1  引言

      目前，運營商在大規模部署下一代網絡，分組交換網將替代TDM成為主流承載網絡。隨著網絡和業務全IP化的發展，在分組交換網絡上傳送TDM業務，IPTV業務，3G/4G等實時要求較高的應用時，需要分組交換網絡提供更高質量的同步與定時機制。傳統以太網沒有內置時鐘的分布能力，同步以太網對現有以太網做了一種擴展，類似TDM網絡在物理層發布時鐘，實現了設備間時鐘頻率同步。但是還有一些應用需要時間上的同步，IEEE1588-2008 PTP（Precision Timing Protocol）應運而生，成為公用的提供時間同步和頻率同步的協議。

      回顧同步技術的發展，我們曾在以太網上用過NTP技術，GPS技術或用T1/E1和以太網組成混合網絡來增加以太網的時鐘同步能力，但由于NTP自身技術的限制，其精度只能在1~50ms之間；GPS廣泛應用在CDMA基站和許多其它應用，提供時間和頻率的同步，但GPS接收機需要在空中架設天線，在辦公室或運營商機房里實施是比較困難的；在T1/E1和以太網混合網絡，用T1/E1傳遞時鐘，用以太網擴大帶寬，但從網絡建設成本來講用這種方法是不經濟的。IEEE1588v2是一種精確時間同步協議，可以認為是對NTP協議的一種進化版本，IEEE1588v1精度可以達到亞ms級，IEEEv2精度可以達到亞us級的精度。IEEE1588v2對IEEE1588v1進行了改進和提高，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，并引入邊界時鐘和透傳時鐘兩種新類型設備。通過主從設備間傳遞PTP消息包，從時鐘計算時間和頻率偏移，實現與主時鐘的頻率和時間的同步。

      在研發和部署PTP設備時，在主要功能、性能和壓力測試方面，我們面臨諸多挑戰。目前，對PTP的協議測試主要有以下方面：

      （1）校正系數測試：測試PTP設備是否能精確計算校正系數（Correction Factor）。

      （2）PTP設備規模測試：測試主時鐘在不同的各種消息速率下，能夠支持的最大從時鐘數。

      （3）BMC測試：主要指最佳主時鐘（BMC）選擇測試和錯誤倒換測試。

      （4）對PTP包優先級的測試：測試PTP設備如何對PTP的包做到有保證的轉發，結合L2和L3 QoS的測試。

      （5）多時間域測試：測試多時間域的規模和多時間域下是否有相互交互。

      （6）加載控制面：在測試PTP協議時，通過仿真STP和路由協議等，可以加載控制平面，并同時仿真網絡的不穩定情況。

      （7）異常測試和加載額外壓力的測試。

      （8）協議定時器的測試：例如在發送了Sync消息以后可以控制發送Follow UP的間隔時間。

      （9）穩定性測試：通過發送異常包來測試PTP設備的穩定性。

      2  主要測試項目

      2.1  校正系數錯誤測試（Correction Factor Error）

      透傳時鐘（Transparent Clock）最重要的一個功能就是能夠正確測量PTP包經過它時的延遲（ns級），這個延遲我們又叫做“駐留時間”。透傳時鐘在發向下游的PTP消息里攜帶延遲信息，稱為校正系數（Correction Factor），如果CF不準確，下游的從時鐘就無法與上游的主時鐘精確同步。

      用IXIA測試儀表可以測量每個PTP包經過透傳時鐘的實際延遲，并比較PTP消息里所報告的CF值，可以更有效地測試透傳時鐘所計算的CF值是否準確。CF Error計算公式為：CF Error=Correction Factor-Actual Latency。

      CF Error如果是正的，則表示透傳時鐘過高估算了駐留時間。反之，則表示透傳時鐘過低估算了駐留時間。如果CF Error過大和變化過大，將引起下游的從時鐘同步丟失。通常CF值在幾十ns是可以接受的。在ISPCS2009研討會上IXIA展示了CF的測試結果，被公認為是透傳時鐘測試的業界標準。

      （1）IXIA測試的配置模式

      ●校準模式：用校準線纜直接背靠背連接IXIA測試儀表的兩個端口，執行校準過程（見圖1）。

      圖1  校準測試拓撲圖

      ●測試模式：用測試儀表的兩個端口連接被測設備的兩個端口，執行測試過程。校準線纜長度是測試線纜的2倍（見圖2）。

      圖2  Correction Factor Error測試拓撲圖

      為了測試的準確性，在測試前需先校準，減少由于測試儀表內部的時間開銷或光纜/電纜傳送的延遲引起的不準確性，主要包括：測試儀表內部的時間開銷和通過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所示的是校準幫助修正測試儀表內部時間開銷和線纜傳送延遲示意圖。

       圖3  校準幫助修正測試儀表內部時間開銷和線纜傳送延遲

      （2）CF Error測試步驟

      ●校準時間戳

      ①在兩個測試端口分別設置主時鐘仿真和從時鐘仿真，Tx和Rx校準因子（Calibration Factor）的缺省值為0，測試拓撲如圖1所示。

      ②測試執行一段時間后，測試系統會顯示平均Sync Latency和平均Delay Request Latency。

      ③在模擬主時鐘的測試端口，我們可以根據公式（1）和公式（2）配置Tx和Rx校準因子（Calibration Factor）：

      Tx Calibration Factor=Sync Latency/2                         （1）

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

      ④在模擬從時鐘的測試端口，可以根據公式（3）和公式（4）配置Tx和Rx校準因子      （Calibration Factor）：

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

      Rx Calibration Factor=Sync Latency/2                            （4）

⑤重新啟動測試，再從時鐘結果顯示界面，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：

可以微調校準因子（Calibration Factor），使得以上參數接近0。

●在兩個測試端口分別模擬主時鐘和從時鐘

在主時鐘測試接口發送Sync message的速率，在從時鐘測試接口發送Delay Request的速率可以調節。測試拓撲如圖2所示。

●測試結果

如圖4所示，測試結果會非常直觀地顯示在界面上，測試系統會實時顯示Sync Correction Factor Error和Delay Request Correction Factor Error等。

圖4  CF Error測試結果

●變化以下條件，重復上述測試步驟

①加快Sync和Delay Request消息的發送速率。

②增加在一個測試端口模擬從時鐘的數量。

③用多對端口，并分布在不同的時間域中雙向測試，由于端口的不對稱，發現商用透傳時鐘在多端口存在測試結果的差異性，因此需要我們用多對端口測試，可以觀察在大的壓力下透傳時鐘計算CF值的準確性。

④同時在多個時間域中執行測試。這將測試透傳時鐘是否會與上行多個主時鐘（在多個時間域）同步。如果不能同步上，透傳時鐘的時間基準就會不準確，造成CF值的計算錯誤。
⑤在測試過程中，在數據平面可以增加背景業務流，模擬真實環境。

⑥在控制平面，可以同時仿真多個協議，例如同時仿真最小生成樹和其它路由協議。

⑦PTP協議可以在單播和組播兩種模式下分別進行測試。

2.2  PTP大規模測試（PTP Scalability）

大多數PTP系統里有很多從時鐘。在系統中隨著從時鐘數量的增加，會加重主時鐘或邊界時鐘的處理負擔。因此，在設計、布置和升級PTP設備的時候，主時鐘、邊界時鐘和透傳時鐘的大規模基準測試非常重要。利用IXIA測試系統，可以非常容易模擬在多個時間域里大量的主時鐘和從時鐘。PTP設備所能支持的規模與很多因素有關，例如，Sync和Delay-Request消息的發送速率，是用單播模式還是組播模式等。以下詳細介紹測試主時鐘規模的測試方法。測試拓撲如圖5所示。

圖5  PTP大規模測試拓撲圖

（1）測試步驟

●IXIA測試系統可以實時監測每塊板卡上CPU和內存的占用情況。啟動Dashboard功能，以保證測試的瓶頸不是由于測試儀表造成的。如果發現測試儀表板卡的CPU和內存的占用過高，可以使用更多數量的測試板卡，以降低每塊測試板卡的壓力，并可把壓力匯聚到被測系統。

●仿真50個從時鐘，建立從時鐘的速率可以設置為5 slaves/100sm。

●判斷被測設備主時鐘能支持的最大從時鐘數量。根據兩個條件判斷，即所有仿真的從時鐘都達到Slave狀態；經過一段測試時間，從時鐘所發送的Delay response 消息數應等于所接收的Delay request消息數。

●如果通過測試，則再增加從時鐘的數量；如果沒有通過測試，就減少從時鐘的數量。用二次折半法，可以測試出被測設備所能支持的最大從時鐘數量（見表1）。也可以通過改變不同消息的發送速率，來測量被測設備所能支持最大的從時鐘數量（見表2）。

表1  用二次折半法查找被測設備所支持的最大從時鐘數量

表2  在不同的條件下測量被測設備所支持的從時鐘數量

●在測試過程中，改變條件（在多個時間域中測試，在單播和多播兩種模式下進行測試，在one-step模式和two-step模式下進行測試）來測試被測設備的規模基準。
2.3  最佳主時鐘選擇算法（Best Master Clock）

最佳主時鐘（MBC）選擇算法主要應用在從時鐘和邊界時鐘的從時鐘端口上，在本時間域選擇質量最好的主時鐘。此算法主要是比較不同的時鐘質量參數，以特定的優先級順序選擇最佳主時鐘。IXIA測試系統可以模擬多個帶有不同時鐘質量參數的主時鐘。如果被測設備是邊界時鐘，則下游IXIA測試系統所仿真的從時鐘可以很容易地確定系統的祖時鐘（Grandmaster）和被測設備所選擇的是否相同。以測試邊界時鐘為例，詳細介紹測試過程，測試拓撲如圖6所示。

圖6  BMC測試拓撲圖

測試步驟如下：

（1）在IXIA測試系統的兩個測試端口上分別仿真兩個主時鐘Master Clock 1和Master Clock 2，但兩個主時鐘的時鐘質量參數不同。Master Clock 2的時鐘質量低于Master Clock 1的時鐘質量，但高于被測設備的時鐘質量。

（2）在IXIA測試系統的第3個測試端口仿真從時鐘，目的是在從時鐘上查看Grandmaster Clock ID和Clock Quality參數是否與被測設備所選定的相同。

（3）在被測設備和所仿真的從時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的時鐘質量，使Master Clock2的時鐘質量高于Master 1，重新執行測試。

（5）在被測設備和所仿真的從時鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（6）如果現有的最佳時鐘損壞了，被測設備是否會選擇次佳時鐘。仿真Master Clock 1出現故障，在被測設備和所仿真的從時鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。

（7）讓兩個或更多Clock Quality參數的組合不斷變化，重復以上測試；可以在組播和單播兩種模式下重復以上測試；在多個端口仿真多個主時鐘，并且分布在不同的時間域里，重復以上測試。

3  IXIA IEEE1588測試解決方案

IXIA IEEE1588測試軟件提供了全面和豐富的測試功能。用于測試主/從時鐘、邊界時鐘和透傳時鐘的協議功能，性能和規模。

3.1  測試功能

（1）可以在一個端口仿真多個主時鐘和從時鐘，并分布在不同時間域。

（2）可以實時地測試主要性能參數，例如校正系數錯誤（Correction Factor Error），主時鐘的時間開銷和平均路徑延遲。

（3）能夠控制協議仿真性能，例如對于Follow-up Delay，可以仿真立即或延遲很大的Follow-up消息，對被測系統的性能影響很大。

（4）可以全面設置主時鐘和從時鐘的屬性，包括Unicast和Multicast模式，one-step和two-step行為，Unicast協商，QoS級別，時間域，Clock ID，時鐘質量參數，E2E和P2P參數，Announce/Sync/Delay-Request 消息間隔等。

（5）可以在測試運行過程中實時改變參數（如發送消息速率）。

（6）可以實時跟蹤PTP仿真狀態和觀察統計結果。

（7）可以跟蹤時間值（如T1，T1等），以便更詳細的故障排除。

（8）在PTP仿真的同時，在相同端口可以同時加入其它協議的仿真（如STP和路由協議的仿真等）；也可以在相同端口加載流量，模擬真實的背景業務流。

（9）可以模擬復雜的PTP DDoS攻擊。

（10）提供對被測設備容錯能力的測試。

3.2  特色

（1）在大壓力的環境下，可以測試透傳時鐘的校正系數錯誤（CF Error）

IXIA IEEE1588可以快速地監測和測量透傳時鐘CF Error，通過比較Sync消息所報告的Correction Factor和用硬件級的時間戳所測量的實際在被測設備的駐留時間（包轉發延遲），測試儀表可以實時檢測到CF Error。為了更準確的測試，測試系統提供校準功能，可以消除測試系統內部時鐘和光纖/電纜傳送時間。

（2）能夠有效驗證BMC和錯誤倒換

IXIA IEEE1588提供全面的BMC測試解決方案，用來測試透傳時鐘、邊界時鐘和從時鐘的處理速度和支持規模。IXIA IEEE 1588可以在每個時間域實時跟蹤和顯示當前的主時鐘和上次變化的時間，以便測試主時鐘的改變和BMC的性能，所能支持的主要測試場景包括：

●最優主時鐘選擇：可以測試BMC的精確度和處理速度。

●錯誤倒換測試：可以仿真錯誤主時鐘，驗證次優主時鐘的選擇和倒換時間。

●模擬主時鐘振蕩：通過停止和重發Announce或Sync消息，可以仿真主時鐘不斷振蕩的情況，用以測試主時鐘的操作和穩定性。

●實時改變時鐘質量參數：可以實時改變時鐘質量屬性，用以對IEEE 1588 BMC執行協議一致性認證。

●彈性測試：可以插入不正確的Announce消息，驗證被測系統對BMC處理的穩定性。

●不同時間域的相互作用：通過模擬多個不同時間域的主時鐘并改變所報告的主時鐘質量，來驗證時鐘能夠區分不同時間域并能夠在同一時間處理多個時間域。

●可以驗證CF的精確性：在BMC處理出現錯誤時，可以檢測透傳時鐘的CF Error，以確認透傳時鐘是否會受到影響。

4  結束語

IEEE1588最初是由Agilent Laboratories(安捷倫實驗室)發明，并得到IEEE的贊助，2002年11月得到IEEE批準。Agilent在此測試領域一直處于領先地位，隨著IXIA收購Agilent N2X，兩家公司將聯手推出業界最領先的測試解決方案。IEEE1588作為測試的新興領域，IXIA引領了業界的測試標準。