虹科干货 | AS三部曲之一：如何理解TSN同步概念中的时钟角色？

导读

随着时间同步需求的增长，IRIG-B、LORAN-C、NTP、PTP、GPS同步和SyncE等技术相继被提出并应用。然而，这些方案要么难以满足高精度要求，要么实现成本过高，限制了它们在低成本高精度场景下的适用性。

在此背景下，AS脱颖而出——它仅需极少的网络、计算和硬件资源，即可实现纳秒的同步精度。因此，作为PTP协议下的一个精简协议规范，正日益成为高精度时间同步领域最具竞争力的技术方案，所以如何理解AS，是TSN应用人员的入门第一步。

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如何定义AS

时间敏感网络（TSN）的核心技术之一在于建立统一的时间基准，以确保网络具备确定性传输能力。

为了实现这一目标，网络中的所有终端设备必须保持高度一致的时钟同步。其中，IEEE 802.1AS-2020标准作为IEEE 1588v2的特定应用规范，专门针对TSN环境优化，能够提供纳秒级的高精度时钟同步。

在该机制下，主时钟服务器会向网络内所有参与设备广播同步信息，这些设备通过运行最佳主时钟选择算法（BMCA）来确定最优时间源。

此外，每个PTP实例在接收同步数据时，需结合路径延迟信息对时间戳进行动态修正，以确保时钟同步的准确性。

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AS基本概念

在IEEE 802.1AS标准架构中，网络设备被划分为两类角色：边界时钟（BC） 和 普通时钟（OC）。

尽管两者均需参与最佳主时钟（BMCA）选举，但功能存在差异——边界时钟需承担同步信号的转发任务，而终端设备则通过应用服务接口向上层提供同步时间。

值得注意的是，IEEE 802.1AS边界时钟的同步传输机制在数学建模上与IEEE1588的点对点透明时钟（TC）具有等效性。其核心原理在于：

①. 时间同步域

在时间同步网络中（Time Synchronization Network），设备按照层级结构进行组织，其中一级节点部署1级时间同步设备，二级节点部署2级时间同步设备，依此类推，形成多级同步架构。

采用精确时间协议（PTP）的网络构成一个PTP域（PTP Domain），每个PTP域内仅存在一个主时钟源，域内所有设备均与该时钟源同步。在AS2020标准中，一个网络中可包含多个同步域，各域之间相互独立，各自维护独立的同步时间，彼此不直接同步。

这种架构确保了不同时钟域之间的时间隔离性，适用于需要多时钟源协同工作的复杂网络环境。

②. 时钟节点/角色

时间同步网络中的同步域由若干时钟节点构成，根据功能差异主要分为两类：

普通时钟（Ordinary Clock，简称OC）

同一个PTP域内，只存在单个物理端口参与PTP时间同步的节点。设备通过该端口从上游节点同步时间，或者向下游节点发布时间。

边界时钟（Boundary Clock，简称BC）

边界时钟在PTP系统中被定义为替代传统网络交换机或路由器的设备。这类时钟具有多个PTP端口，每个端口都能独立访问PTP通信路径。作为不同PTP域之间的接口，边界时钟负责拦截并处理所有PTP消息，同时传递其他网络流量。

通过BMC算法，边界时钟会选择各端口能感知的最佳时钟源。被选中的端口将被设置为主从关系，而边界时钟的其他端口则会被激活为主设备，向其所属域发送指令。

这类时钟角色通常具备不少于两个同步端口，通过指定那些端口用于接收主时钟信号，以及其余端口负责时间信息转发。

③. AS同步端口

在时间同步的实现架构中，网络设备的接口可被配置为功能端口，根据其在时间同步拓扑中的功能角色划分为以下三类：

主同步端口（Master Port）

它作为时间基准发布节点，主动发送Sync/Follow_Up报文，可配置于普通时钟(OC)或边界时钟(BC)，通常作为同步域的根时钟接口。

从属端口（Slave Port）

它作为时间基准接收节点，主要处理Delay_Req/Resp报文交换，可存在于OC或BC设备，关键影响端到端时间误差。

待机端口（Passive Port）

它通常保持协议运行但不参与同步，监听PTP报文但不响应，仅出现于BC设备，在主从端口故障时快速切换。

④. 时钟主从关系

在PTP同步网络中，各设备通过动态的主从架构实现时间同步，其中时间发布方作为主节点（Master Node）及其主时钟（Master Clock）通过主端口（Master Port）发送同步信号，而时间接收方作为从节点（Slave Node）及其从时钟（Slave Clock）则通过从端口（Slave Port）进行时间校准，这种主从关系具有相对性，同一设备在不同同步层级中可能同时具备主从双重角色。

⑤. 时钟选源

同步协议提供两种时钟源选择机制：静态配置和动态BMC算法。

静态模式允许管理员直接指定主时钟源

BMC模式则通过协议自动选取最优时钟源以确保同步精度。在同步协议框架下，时钟节点通过交互Announce报文来共享时钟源参数，包括主时钟优先级、时间等级、精度指标以及拓扑跳数等关键信息。基于这些参数，各节点能够智能确定最佳主时钟源、选择同步端口并建立主从同步关系，最终构建出以主时钟为根节点的无环生成树拓扑

在正常工作状态下，主节点会持续向从节点发送Announce报文维持同步关系。当从节点检测到Announce报文超时丢失时，将自动触发重新选源流程，切换至备用端口建立新的主从同步链路。

⑥. BMC算法

在协议定义的同步网络中，系统通过最佳主时钟(BMC)决策机制动态确定主时钟节点并配置端口角色。该算法通过分析各节点通告报文(Announce)中的时钟质量参数进行综合评判，具体决策依据包括：

主优先级(Priority1)：用户可配置参数(0-255)，数值越小优先级越高

时钟等级(Clock-Class)：表征时钟源级别，数值越小等级越高

时钟精度(Clock-Accuracy)：反映时间准确度，数值与精度成反比

稳定性指标(OffsetScaledLogVariance)：数值越小稳定性越佳

次优先级(Priority2)：辅助决策参数(0-255)，数值小者优先

决策流程遵循严格的多级比较原则：首先比对Priority1参数，若相同则依次比较Clock-Class、Clock-Accuracy、OffsetScaledLogVariance和Priority2。通过调整这些参数的配置，可以灵活控制系统的主时钟选举结果，实现精确的时间同步与故障保护。BMC机制确保了整个PTP网络能够自动构建最优的时钟同步拓扑。

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虹科TSN设备

AS时钟角色测试示例

①. 基于RELYUM TSN交换机的AS Master—Slave同步测试

选取两台RELY-TSN交换机完成点对点的链接，例如交换机1的Port-0与交换机2的Port-0相连。

修改交换机1和交换机2的IP地址，例如其中交换机1的IP地址为192.168.4.64，交换机2的IP地址为192.168.4.65，这样通过交换机1/2其中一个Port就可以同时访问两个Web配置页面。

注：建议连接作为Master交换机的Port-1.

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②. Mater-Slave时钟设置

根据第2节当中对于BMCA最佳主时钟选取的规则，设置IP地址192.168.4.64交换机的时钟Priority1为200，192.168.4.65交换机的时钟Priority1为默认248，并开启gPTP的start功能。

此时情况下，4.64交换机的时钟作为Master存在，4.65交换机作为Slave存在。如下设置：

③. 观察时间同步角色差异

首先观看主时钟设备的PTP clockID实例，GM clock ID以及GM present布尔值。

其中PTP clockID实例为本设备的时钟源ID、GM clock ID为主时钟Master ID、GM present为false时表示本设备作为主时钟源Master设备；为ture时表示本设备作为从时钟Slave设备（外部存在Master）。

由结果显示，Slave设备（交换机2）的GM clock ID为Mater设备（交换机1）的PTP clockID实例，并且GM present=true，同步精度GM offset为18ns左右。

在打印信息中，Master设备（交换机1）的Port-1端口作为Master-port，Slave设备（交换机2）的Port-2端口作为Slave-port，与第2节中描述一致。

结语 .

在工业控制、车载网络等对时间敏感的关键领域，高精度时钟同步是保障系统稳定运行的核心基石。IEEE 802.1AS凭借纳秒级同步精度与轻量化实现优势，正成为破解低成本高精度同步难题的关键技术，为TSN的大规模落地提供了坚实的时间基准支撑。

本系列文章将分3期深入剖析AS技术，了解更多关于AS的深度解读与实践技巧，敬请关注虹科，以便及时获取后续文章动态。

作者简介

罗显志

虹科高级技术工程师，专注TSN技术领域，具有丰富的理论基础和应用经验，提供专业的TSN测试和培训服务。