1588V2技术白皮书-USB迷|专注于互联网分享

2024年10月23日发(作者：多凝芙)

1588v2技术白皮书

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Huawei Technologies Co., Ltd.

华为技术有限公司

1 背景介绍 ................................................................................................................................... 5

1.1 同步概述 ....................................................................................................................... 5

1.1.1

1.1.2

1.1.3

1.2

频率同步 ........................................................................................................... 5

时间同步 ........................................................................................................... 5

时间同步与频率同步的区别 ........................................................................... 6

移动承载网络的同步需求 ........................................................................................... 6

1.2.1

1.2.2

1.2.3

不同无线制式对同步的要求 ........................................................................... 6

现有的时间同步解决方案 ............................................................................... 7

1588v2同步传送方案 ...................................................................................... 8

2 1588v2技术介绍 ...................................................................................................................... 9

2.1

2.2

2.3

1588V2标准介绍 ......................................................................................................... 9

1588V2版本新增的特性 ............................................................................................. 9

1588v2协议简介 .......................................................................................................... 9

2.3.1

2.3.2

2.3.3

2.3.4

2.3.5

2.3.6

2.3.7

网络节点模型 ................................................................................................... 9

1588V2时戳 ................................................................................................... 14

1588报文 ........................................................................................................ 15

同步实现过程 ................................................................................................. 23

建立主从层次 ................................................................................................. 23

频率同步 ......................................................................................................... 26

时间同步 ......................................................................................................... 27

3 1588v2典型应用场景 ............................................................................................................ 29

3.1

3.2

3.3

全网同步（BC模式） .............................................................................................. 29

时间透传（TC模式） ............................................................................................... 30

网络保护 ..................................................................................................................... 31

4 1588v2部署考虑 .................................................................................................................... 32

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

1588V2网络规划 ....................................................................................................... 32

物理拓扑对同步精度的影响 ..................................................................................... 32

准确度问题 ................................................................................................................. 32

系统实现问题 ............................................................................................................. 33

性能考虑 ..................................................................................................................... 33

图表目录

图1 时间同步与频率同步示意图 .......................................................................................... 6

图2 现有时间同步解决方案 .................................................................................................. 7

图3 1588v2同步传送方案 ...................................................................................................... 8

图4 BMC算法示意图 ........................................................................................................... 24

图5 简单主从时钟体系 ........................................................................................................ 25

图6 修剪后的MESH网络拓扑 ........................................................................................... 25

图7 1588V2频率同步原理 ................................................................................................... 26

图8 Delay-Req机制测量平均路径延时原理 ....................................................................... 27

图9 Pdelay机制测量平均路径延时原理 ............................................................................. 28

图10 时间校正 ...................................................................................................................... 29

图11 1588v2全网同步应用场景 .......................................................................................... 29

图12 1588v2时间透传应用场景 .......................................................................................... 30

图13 1588v2网络保护应用场景 .......................................................................................... 31

图14 1588v2同步网络架构 .................................................................................................. 32

表格目录

表1 不同无线制式对时钟精度的要求 .................................................................................. 6

1 背景介绍

1.1 同步概述

现代通信网络对于同步的需求主要包括频率同步和时间同步两类需求。

1.1.1 频率同步

频率同步，大家通常称之为时钟同步，是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特

定关系，其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同的

速率运行。

数字通信网中传递的是对信息进行编码后得到的PCM（Pulse Code Modulation）离散脉

冲。若两个数字交换设备之间的时钟频率不一致，或者由于数字比特流在传输中因干扰损伤，

而叠加了相位漂移和抖动，就会在数字交换系统的缓冲存储器中产生码元的丢失或重复，导

致在传输的比特流中出现滑动损伤。

1.1.2 时间同步

一般所说的“时间”有两种含义：时刻和时间间隔。前者指连续流逝的时间的某一瞬间，

后者是指两个瞬间之间的间隔长度。

时间同步的操作就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。时间同步的调控

原理与频率同步对时钟的调控原理相似，它既调控时钟的频率又调控时钟的相位，同时将时

钟的相位以数值表示，即时刻，表示当前的年、月、日、时、分、秒、毫秒、纳秒。时间同

步接受非连续的时间参考源信息校准设备时间，使时刻达到同步；而时钟同步是跟踪时钟源

达到频率同步。

时间同步有两个主要的功能：授时和守时。用通俗的语音描述，授时就是“对表”。通

过不定期的对表动作，将本地时刻与标准时刻相位同步；守时就是前面提到的频率同步，保

证在对表的间隙里，本地时刻与标准时刻偏差不要太大。

1.1.3 时间同步与频率同步的区别

图1 时间同步与频率同步示意图

上图给出了时间同步与频率同步的区别。如果两个表（Watch A与Watch B）每时每刻

的时间都保持一致，这个状态叫时间同步（Phase synchronization）；如果两个表的时间不一

样，但是走得一样快，始终保持一个恒定的差，比如6小时，那么这个状态称为频率同步

(Frequency synchronization)。

1.2 移动承载网络的同步需求

在移动承载网络中，除了TDM业务本身的需求，往往还需要给无线基站提供同步参考

源。随着无线技术向3G和LTE演进，时间同步逐渐成为主流。这就对承载网提出了时间同

步的新需求。

1.2.1 不同无线制式对同步的要求

无线技术存在多种制式，不同制式下对同步有不同的需求，下表是常见的一些无线制式

对同步的需求。

表1 不同无线制式对时钟精度的要求

无线制式

GSM

WCDMA

TD-SCDMA

频率精度要求

0.05ppm

时间同步要求

+/-1.5us

CDMA2000

WiMax FDD

WiMax TDD

LTE TDD

0.05ppm

+/-3us

+/-0.5us

+/-1.5us

总的来看，以GSM/WCDMA为代表的欧洲标准采用的是FDD制式，只需要频率同步，

精度要求0.05ppm（或者50ppb）。而以TD-SCDMA/CDMA2000代表的TDD制式，同时需

要频率同步和时间同步。

无线基站之间在软切换时，如果基站管理器（RNC）和基站（NodeB）没有时间同步，

可能导致在选择器中发生邮件指令不匹配，从而使通话连接不能建立起来。时间和频率的偏

差还会影响移动台在基站间切换的成功率。另外，时间同步能够有效提高无线空间频谱利用

率，即使是传统GSM系统，在增加时间同步后，频谱利用率可以大幅提高。因此，时间同

步将成为未来无线系统发展的趋势。

1.2.2 现有的时间同步解决方案

传统的时间同步链路是采用NTP传送方式实现，该协议最大的缺点只能满足ms级别

的时间传递精度，这对于无线时间同步基站所需的us级时间精度是远远不够的。而在基站

侧，目前是采用GPS解决频率和时间同步问题。

图2 现有时间同步解决方案

但是采用GPS进行时间同步存在诸多问题：

1、安装选址难，尤其是室内覆盖基站；

2、维护困难，GPS系统故障率高，超过了1%，出现故障时需要上站维护；

3、馈线铺设困难，馈线较长时需要加装放大器并考虑馈电，室内覆盖基站馈线长，情

况更加复杂；

4、安全隐患高，这种方法依赖于美国GPS系统，紧急情况下整网可能因失步而瘫痪，

且GPS系统目前存在失效的可能；

5、成本高，每一个基站均需要配置一套GPS系统，安装、维护成本更高（尤其是在海

外）。

针对无线时间同步基站高精度时间的需求以及现有GPS解决方案的种种弊端，运营商

迫切希望能够有一种高精度的地面传送时间同步方案。

1.2.3 1588v2同步传送方案

IEEE协议组织提出了IEEE1588V2精确时间传送协议，该协议可以实现亚微秒级精度

的时间同步，精度与当前的GPS实现方案类似，但是在成本、维护、安全等方面有一定的

优势，成为业界最热门的时间传递协议，其主要优势有：

1、空间本地化：应用于支持多播消息的局域网（包括但不限于以太网）通信；

2、高同步精度：ns级别；免管理；协议完善的状态机和管理消息减少人工干预；

3、低成本：最小化网络资源和处理器计算资源需求，以实现低成本应用；

4、符合网络转型趋势：IP网络-承载未来的融合网络。

下图是一个典型的1588v2同步传送方案，时间源通过GPS/北斗/GLONASS等多种方式

注入，承载设备通过1588v2协议传送时间信息，基站可通过1588v2或1pps+TOD接口从承

载设备获取时间信息，达到与时间源同步的目的，精度可达到ns级，完全能够满足无线基

站要求。

图3 1588v2同步传送方案

2 1588v2技术介绍

2.1 1588V2标准介绍

IEEE1588的全称是《IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for

Networked Measurement and Control Systems》（即《网络测量和控制系统的精密时钟同步协

议标准》），2002年底通过IEEE标准委员会认证，1588V1正式发布。随着1588在工业控制

的广泛应用，以及逐渐引入电信网络，提出了1588V1版本存在的一些缺陷。IEEE又于2006

年6月份输出1588 V2版本草稿，并在2007年完成修订，在2008年3月份正式发布了1588V2

版本协议。

2.2 1588V2版本新增的特性

相对于1588V1版本，1588V2版本新增的主要特性如下：

1、更高的精度，在物理接口采用硬件打戳，获得ns级的精度；

2、更快的Sync报文速率；

3、PTP报文长度更短，同时新增了单播协商报文，P2P 延时机制报文；

4、引入TC时钟；

5、故障容限，它用来保证不会因为某单一网络单元失效引起对端时钟也故障；

6、TLV扩展用来延伸协议特性和功能；

7、将1588映射到其他传输机制，如1588 over IPV4、IPV6。

2.3 1588v2协议简介

2.3.1 网络节点模型

IEEE 1588v2定义了5种网络节点模型：OC（普通时钟）、BC（边界时钟）、E2E TC（E2E

透明时钟）、P2P TC（P2P 透明时钟）、管理节点。上图描述了用于同步的4种节点模型，

管理节点仅用于同步节点的配置管理，本身不提供同步功能。由于大多数通信网络和设备本

身就是有网管的，因此并非所有厂家都支持独立的管理节点，而是通过通信网络本身的网管

来对1588V2同步网进行管理。

 OC(Ordinary clock)：普通时钟

OC节点的设备模型如上图所示，其特征如下：

1）OC节点只包含一个物理接口：物理接口上有两个逻辑接口，分别是发送和接收Event

消息的Event接口和发送和接收general消息的general接口；

2）包含一个本地时钟：OC设备端口是从状态时，本地时钟同步于它的主时钟。如果

端口是主状态，本地时钟自由运行或者可能同步于一个外部定时(例如GPS)。

3）包含一个时间戳生成模块：时间戳生成模块基于本地时钟对Event消息打时间戳；

4）包含一个PTP协议引擎：发送和接收PTP消息，维护数据集，执行端口相关状态机，

计算主时钟。

5）包含数据集：一个时钟数据集和一个端口数据集。

6）报文处理：除信令报文和管理报文外，其他报文均在OC节点终结或者产生。

由于OC节点只有一个物理端口，在实际应用中，要么是首节点Grand Master，要么是

末节点Slave，如BITS一般配置为OC模式，作为整个网络的Grand Master；而基站作为最

末端的Slave设备，也配置为OC模式。

 BC(Boundary clock)：边界时钟

BC节点有多个物理接口同网络通信，每个物理端口行为都类似于Ordinary Clock的端

口，可连接多个子域，主要特征如下：

1）BC设备包含有多个物理端口：每个物理端口通过两个逻辑接口（event和general

接口）来与网络通信。

2）包含一个本地时钟：BC设备的所有端口使用相同的本地时钟，它同步于一个外部

定时。

3）包含N个时钟戳生成模块：基于本地时钟对每个端口的EVENT消息打时钟戳

4）包含N个PTP协议引擎：解析所有端口状态，以决定哪一个端口来提供用于同步本

地时钟设备的时间信号。

5）包含数据集：一个时钟数据集，N个端口数据集。

6）报文处理：除信令报文和管理报文外，其他报文均在BC节点终结或者产生。

BC节点在实际应用中，设备本身的时间同步于上游网元，同时把同步后的设备时间向

下游设备分发。

 E2E TC(End-to-end transparent clock)：E2E

E2E TC设备有多个接口，它转发所有PTP消息，并测量PTP事件消息经过该设备的驻

留时间，并进行修正。

1）包含n个物理端口，通过两个逻辑接口（event和general接口）来与网络通信。

包含N个时钟戳生成模块：基于本地时钟对每个端口通过的Sync和Follow_Up消息打

时钟戳。

2）包含1个驻留时间桥：修正Sync和Follow_Up消息的驻留时间并转发，更新数据

集，透明转发其他PTP消息。

驻留时间桥修正时间消息通过PTP节点引入的延时。驻留时间是指一个PTP event消息

通过TC设备的时间，驻留时间的测量基于该event消息进入和离开TC设备时所生成的时

间戳的差。适用于E2E TC设备和P2PTC设备。

驻留时间的修正值应该对应到设备的每一个输出端口和每一个消息。测量后的驻留时间

会累计在PTP event消息或相关Follow_Up消息（Follow_Up或Pdelay_Resp_Follow_Up）里

的 correctionField字段。

 P2P TC(Peer-to-peer transparent clock)：

P2P TC设备有多个接口，与E2E TC设备相比，它还可以测量该设备每个端口相连链

路的延迟，并进行修正。

1）包含1个本地时钟RC或RE1：所有端口使用这个本地时钟产生修正驻留时间的时

间戳，这两个本地时钟和E2E TC中的相同。

2）包含N个本地时钟RE2(Rate Estimation relative to neighbor)：所有端口使用Pdelay

机制测量和相邻端口之间的链路延时，每个端口包含一个RE2来产生Pdelay相关消息的时

间戳。

对于ONE-STEP P2P TC设备，将链路延时累积到sync消息里的correctionField字段中，

在TC的出端口，将TC的驻留时间加入到Sync消息的correctionField中。

对于TWO-STEP P2P TC设备，将链路延时累积到sync消息关联的Follow_Up消

息里的correctionField字段中，在TC的出端口，将TC的驻留时间加入到Follow_Up消息

的correctionField中。

 E2E TC和P2P TC的区别

1、P2P TC时钟设备在每个端口通过Pdelay机制测量该端口和相邻节点端口之间的链

路延时。

2、E2E TC修正并转发所有PTP定时消息，这些消息中相应的correctionField根据下列

数值予以更新：Sync消息在P2P TC内的驻留时间以及接收Sync消息的端口上的链路延时。

3、通过P2P TC组成的网络，最终提供给从时钟的定时信息，总是反映了网络的实际

路径信息。而使用E2E方式修正延时，从时钟会等待基于Sync、Delay_Resp消息组合给出

的新路径延时数值，这样会花费更多的时间。

4、使用Pdelay机制测量路径延时，这种方式与基于延时请求-响应机制的路径延时测

量方式不能互通。同样的，E2E TC设备也只支持延时请求-响应机制，不支持Pdelay机制。

如果一个网络在某个区域中有P2P TC设备，而在另外一个区域有E2E TC设备，这两个区

域只能通过BC连接。

从上述描述可以看出，除信令报文和管理报文外，TC节点本身是不终结1588V2报文

的。对于Event 报文，除了转发，还需要计算报文经过TC节点的驻留时间；对于General 报

文，TC节点只做转发，不计算驻留时间。TC节点对1588V2报文的转发机制，不在IEEE

1588V2协议规定的范围内，取决于具体设备的转发机制，遵循转发协议的相关标准。

 PTP管理设备：

该设备具有多个接口，提供PTP管理消息的管理接口。由于管理节点不是重点，不做

详细介绍。

2.3.2 1588V2时戳

当PTP消息穿过节点内的协议栈时，消息时间戳点通过协议栈定义的特定参

考点（如A、B、C点）时产生时间戳。参考点越靠近实际的物理连接点，引起的

定时误差就越小，下图中的A点即为最佳参考点。正是因为1588V2在最靠近物理

层的PHY和MAC之间打戳，有效规避了协议层带来的不确定延时，才可以获得ns

级的同步精度，满足电信网络的高精度时间同步需求。

1588V2时戳实际上记录的是1588V2 EVENT报文到达设备物理端口的，经过时

戳点时的时间，用一个80bit的计数值来表示，包含48bit的秒、32bit的纳秒部

分。

图 1 时间戳可能产生的位置

2.3.3 1588报文

 1588报文类型

1588V2报文分为两类：事件报文和通用报文。事件报文是时间概念报文，进出设备端

口时需要打上精确的时间戳，而通用报文则是非时间概念报文，进出设备不会产生时戳。

事件报文包含4个：Sync，Delay_Req，Pdelay_Req和Pdelay_Resp。

通用报文包含6个：Announce，Follow_Up，Delay_Resp，Pdelay_Resp_Follow_Up，

Management和 Signalling。

Sync、Delay_Req、Follow_Up、和Delay_Resp报文用于产生和通信定时报文，用延迟

请求-响应机制来同步OC和BC设备需要这些定时报文。

Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up报文用于测量两个实现Pdelay机

制的时钟端口间的链路延时，链路延时用于修正P2P TC系统中Sync和Follow_Up报文中

的定时信息，OC和BC通过执行Pdelay机制应用测量的链路延时和Sync和Follow_Up报

文中的信息实现同步。

Announce报文被用来建立同步体系。

management报文用来查询和更新时钟维护的PTP数据集，这些报文也被用来定制一个

PTP系统、初始化和故障管理，管理报文用在管理节点和时钟设备间。

Signaling报文用在时钟设备间实现其他用途的通信，比如Signaling报文可用于协商在

主从时钟间单播报文的速率。

1588的报文类型总结如下：

报文大类报文类型说明

事件报文(event message） a) Sync

b) Delay_Req

c) Pdelay_Req

d) Pdelay_Resp

在报文收发的时刻，需

要及时处理时间戳

普通报文(general message） a) Announce

b) Follow_Up

c) Delay_Resp

d) Pdelay_Resp_Follow_Up

e) Management

f) Signaling

在报文收发的时刻，不

需要及时处理时间戳

 1588报文格式

1588报文PTP报文必须包含报文头、报文主体和报文扩展字节，扩展字节长度可能为

0。除了以下几种情况外，保留字节必须将所有比特位填充为0发送，保留字节在接受端将

被忽略：

1、报文包含新的固有特性并且在扩展协议中被特殊定义。

2、报文发起设备基于数据集或协议运行而特殊定义。

3、TWO-STEP的TC模式下，表示Sync和Follow_Up，Pdelay_Resp和

Pdelay_Resp_Follow_Up相关连信息的特殊定义。

具体的报个格式相见IEEE1588V2协议。

 1588V2报文封装

IEEE 1588V2协议附录D定义了1588V2 over IPV4的报文封装，附录E定义了1588V2

over IPV6的报文封装，附录F定义了1588V2 over IEEE 802.3 /Ethernet的报文封装。

由于IEEE 802.3封装本身就很少使用，因此实际上大部分厂家只实现了1588V2 over

Ethernet II封装。而IPV6封装，本身业务上的应用就还比较少，因此支持1588V2 over

IPV6的厂家目前也比较少。其他如MPLS封装，业界还没有成熟的标准。除此之外，

在实际应用中还可能携带VLAN，因此常见的1588V2封装目前主要有以下几种：

1、1588V2 over Ethernet II：不带VLAN和带VLAN

2、1588V2 over IPV4：不带VLAN和带VLAN

 PTP报文的识别及处理流程：

（1）以太封装的PTP报文

识别PTP报文处理：以太封装的PTP报文检测以太类型是否为16’h88F7，如果是

则将此报文分流至1588协议处理模块；否则按照普通业务处理。

（2）IP封装的PTP报文

（a）识别PTP报文处理：以太类型为16’h0800，表示是IPV4封装的报文，以太类型

为16’h86DD，表示是IPV6封装的报文，然后需检验协议字段值是否为17，是17则表示

UDP，然后检测UDP头的DPN，以判断是否是PTP报文。EVENT报文的UDP目的端口

号要求319，组播General报文的UDP目的端口要求为320。

（b）报文分流处理：

对于IPV4，首先检测IPV4 header的首部校验和是否正确（如果为0则不必校验），然

后需要校验UDP头的首部校验和（包括PTP报文）是否正确（如果为0则不必校验）。然

后检测UDP长度字段中值是否与实际传送的报文一致。如果以上校验都通过，则该报文分

流至1588协议处理模块；如果以上校验有一项未通过，则该报文错误，按照普通业务报文

的出错处理方式进行处理（通常是丢弃）。

 1588报文的封装格式

1、不带VLAN的Ethernet II 报文格式

1 Byte

6 ByteDMAC

Ethernet Header

6 Byte

2 Byte

SMAC

Ethernet Type

Protocol Type

44~64

Byte

1588

Payload

4 ByteFCS

图以太封装1588报文结构

表以太封装1588报文结构描述

Name

DMAC

SMAC

Ethernet Type

Payload

FCS

位宽（bits）

6*8 = 48

2*8 = 16

N = (44~64)*8

4*8 = 32

描述

目的MAC地址

源MAC地址

以太类型：16’h88F7

1588v2报文净荷

CRC32校验值

各字段配置填充说明如下：

1）目的MAC地址：IEEE1588V2协议规定，当为组播报文时，要求peer delay mechanism

报文填充48’h01-80-C2-00-00-0E，其它报文填充48’h01-1B-19-00-00-00；当为单播报文时，

根据软件配置填充相应的目的MAC地址或者自动学习接收的相关报文的SMAC。

2）源MAC地址：填充发送MAC地址；

3）Ethernet Type：固定填充16’h88F7，表示以太封装的1588v2报文格式；

4）Payload：1588v2报文净荷；

5）FCS：32bit的CRC校验值

2、带VLAN的Ethernet II 报文格式

1 Byte

6 ByteDMAC

6 ByteSMAC

Ethernet Header

4 Byte

2 Byte

VLAN

Ethernet Type

Protocol Type

44~64

Byte

1588

Payload

4 ByteFCS

图带VLAN的以太封装1588报文结构

表带VLAN的以太封装1588报文结构描述

Name

DMAC

SMAC

VLAN

Ethernet Type

Payload

FCS

位宽（bits）

6*8 = 48

4*8 = 32

2*8 = 16

N = (44~64)*8

4*8 = 32

描述

目的MAC地址

源MAC地址

VLAN标签，由软件配置

以太类型：16’h88F7

1588v2报文净荷

CRC32校验值

除VLAN ID需要软件配置外，其他字段的填充原则同上。

3、不带VLAN的IPV4 1588报文格式

6 Byte

2 Byte

12 Byte

4 Byte

2 Byte

44~64 Byte

4 Byte

DMAC

SMAC

Ethernet Type

IP header

SA_IP

DA_IP

SPN

DPN

UDP _Len

UDP_checksum

Payload

FCS

图 IP封装1588报文结构

表 IP封装的1588报文结构描述

Ethernet

header

IP header

UDP

header

1588

payload

Name

DMAC

SMAC

Ethernet Type

IP header

位宽（bits）描述

6*8 = 48

2*8 =16

12*8 =96

目的MAC地址

源MAC地址

以太类型：16’h0800，表示是IPv4封装的报文

版本

（4bit）

首部长度服务类型总长字节数（16bit）

（4bit）（8bit）

标志

（3bit）

生存期（8bit）

分段偏移量

（13bit）

标识符（16bit）

协议（8bit）首部校验和（16bit）

SA_IP

DA_IP

SPN

DPN

UDP _Len

4*8 =32

2*8 =16

源IP地址

目的IP地址（多播）

源端口号

目的端口号，区分是否是1588报文

数据报文长度

首部校验和，如果没有校验为0 UDP_checksum 2*8 =16

Payload

FCS

N=(44~64)*8 1588报文净荷

4*8 = 32 CRC校验值

各字段填充说明如下：

1）目的MAC地址：由软件配置，三层组播时DMAC地址的设计规格如下【规则4-4】，

单播时DMAC的填充处理如下规则【规则4-3】；

2）源MAC地址：由软件配置，源MAC地址为网元的主控MAC地址；

3） Ethernet Type：由软件配置，固定填充16’h0800，表示为IPv4封装的报文；

4） IPheader_版本：由软件配置，固定填充16’h4，表示为IPv4；

5） IPheader_首部长度：由软件配置，固定填充16’h5，表示为IPv4报文首部为5×

4=20字节；IPheader_服务类型：由软件配置，在TOS字段中DS字段值要求置为可用的

最高业务级别编码点；软件配置为8’he0。

4、带VLAN的IPV4 1588报文格式

6 Byte

4 Byte

2 Byte

12 Byte

4 Byte

2 Byte

44~64 Byte

4 Byte

DMAC

SMAC

VLAN

Ethernet Type

IP header

SA_IP

DA_IP

SPN

DPN

UDP _Len

UDP_checksum

Payload

FCS

1588

payload

UDP

header

IP header

Ethernet

header

图带VLAN的IP封装1588报文结构

表带VLAN的IP封装的1588报文结构描述

Name

DMAC

SMAC

VLAN

Ethernet Type

IP header

位宽（bits）描述

6*8 = 48

4*8 = 32

2*8 =16

12*8 =96

目的MAC地址

源MAC地址

VLAN标签，软件配置

以太类型，16’h0800 ，表示是IPv4封装的报文

版本报文长度服务类型总长字节数（16bit）

（8bit）

标志分段偏移量

（4bit）（4bit）

标识符（16bit）

（3bit）（13bit）

生存期（8bit）

SA_IP

DA_IP

4*8 =32

源IP地址

目的IP地址

协议（8bit）首部校验和（16bit）

SPN

DPN

UDP _Len

2*8 =16

源端口号

目的端口号

数据报文长度

校验和，如果没有校验为0 UDP_checksum 2*8 =16

Payload

FCS

N=(44~64)*8 1588报文净荷

4*8 = 32 CRC校验值

除VLAN ID由软件配置外，其他字段的填充规则同上。

2.3.4 同步实现过程

1588v2同步实现过程包括两个步骤：

建立主从层次

在一个时钟域中，OC和BC的每一个端口会检查其端口上接收到的所有Announce报

文的内容，利用最佳主时钟算法（Best Master Clock，简称BMC）对Announce报文中的信

息进行分析，以此来决定每个时钟端口的状态。

频率/时间同步

主从层次建立之后，主从设备之间的频率/时间同步通过在连接这两个时钟设备的通信

链路上交换PTP报文完成。

2.3.5 建立主从层次

网络中的各个设备可能参考不同的时间源，在执行时钟同步之前，需要确定

整个域的主从跟踪关系。



从网络层面看，目标为：



确定和最佳参考时钟源相连的grandmaster时钟设备

确定各个时钟设备到达grandmaster时钟设备的路径（避免环路）。

确定各个端口的状态：MASTER/SLAVE/PASSIVE



从设备层面看，目标为：

1588通过BMC算法实现主从层次的建议。BMC算法的流程如下：



计算端口最佳消息Erbest：时钟设备的每个端口各自对本端口收到的

Announce消息进行优先级比较，最优者为该端口的最佳消息Erbest。计

算完成后时钟设备的每个端口都得到一个Erbest。

 计算节点最佳消息Ebest：对各端口上报的Erbest进行优先级比较，最优者为该节点

的最佳消息Ebest。

 计算端口推荐状态：每个端口独立比较Ebest、defaultDS和本端口Erbest来确定各自

的推荐状态。

图4 BMC算法示意图

主从层次确定过程如下：

图 2 主从层次确定过程示意图

Announce消息收发：OC/BC通过Announce消息彼此发送本设备确定的

grandmaster时钟的时钟参数； Announce消息的信息来源于各个设备时钟数据集

的信息；

BMC算法：收到Announce消息的设备，分别运行最佳主时钟算法(BMC)，比较

各个grandmaster时钟参数，确定最佳grandmaster时钟参数的接收端口或确定自

身为grandmaster时钟，并给出各个端口的推荐状态；

数据集更新：BMC算法的推荐状态，设备数据集更新各个数据集的信息。

端口状态确定：各个端口分别运行的端口状态机根据BMC算法的推荐状态和

端口当前状态，最终确定各个端口的主从状态，从而确定整个域的主从体系。

在一个域中的OC与BC之间建立主从层次的过程如下图所示。

图5 简单主从时钟体系

其中，Ordinary clock-1在层次的根部，被称为grandmaster。Boundary clock-1的Port-1

端口相对于grandmaster是一个slave（指示为S）。Boundaryclock-1的其它所有端口相对于

连接到它们的时钟设备都是master。因此Boundary clock-2的port-1端口相对于Boundary

clock-1是一个slave，等等。只有OC与BC存在这种状态形式，并且在主从层次中只有BC

能建立这种分支节点（例如：路径1，2，3，4和5可能包含TC，但是这些TC时钟设备不

参与主/从层次，也不维持这种形式状态。）

下图所示为一个mesh网络通过PTP协议被简化为一个树状结构的主从层次，当底层的

桥接或路由协议不能消除网络环路的时候就会形成这种树状结构。

图6 修剪后的MESH网络拓扑

图中，假定OC-1被BMC算法选为Grandmaster时钟设备。在BC中，通过BMC算法

已经决策出各个端口状态，通过这些状态就构成了主从树状链路，Mesh网络中被修剪的路

径如图虚线所示。对于每一个BC，其中一个端口被BMC算法决策出来作为从端口，其他

的端口被设置成master状态或者passive状态，BMC算法保证在每一个段上只有一个master

端口。

2.3.6 频率同步

1588V2报文频率同步通过交换Sync报文产生的时间戳来实现。假设时钟A要同步到

时钟B。不考虑路径延时和驻留时间的变化，如果A和B的时钟频率相等，则在相同的时

间间隔内，A和B的时间累积的偏差应该是一样的，也就是说t2N-t20 = t1N-t10。如果t2N-t20

大于t1N-t10，说明A的时钟频率比B快，要调慢A的时钟频率；如果t2N-t20小于t1N-t10，

说明A的时钟频率比B慢，则要调快A的时钟频率。

图7 1588V2频率同步原理

上述是通过1588V2报文来实现频率同步的基本原理。对于一个实际的PTP同步系统，

考虑路径延时和驻留时间的变化，通过计算和

时戳来恢复频率。对于来自时钟B的一系列Sync报文或

者可能的Follow_Up报文（two_step模式），时钟A按照下面的公式计算

和的值：

1、根据接收到的Sync报文，时钟A产生并记录时戳；

2、对于one-step模式：

= + +

correctionField of Sync message。

3、对于two-step模式：

= + +

correctionField of Sync message + correctionField of Follow_Up message。

4、根据上面计算得到的时戳，按照下面的比例公式来调整从端设备A的时钟频率。

syncEventIngressTimestamp

syncEventIngressTimestamp

correctedMasterEventTimestamp

correctedMasterEventTimestamp

注：N为SyncInterval的数量（N>0）。

2.3.7 时间同步

1588V2通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳，计算出主从设备之间的

平均路径延迟和时间偏差，实现主从设备之间的时间同步。

Delay-Req机制测量平均路径延时

下图是Delay-Req机制计算主从设备之间平均路径延时的过程和原理：

主时钟

Sync

包含

从时钟

从

时钟

获

得的数据

主时钟

t2m

Sync

从时钟

从

时钟

获

得的数据

t1,t2

Follow_up

包含t1

t1,t2

Delay_Req

Delay_Resp

包含

t1,t2,t3

Delay_Req

Delay_Resp

包含t4

t3t1,t2,t3

t1,t2,t3,t4

单步时钟

双步时钟

t1,t2,t3,t4

图8 Delay-Req机制测量平均路径延时原理

主设备在时刻t

发送Sync报文。如果主设备为one-step模式，t

随Sync报文传送到从

设备；如果主设备为two-step模式，则t

在随后的Follow_Up报文中传送到从设备；

从设备在时刻t

接收到Sync报文，并从Sync报文（one-step）或者Follow_Up(two-step)

报文中获取t

；

从设备在时刻t

发送Delay_Req报文给主设备；

主设备在时刻t

接收到Delay_Req报文；

主设备随后通过Delay_Resp报文将t

发送给从设备；

上述报文离开和到达时打戳的时钟都是基于本设备内部的系统时钟的，1588v2协议规

定时间戳的宽度为80bit。

通过上述报文传递过程，从设备获取t

、t

4个时间，并利用这4个时间计算

出主从设备之间的平均路径延迟。

路径延时：meanPathDelay＝[(t

– t

) + (t

– t

)]/2；

Pdelay机制测量平均路径延时

下图是Pdelay机制计算设备之间平均路径延时的过程和原理：

响响

响

响响响响

Pdelay_Req

Pdelay_Resp

响响

t3-t2

请求

时钟

获

得的数据

请求时钟

Pdelay_Req

响应时钟

Pdelay_Resp

包含t2

t1,t2,t4

Pdelay_Resp_Follow_Up

包含t3

t1,t3-t2,t4

t1,t2,t3,t4

响响响响

双步时钟

图9 Pdelay机制测量平均路径延时原理

请求设备在时刻t1发送Pelay_Req报文；

响应设备在时刻t

接收到Pelay_Req报文，并从Pelay_Req报文中获取t

；

响应设备在时刻t3发送Pdelay_Resp报文，如果响应设备为one-step模式，t

-t

随

Pdelay_Resp报文传送到请求设备；如果响应设备为two-step模式，则t

随Pdelay_Resp报

文传送到请求设备，t

在随后的Pdelay_Resp_Follow_Up报文中传送到请求设备；

请求设备在时刻t

接收到Pdelay_Resp报文；

上述报文离开和到达时打戳的时钟都是基于本设备内部的系统时钟的，1588v2协议规

定时间戳的宽度为80bit。

通过上述报文传递过程，请求设备获取t

、t

4个时间，并利用这4个时间计

算出设备之间的平均路径延迟。

平均路径延时meanPathDelay＝[(t

– t

) + (t

– t

)]/2；

时间偏差计算

从时钟接收到主时钟发送的Sync报文，记录Sync报文到达的时间t

，同时从Sync报

文中获取Sync报文从主时钟发出的时间t

，再通过Delay-Req或Pdelay机制计算出主从设

备之间的平均路径延时meanPathDelay。

主从设备的时间偏差offsetFromMaster = t

- t

- meanPathDelay。

从设备计算出时间偏差后就可以修正本地时间，使其和主设备时间同步了。

图10 时间校正

3 1588v2典型应用场景

3.1 全网同步（BC模式）

备时钟/时间源

RNC

OCOC

频率/时间

信息注入

频率/时间

信息注入

主时钟/时间源

RNC

汇聚层

接入层

1588频率/时

间同步路径

OCOCOC

基站

图11 1588v2全网同步应用场景

时钟/时间源BITS作为OC设备向承载设备注入频率/时间，承载设备作为BC设备，逐

级恢复频率和时间，以达到将频率和时间传送给基站的目的，基站作为OC设备，也必须支

持频率和时间恢复功能。

全网同步方式的优势在于每一个站点都进行频率和时间恢复，同步精度高，但同时对承

载设备要求也较高，要求每个站点必须支持完整的1588v2协议，必须支持BMC算法。

3.2 时间透传（TC模式）

RNC

时钟/时间源

RNC

时钟/时间源

汇聚层

时间/频率

信息注入

时间/频率

信息注入

接入层

1588频率

同步路径

1588时间

同步路径

基站

图12 1588v2时间透传应用场景

时间透传场景中，承载设备作为TC设备，无需恢复频率和时间，只需要计算自身驻留

时间（E2E TC）或计算自身驻留时间和链路延时（P2P TC），基站作为OC设备，必须支持

频率和时间同步。

时间透传方式下，承载设备无需支持完整的1588v2协议，无需支持BMC算法，对软

硬件要求较低，但透传方式同步精度不如全网同步方式，问题定位手段也不如全网同步方式

丰富。

3.3 网络保护

主用BITS

备用BITS

汇聚层

接入层

工作路径

基站

保护路径

图13 1588v2网络保护应用场景

1588v2同步网络支持网络保护，包括两部分：时钟/时间源主备保护和承载网网络倒换

保护，如上图所示。

正常工作情况下，承载设备和基站通过上图中的红色路径同步到主时钟源/时间源，当

主时钟源/时间源发生故障不可用时，承载网和基站同步路径自动到换到上图中的粉色路径

跟踪被时钟源/时间源。

主时钟源/时间源正常时，基站主用跟踪路径为主时钟源/时间源->承载设备A->承载设

备D->承载设备E->基站，如上图中红色实线所示，备用路径为主时钟源/时间源->承载设备

A->承载设备B->承载设备C->承载设备E->基站，如上图中红色虚线所示，当承载设备A

和承载设备D之间同步路径发生故障时（断纤、接口板坏等），同步路径将自动倒换到备用

路径。

两种自动倒换过程均由BMC算法保障。

4 1588v2部署考虑

4.1 1588V2网络规划

一个完整的1588v2同步网络由时钟/时间源、承载网、基站三部分组成，如图14所示。

GPS/北斗

承载网

时钟/

时间源

边缘

节点

边缘

节点

基站

图14 1588v2同步网络架构

对于时钟/时间源，设备类型可以主要是增加了1588功能的BITS，注入点一般选择放

置在RNC侧或骨干层，若网络规模较大，也可以放在汇聚层。一张1588v2同步网络一般

配置一主一备两个时钟/时间源设备，不同时钟/时间源通过配置不同的优先级实现备份。

对于承载设备，一般采用分层结构，可分为骨干层、汇聚层和接入层，按照不同网络规

模三个层次可以合并，如某些场景，骨干层和汇聚层融合。承载网的网络拓扑一般分为环形、

树形、链形、星形等，由于同步网络需要实现网络保护，建议采用环形网络，末端可以采用

链形组网。

从时间源设备BITS到末端基站，中间承载网的跳数，在1588时间同步链路上一般以

不超过30个网元。

4.2 物理拓扑对同步精度的影响

 理论上PTP协议在任何分组网络环境中都能够运行，在复杂的系统中，通常存在不支

持PTP的网桥或者路由器对网络的区域进行划分，这些设备通常会引起较大的延时和

延时波动，无法实现预期的同步精度。

 为了提升定时性能，可以使用BC替代路由器和普通网桥。对于线性拓扑，可以使用

TC替代普通网桥

4.3 准确度问题

 协议栈延迟波动：

1、PTP的最简单实现是在网络协议栈顶作为普通应用运行。时间戳是成于应用层，协

议栈延迟波动导致这些时间戳中的错误。这些错误典型为100us到ms范围

2、可以在中断层级而非应用层级生成时间戳。此时延迟波动通常能够减少到10us级，

具体取决于其它应用对中断的具体使用，和网络上业务流量的情况

3、通过硬件辅助技术可以获得最小的协议栈延迟波动，该技术在协议栈物理层生成时

间戳。延迟波动典型为ns范围。误差来源于从输入数据流中恢复时钟和数据同步的PHY芯

片所属相位锁定特征导致。

 网络转发延时波动

1、网络组件在消息的传播过程中引入波动，直接影响了offsetFromMaster和meanPathDelay

数值的准确度。

2、高优先级业务转发延时波动较小，支持流量优先级的网桥和路由器，可以设置发送的PTP

事件消息相对其它数据而言更高的优先级。

 时间戳准确度

生成PTP要求时间戳的时钟分辨率必须和理想准确度保持一致。对于TC和从时钟，本地时

钟频率往往和GM存在差异，将影响时间戳的精度。

4.4 系统实现问题

为了确保构建的PTP系统是最佳的，部署是建议考虑：

 整个域内所有PTP节点使用相同的底层传送协议

 整个域内选择相同的BMC算法

 整个域内使用相同的状态配置选项

 整个域内使用相同的通道延迟测量机制

 整个系统中所有节点的属性和可配置数据集成员使用相同的默认值

 整个系统中所有节点的属性使用相同的最大和最小范围数值。

 整个域内使用相同PTP模板

 整个域内使用相同的标准版本

4.5 性能考虑

满足下列要求可以获得最佳时钟同步性能：

 主从之间的网络延迟应是对称的

 如果时间戳机制或协议通道包含不对称延迟，并且是不可忽略的，应该正确进行补偿

 主从节点之间的网络延迟在一个Delay_Req消息发送的时间间隔内应给是恒定的

 PTP中使用的时间戳应尽可能靠近物理层。实际的时间戳数值建议通过主时钟的

Follow_Up消息或p2p TC的Pdelay_Resp_Follow_Up消息传送。

 实现协议的时钟计算能力必须足够大，且时钟数量必须合适，以此满足定时约束。例

如因资源限制而无法处理这些消息可能导致同步性能的恶化。

 时钟晶振的固有稳定度和精确度必须满足要求

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