面的BMC測(cè)試解決方案，用來(lái)測(cè)試透?jìng)鲿r(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和從時(shí)鐘的處理速度和支持規(guī)模。IXIA IEEE 1588可以在每個(gè)時(shí)間域?qū)崟r(shí)跟蹤和顯示當(dāng)前的主時(shí)鐘和上次變化的時(shí)間，以便測(cè)試主時(shí)鐘的改變和BMC的性能，所能支持的主要測(cè)試場(chǎng)景包括：

●最優(yōu)主時(shí)鐘選擇：可以測(cè)試BMC的精確度和處理速度。

●錯(cuò)誤倒換測(cè)試：可以仿真錯(cuò)誤主時(shí)鐘，驗(yàn)證次優(yōu)主時(shí)鐘的選擇和倒換時(shí)間。

●模擬主時(shí)鐘振蕩：通過(guò)停止和重發(fā)Announce或Sync消息，可以仿真主時(shí)鐘不斷振蕩的情況，用以測(cè)試主時(shí)鐘的操作和穩(wěn)定性。

●實(shí)時(shí)改變時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)：可以實(shí)時(shí)改變時(shí)鐘質(zhì)量屬性，用以對(duì)IEEE 1588 BMC執(zhí)行協(xié)議一致性認(rèn)證。

●彈性測(cè)試：可以插入不正確的Announce消息，驗(yàn)證被測(cè)系統(tǒng)對(duì)BMC處理的穩(wěn)定性。

●不同時(shí)間域的相互作用：通過(guò)模擬多個(gè)不同時(shí)間域的主時(shí)鐘并改變所報(bào)告的主時(shí)鐘質(zhì)量，來(lái)驗(yàn)證時(shí)鐘能夠區(qū)分不同時(shí)間域并能夠在同一時(shí)間處理多個(gè)時(shí)間域。

●可以驗(yàn)證CF的精確性：在BMC處理出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以檢測(cè)透?jìng)鲿r(shí)鐘的CF Error，以確認(rèn)透?jìng)鲿r(shí)鐘是否會(huì)受到影響。

4  結(jié)束語(yǔ)

IEEE1588最初是由Agilent Laboratories(安捷倫實(shí)驗(yàn)室)發(fā)明，并得到IEEE的贊助，2002年11月得到IEEE批準(zhǔn)。Agilent在此測(cè)試領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，隨著IXIA收購(gòu)Agilent N2X，兩家公司將聯(lián)手推出業(yè)界最領(lǐng)先的測(cè)試解決方案。IEEE1588作為測(cè)試的新興領(lǐng)域，IXIA引領(lǐng)了業(yè)界的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。