本文翻譯自IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks
7. 橋接局域網的時間同步模型
7.1 概述
本節提供了理解廣義精確時間協議（gPTP）操作的模型，該協議規定了橋接分組交換LAN上時間感知系統的操作。 儘管該標準基於IEEE Std 1588-2008中描述的精確時間協議（PTP）（並且實際上是IEEE Std 1588在特定配置中的適當簡檔），但是存在差異，其在7.5中總結。
儘管該標準是作爲獨立文檔編寫的，但理解該文檔的第6章中描述的IEEE 1588體系結構是有用的。
7.2 時間感知的橋接局域網的體系結構
時間感知橋接LAN由許多時間感知系統組成，這些系統通過LAN互連，支持在該標準中定義的gPTP。 由具有gPTP功能的LAN互連的一組時間感知系統稱爲gPTP域。 有兩種類型的時間感知系統，如下所示：
a) 時間感知終端站，如果不是特級大師，則是時間信息的接收者，
b) 時間感知橋，如果不是特級大師，則從大師那裏接收時間信息（可能間接地通過其他時間感知的橋），應用校正來補償LAN和橋本身的延遲，並重新發送校正後的信息。
該標準定義了使用基於標準的程序進行延遲測量的機制，具體如下：
c) 使用全雙工點對點鏈路的IEEE 802.3以太網（第11條）
d) 使用無源光網絡（EPON）鏈路的IEEE 802.3以太網（第13條）
e) IEEE 802.11無線（第12條）
f) 通用協調共享網絡（CSN，例如MoCA和G.hn）（附件E）
圖7-1說明了使用所有這些網絡技術的示例時間感知網絡，其中多個本地網絡上的終端站通過EPON接入網絡連接到骨幹網上的主站。
任何具有時鐘源功能的時間感知系統都可以成爲潛在的大師，因此有一種選擇方法（最佳主時鐘算法，或BMCA）可確保gPTP域中的所有時間感知系統使用相同的大師。 BMCA與IEEE Std 1588-2008中使用的BMCA基本相同，但有些簡化。 在圖7-1中，BMCA過程導致了超級大師在網絡主幹上。 但是，如果接入網絡發生故障，本地網絡上的系統會自動切換到本地網絡上的一個潛在的大師，這個大師至少和其他任何大師一樣“好”。 例如，在圖7-2中，接入網絡鏈路出現故障，因此具有GPS參考源的潛在大師已經成爲活動的大師，現在有兩個gPTP域，之前只有一個。
7.3 時間同步
7.3.1 概述
gPTP中的時間同步以與IEEE Std 1588-2008中相同的方式（在摘要中）完成：主控制器將包括當前同步時間的信息發送到所有直接連接的時間感知系統。這些時間感知系統中的每一個必須通過添加信息從宏管理器傳輸通信路徑所需的傳播時間來校正所接收的同步時間。如果時間感知系統是時間感知橋，那麼它必須將校正的時間信息（包括對轉發過程中的延遲的附加校正）轉發給所有其他附加的時間感知系統。
爲了使這一切全部工作，必須準確知道兩個時間間隔：轉發延遲（稱爲停留時間），以及同步時間信息在兩個時間感知系統之間傳輸通信路徑所花費的時間。停留時間測量是橋本地的並且易於計算，而通信路徑延遲取決於許多因素，包括媒體相關屬性和路徑長度。
7.3.2 延遲測量
每種類型的LAN或通信路徑都有不同的方法來測量傳播時間，但它們都基於相同的原理：測量從一個設備發送某個消息的時間以及另一個設備接收到相同消息的時間，然後以相反方向發送另一個消息並執行與所示相同的測量，如圖7-3所示。
這種基本機制通過以下方式用於各種LAN：
a) 全雙工以太網LAN使用IEEE Std 1588-2008中定義的兩步對等（P2P）路徑延遲算法，其中消息稱爲Pdelay_Req，Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up。
b) IEEE 802.11無線LAN使用IEEE P802.11v（D15.0，2010年9月）中定義的定時測量過程，其中消息是“定時測量動作幀”及其對應的“ACK”。
c) EPON LAN使用發現過程，其中消息是“GATE”和“REGISTER_REQ”。
d) CSN使用與全雙工以太網相同的機制，或者使用特定CSN本地的方法（類似於IEEE 802.11和EPON使用本機方法的方式）。
7.3.3 邏輯諧振
先前描述的時間同步校正取決於延遲和停留時間測量的準確性。 如果用於此目的的時鐘被頻率鎖定（合成）給主時鐘，則所有時間間隔測量使用相同的時基。 由於實際調整振盪器的頻率（例如，使用PLL）是緩慢的並且傾向於獲得峯值效應，因此時間感知橋可以使用主時鐘頻率比來校正時間間隔測量。
每個時間感知系統在每個端口測量連接到該端口的鏈路另一端的時間感知系統的頻率與其自身時鐘頻率的比率。 主控頻率與本地時鐘頻率的累積比率累積在附加到Follow_Up消息的標準組織類型，長度，值（TLV）中。 大師相對於本地時鐘的頻率比用於計算同步時間，並且鄰居相對於本地時鐘的頻率比用於校正傳播時間測量。
由於兩個主要原因，通過累積相鄰頻率比來測量主時鐘頻率比。
首先，如果存在網絡重新配置並且選擇了新的主控，則不必重新測量最近鄰頻率，因爲它們是使用Pdelay消息不斷測量的。 這導致在接收到第一個Follow_Up消息時相對於新的大師的頻率偏移是已知的，這減少了重新配置期間同步時間中的任何瞬態的持續時間。 這對許多高端音頻應用都是有益的。
其次，沒有增益峯值效應，因爲一個節點處的頻率偏移誤差和導致的停留時間誤差不直接影響下游節點處的頻率偏移。
7.3.4 特級大師（最佳大師）選拔和網絡建立
所有時間感知系統都參與最佳主設備選擇，以便IEEE 802.1AS協議可以確定同步生成樹。 該同步生成樹可以與由IEEE 802.1D和IEEE 802.1Q快速生成樹協議（RSTP）確定的轉發生成樹不同，因爲由RSTP確定的生成樹可能是次優的，或甚至不適合於同步。
gPTP要求gPTP域中的所有網橋和終端站都是時間感知系統，即協議不通過“普通網橋”（滿足IEEE Std 802.1D-2004或IEEE Std 802.1Q-2005的要求，但不符合本標準的要求）傳輸定時 。 時間感知系統使用每個端口上的對等延遲機制來確定“普通網橋”是在鏈路的另一端還是在其自身與Pdelay響應器之間。 如果，在發送Pdelay_Req時
a) 沒有收到回覆，
b) 收到多個回覆，或
c) 測量的傳播延遲超過指定的閾值，那麼
該協議得出結論，存在“普通網橋”或端到端TC（參見IEEE Std 1588-2008）。 在這種情況下，連接到端口的鏈接被認爲不能運行gPTP，BMCA忽略它。
但是，端口繼續嘗試使用對等延遲機制（對於全雙工IEEE 802.3鏈路），MPCP消息（對於EPON）或IEEE P802.11v消息（對於IEEE 802.11鏈路）測量傳播延遲，並定期檢查鏈接是否能夠運行IEEE 802.1AS。
7.3.5 能量效率
當流量很少或沒有流量時，以相對較高的速率發送PTP消息與降低能耗的目標背道而馳。 該標準規定了一種請求鄰居端口降低發送Sync（和Follow_Up），對等延遲和Announce消息的速率的方法，並且還通知鄰居不要計算該鏈路上的鄰居速率比和/或傳播延遲。 時間感知系統在進入低功耗模式時可以執行此操作，但此標準未指定完成此操作的條件; 它僅指定了時間感知系統所採取的操作。
7.4 時間感知系統架構
時間感知系統的模型如圖7-4所示。
時間感知系統包括以下主要部分：
a) 如果時間感知系統包括使用或獲取時間信息的應用程序，則它們使用第9章中指定的應用程序接口與gPTP信息接口。
b) 單個媒體無關的部分，由ClockMaster，ClockSlave和SiteSync邏輯實體，一個或多個PortSync實體和LocalClock實體組成。 BMCA和邏輯端口與ClockSlave和ClockMaster之間的時間信息轉發由SiteSync實體完成，而時間同步校正所需的端口特定延遲的計算由PortSync實體完成。
c) 媒體相關端口，用於轉換從媒體無關層接收或發送到的抽象“MDSyncSend”和“MDSyncReceive”結構，以及用於連接到端口的特定LAN的相應方法。
在全雙工以太網端口的情況下，使用IEEE 1588 Sync和Follow_Up消息，並且當大師中發生變化時，Follow_up中的附加TLV用於速率比的通信以及相位和頻率變化的信息。 使用兩步IEEE 1588對等延遲機制測量路徑延遲。 這在第11條中定義。
對於IEEE 802.11端口，使用MAC層管理實體傳送定時信息以請求“定時測量”[如IEEE P802.11v（D15.0，2010年9月）中所定義]，其還發送將包括在內的所有內容。 全雙工以太網的Follow_up消息。 定時測量結果包括確定路徑延遲的所有信息。 這在第12條中定義。
對於EPON，定時信息使用第13章中定義的“慢速協議”進行通信.CSN使用與以太網全雙工相同的通信系統，如附件E中所定義。
7.5 gPTP和PTP的區別
a) gPTP假設時間感知系統之間的所有通信僅使用IEEE 802 MAC PDU和尋址完成，而IEEE 1588支持各種第2層和第3-4層通信方法。
b) gPTP指定了一個獨立於媒體的子層，它簡化了多種不同網絡技術的單個時序域內的集成，以避免它們各自具有完全不同的媒體訪問協議。 時間感知系統之間交換的信息已被推廣，以支持適合於特定網絡技術的不同分組格式和管理方案。 另一方面，IEEE 1588僅適用於IP版本4，IP版本6，以太網LAN和若干工業自動化控制協議。
c) 在gPTP中，只有兩種類型的時間感知系統：終端站和橋，而IEEE 1588具有普通時鐘，邊界時鐘，端到端透明時鐘和P2P透明時鐘。 時間感知終端站對應於IEEE 1588普通時鐘，時間感知橋接器是一種IEEE 1588邊界時鐘，其操作定義非常嚴格，以至於在如何執行同步方面，具有以太網端口的時間感知橋可以在數學上等效於P2P透明時鐘，如11.1.3所示。 時間感知系統測量鏈路延遲和停留時間，並在校正字段中傳達這些信息。
d) 時間感知系統僅與其他時間感知系統直接通信gPTP信息。 也就是說，gPTP域僅包含時間感知系統。 非時間感知網橋不能用於中繼gPTP信息。 在IEEE 1588中，可以在IEEE 1588域中使用非IEEE-1588感知的橋接器，儘管這會減慢時序收斂並引入必須由任何IEEE 1588時鐘濾波的額外抖動和漂移。
e) 對於以太網全雙工鏈路，gPTP需要使用對等延遲機制，而IEEE 1588也允許使用端到端延遲測量。
f) 對於以太網全雙工鏈路，gPTP需要使用兩步處理（使用Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up消息來傳達時間戳），而IEEE 1588允許一步處理（在運行時將發送消息的時間戳嵌入到消息中發送）。
g) 在穩態下，時間感知網絡中只有一個活躍的大師。 也就是說，只有一個gPTP域，而IEEE 1588允許多個重疊的時序域。
h) gPTP域中的所有時間感知系統在邏輯上是諧振的，這意味着它們都使用相同的頻率測量時間間隔。 這是通過7.3.3中描述的過程完成的，並且是強制性的。 IEEE 1588中的諧振是可選的，並且所使用的方法不是直接的並且需要更長的時間來收斂。
i) gPTP中使用的BMCA與IEEE 1588中使用的BMCA相同，但有以下例外：
1) 立即使用在從端口接收的並且不是由接收時間感知系統(本身？)發送的Anounce消息，即沒有外部大師限制
2) BMCA確定應該是主端口的端口立即進入主狀態，即沒有預主狀態
3) 不需要未校準狀態，因此不使用該狀態
4) 所有時間感知系統都需要參與最佳主選擇(即便它不具備成爲主時鐘的能力)
j) 最後，該標準包括時間感知應用程序的正式接口定義。 (參見第9章)IEEE Std 1588-2008未定義應用程序如何提供或獲取時間信息。