time sync model for gptp

From <IEEE 802.1AS-2011> Clause 7

Architecture of a time-aware bridged local area network

time-aware bridged LAN 由几个支持gptp的时间感知系统(time-aware system)组成，它们之间用LAN互相连接。

time-aware system 分为2种：

1. time-aware end station
2. time-aware bridge

Time-aware network example

一个gptp domain内通过BMCA算法选出grandmaster。
这里的BMCA算法相较于1588里的要简单。

Time synchronization

General
gptp的time synchronization与1588中的差距不大。
要使得同步的结果精确，有两个时间需要精确测量：residence time和pathDelay。
residence time可以在bridge内部直接测量出来。
而pathDelay则涉及到较多的因素，如传输媒体、传输长度等。

Delay measurement
计算pathDelay的方式其实和1588中也没太大区别，如下图

Example delay measurement

只是在gptp中，根据底层传输协议不同，使用的message也不同。

• 对于Ethernet，message为Pdelay_Req, Pdelay_Resp等
• 对于802.11 WLAN，message为timing measurement action frame。
• 对于EPON LAN，message为GATE and REGISTER_REQ
• ...

Logical syntonization
在同步过程中，让clock的frequency与grandmaster的保持一致(syntonized)，可能并不是一个好的选择。因为调整oscillator的频率较慢且容易产生峰值效应(peaking effects)。使用grandmaster frequency ratio可能更好。
我们使用累加的neighbor frequency ratio来计算出grandmaster frequency ratio to local clock。这有2个好处，一是没有峰值效应，因为上游的计算误差不会直接 影响下游，二是当grandmaster更换时，由于neighbor frequency ratio都算好了，因此计算grandmaster frequency ratio更快。
这个累加的ratio放在Follow_Up message的TLV中。
在计算synchronized time时，会用到grandmaster frequency ratio。
在校正传播时延时，会用到neighbor frequency ratio。

Grandmaster (best master) selection and network establishment
gptp协议使用BMCA算法选出best master，并得到synchronization spanning tree。
gptp要求domain内的所有设备都是time-aware system，也就是说没有内部时钟的设备，如普通的switch、bridge等会被踢出网络。
gptp使用peer delay mechanism(对于ethernet来说)来确定邻近设备是否符合协议要求。所有无法处理此message类型的设备，以及所有propagation delay不符合要求的设备，都会被剔除在网络外。

Energy efficiency
在流量很少的情况下高频次地发送同步messages，是很不符合节能的需求的。
gptp协议定义了一种方式，可以减少发送sync/peer delay/announce messages的频率，并且通知邻居不要计算它们之间的rate ratio和pathDelay。
此协议只定义了这种行为，但不介绍应该在什么情况下采用这种模式。

Time-aware system architecture

Time-aware system model

time-aware system主要由以下几部分构成：

1. 若time-aware system中有使用time information的application，则应通过application interfaces来产生/接收gptp information。
2. 一个media-independent part。
   由ClockMaster，ClockSlave，SiteSync logical entities，一或多个PortSync entities，一个LocalClock entity组成。
   其中 SiteSync entity负责处理BMCA以及time information forwarding between logical ports and ClockSlave and ClockMaster的工作；
   其中 PortSync entities负责计算port-specific delays needed for time synchronization correction。
3. Media-dependent ports，作为media-independent layer与传输media之间的中间层，在它们之间传递"MDSyncSend" 和 "MDSyncReceive" data structure。

当下层使用Ethernet协议时，使用1588中的Sync、Follow-Up messages，并且后面跟上用于通知rate ratio和phase/frequency change的TLV。
gptp只支持two-step的message mechanism。

Differences between gPTP and PTP

1. gptp只支持layer2，ptp支持layer 2/3/4
2. gptp可以兼容多种传输介质，ptp只支持TCP/IP, Ethernet以及少量协议。
3. gptp只支持P2P，ptp支持P2P和E2E
4. gptp支持end station(对应ordinary clock)和bridges(对应boundary clock)，ptp支持ordinary clock, boundary clock, transparent clock。
5. gptp网络中只能存在time-aware systems，ptp网络中可以存在不带内部时钟的设备。
6. gptp只支持two-step processing，ptp支持one-step和two-step。
7. 稳定状态下，gptp中，同一个网络内只存在一个gptp domain；ptp中，支持同一个网络内多个domain互相重叠。
8. gptp domain内的所有time-aware systems都是logically syntonized，即它们测量时间用的是相同的frequency(详见7.3.3)，这是强制的。ptp中，syntonization是可选的，并且其性能没有gptp好。
9. gptp中，没有foreign master验证，收到别人传来的anounce message直接就用。
   gptp中，没有pre-master state，port要成为master就马上成为master。
   gptp中，没有uncalibrated state。
   gptp中，所有的time-aware system都必须参加BMCA，即使它没有当grandmaster的实力。
   上述几条，使得gptp的BMCA与ptp的有些区别。除此之外，基本相同。