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根據IXIA IEEE1588測試解決方案，詳細介紹了IEEE1588協(xié)議主要測試項目，包括校正系數（Correction Factor）測試和BMC測試。 1 引言 目前，運營(yíng)商在大規模部署下一代網(wǎng)絡(luò )，分組交換網(wǎng)將替代TDM成為主流承載網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)全IP化的發(fā)展，在分組交換網(wǎng)絡(luò )上傳送TDM業(yè)務(wù)，IPTV業(yè)務(wù)，3G/4G等實(shí)時(shí)要求較高的應用時(shí)，需要分組交換網(wǎng)絡(luò )提供更高質(zhì)量的同步與定時(shí)機制。傳統以太網(wǎng)沒(méi)有內置時(shí)鐘的分布能力，同步以太網(wǎng)對現有以太網(wǎng)做了一種擴展，類(lèi)似TDM網(wǎng)絡(luò )在物理層發(fā)布時(shí)鐘，實(shí)現了設備間時(shí)鐘頻率同步。但是還有一些應用需要時(shí)間上的同步，IEEE1588-2008 PTP（Precision Timing Protocol）應運而生，成為公用的提供時(shí)間同步和頻率同步的協(xié)議。 回顧同步技術(shù)的發(fā)展，我們曾在以太網(wǎng)上用過(guò)NTP技術(shù)，GPS技術(shù)或用T1/E1和以太網(wǎng)組成混合網(wǎng)絡(luò )來(lái)增加以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步能力，但由于NTP自身技術(shù)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(shí)間和頻率的同步，但GPS接收機需要在空中架設天線(xiàn)，在辦公室或運營(yíng)商機房里實(shí)施是比較困難的；在T1/E1和以太網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò )，用T1/E1傳遞時(shí)鐘，用以太網(wǎng)擴大帶寬，但從網(wǎng)絡(luò )建設成本來(lái)講用這種方法是不經(jīng)濟的。IEEE1588v2是一種精確時(shí)間同步協(xié)議，可以認為是對NTP協(xié)議的一種進(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)和提高，提高了同步精度，加入了故障容限，滿(mǎn)足冗余和安全的保障功能，并引入邊界時(shí)鐘和透傳時(shí)鐘兩種新類(lèi)型設備。通過(guò)主從設備間傳遞PTP消息包，從時(shí)鐘計算時(shí)間和頻率偏移，實(shí)現與主時(shí)鐘的頻率和時(shí)間的同步。 在研發(fā)和部署PTP設備時(shí)，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(xié)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(shí)鐘在不同的各種消息速率下，能夠支持的最大從時(shí)鐘數。 （3）BMC測試：主要指最佳主時(shí)鐘（BMC）選擇測試和錯誤倒換測試。 （4）對PTP包優(yōu)先級的測試：測試PTP設備如何對PTP的包做到有保證的轉發(fā)，結合L2和L3 QoS的測試。 （5）多時(shí)間域測試：測試多時(shí)間域的規模和多時(shí)間域下是否有相互交互。 （6）加載控制面：在測試PTP協(xié)議時(shí)，通過(guò)仿真STP和路由協(xié)議等，可以加載控制平面，并同時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò )的不穩定情況。 （7）異常測試和加載額外壓力的測試。 （8）協(xié)議定時(shí)器的測試：例如在發(fā)送了Sync消息以后可以控制發(fā)送Follow UP的間隔時(shí)間。 （9）穩定性測試：通過(guò)發(fā)送異常包來(lái)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(shí)鐘（Transparent Clock）最重要的一個(gè)功能就是能夠正確測量PTP包經(jīng)過(guò)它時(shí)的延遲（ns級），這個(gè)延遲我們又叫做“駐留時(shí)間”。透傳時(shí)鐘在發(fā)向下游的PTP消息里攜帶延遲信息，稱(chēng)為校正系數（Correction Factor），如果CF不準確，下游的從時(shí)鐘就無(wú)法與上游的主時(shí)鐘精確同步。 用IXIA測試儀表可以測量每個(gè)PTP包經(jīng)過(guò)透傳時(shí)鐘的實(shí)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(shí)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(shí)鐘過(guò)高估算了駐留時(shí)間。反之，則表示透傳時(shí)鐘過(guò)低估算了駐留時(shí)間。如果CF Error過(guò)大和變化過(guò)大，將引起下游的從時(shí)鐘同步丟失。通常CF值在幾十ns是可以接受的。在ISPCS2009研討會(huì )上IXIA展示了CF的測試結果，被公認為是透傳時(shí)鐘測試的業(yè)界標準。 （1）IXIA測試的配置模式 ●校準模式：用校準線(xiàn)纜直接背靠背連接IXIA測試儀表的兩個(gè)端口，執行校準過(guò)程（見(jiàn)圖1）。 圖1 校準測試拓撲圖 ●測試模式：用測試儀表的兩個(gè)端口連接被測設備的兩個(gè)端口，執行測試過(guò)程。校準線(xiàn)纜長(cháng)度是測試線(xiàn)纜的2倍（見(jiàn)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(shí)間開(kāi)銷(xiāo)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(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和通過(guò)光纜或電纜傳送的延遲（如五類(lèi)電纜線(xiàn)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(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和線(xiàn)纜傳送延遲示意圖。 圖3 校準幫助修正測試儀表內部時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和線(xiàn)纜傳送延遲 （2）CF Error測試步驟 ●校準時(shí)間戳 ①在兩個(gè)測試端口分別設置主時(shí)鐘仿真和從時(shí)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(shí)間后，測試系統會(huì )顯示平均Sync Latency和平均Delay Request Latency。 ③在模擬主時(shí)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(shí)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(dòng)測試，再從時(shí)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(gè)測試端口分別模擬主時(shí)鐘和從時(shí)鐘 在主時(shí)鐘測試接口發(fā)送Sync message的速率，在從時(shí)鐘測試接口發(fā)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(huì )非常直觀(guān)地顯示在界面上，測試系統會(huì )實(shí)時(shí)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(fā)送速率。 ②增加在一個(gè)測試端口模擬從時(shí)鐘的數量。 ③用多對端口，并分布在不同的時(shí)間域中雙向測試，由于端口的不對稱(chēng)，發(fā)現商用透傳時(shí)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(guān)察在大的壓力下透傳時(shí)鐘計算CF值的準確性。 ④同時(shí)在多個(gè)時(shí)間域中執行測試。這將測試透傳時(shí)鐘是否會(huì )與上行多個(gè)主時(shí)鐘（在多個(gè)時(shí)間域）同步。如果不能同步上，透傳時(shí)鐘的時(shí)間基準就會(huì )不準確，造成CF值的計算錯誤。 ⑤在測試過(guò)程中，在數據平面可以增加背景業(yè)務(wù)流，模擬真實(shí)環(huán)境。 ⑥在控制平面，可以同時(shí)仿真多個(gè)協(xié)議，例如同時(shí)仿真最小生成樹(shù)和其它路由協(xié)議。 ⑦PTP協(xié)議可以在單播和組播兩種模式下分別進(jìn)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(shí)鐘。在系統中隨著(zhù)從時(shí)鐘數量的增加，會(huì )加重主時(shí)鐘或邊界時(shí)鐘的處理負擔。因此，在設計、布置和升級PTP設備的時(shí)候，主時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和透傳時(shí)鐘的大規�；鶞蕼y試非常重要。利用IXIA測試系統，可以非常容易模擬在多個(gè)時(shí)間域里大量的主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。PTP設備所能支持的規模與很多因素有關(guān)，例如，Sync和Delay-Request消息的發(fā)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(shí)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(shí)時(shí)監測每塊板卡上CPU和內存的占用情況。啟動(dòng)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(fā)現測試儀表板卡的CPU和內存的占用過(guò)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(gè)從時(shí)鐘，建立從時(shí)鐘的速率可以設置為5 slaves/100sm。 ●判斷被測設備主時(shí)鐘能支持的最大從時(shí)鐘數量。根據兩個(gè)條件判斷，即所有仿真的從時(shí)鐘都達到Slave狀態(tài)；經(jīng)過(guò)一段測試時(shí)間，從時(shí)鐘所發(fā)送的Delay response 消息數應等于所接收的Delay request消息數。 ●如果通過(guò)測試，則再增加從時(shí)鐘的數量；如果沒(méi)有通過(guò)測試，就減少從時(shí)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(shí)鐘數量（見(jiàn)表1）。也可以通過(guò)改變不同消息的發(fā)送速率，來(lái)測量被測設備所能支持最大的從時(shí)鐘數量（見(jiàn)表2）。 表1 用二次折半法查找被測設備所支持的最大從時(shí)鐘數量 表2 在不同的條件下測量被測設備所支持的從時(shí)鐘數量 ●在測試過(guò)程中，改變條件（在多個(gè)時(shí)間域中測試，在單播和多播兩種模式下進(jìn)行測試，在one-step模式和two-step模式下進(jìn)行測試）來(lái)測試被測設備的規�；鶞�。 2.3 最佳主時(shí)鐘選擇算法（Best Master Clock） 最佳主時(shí)鐘（MBC）選擇算法主要應用在從時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘的從時(shí)鐘端口上，在本時(shí)間域選擇質(zhì)量最好的主時(shí)鐘。此算法主要是比較不同的時(shí)鐘質(zhì)量參數，以特定的優(yōu)先級順序選擇最佳主時(shí)鐘。IXIA測試系統可以模擬多個(gè)帶有不同時(shí)鐘質(zhì)量參數的主時(shí)鐘。如果被測設備是邊界時(shí)鐘，則下游IXIA測試系統所仿真的從時(shí)鐘可以很容易地確定系統的祖時(shí)鐘（Grandmaster）和被測設備所選擇的是否相同。以測試邊界時(shí)鐘為例，詳細介紹測試過(guò)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(gè)測試端口上分別仿真兩個(gè)主時(shí)鐘Master Clock 1和Master Clock 2，但兩個(gè)主時(shí)鐘的時(shí)鐘質(zhì)量參數不同。Master Clock 2的時(shí)鐘質(zhì)量低于Master Clock 1的時(shí)鐘質(zhì)量，但高于被測設備的時(shí)鐘質(zhì)量。 （2）在IXIA測試系統的第3個(gè)測試端口仿真從時(shí)鐘，目的是在從時(shí)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(shí)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(shí)鐘質(zhì)量，使Master Clock2的時(shí)鐘質(zhì)量高于Master 1，重新執行測試。 （5）在被測設備和所仿真的從時(shí)鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。 （6）如果現有的最佳時(shí)鐘損壞了，被測設備是否會(huì )選擇次佳時(shí)鐘。仿真Master Clock 1出現故障，在被測設備和所仿真的從時(shí)鐘上可以看到都選擇了Grandmaster為 Master Clock 2。 （7）讓兩個(gè)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(gè)端口仿真多個(gè)主時(shí)鐘，并且分布在不同的時(shí)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(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和透傳時(shí)鐘的協(xié)議功能，性能和規模。 3.1 測試功能 （1）可以在一個(gè)端口仿真多個(gè)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，并分布在不同時(shí)間域。 （2）可以實(shí)時(shí)地測試主要性能參數，例如校正系數錯誤（Correction Factor Error），主時(shí)鐘的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和平均路徑延遲。 （3）能夠控制協(xié)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(shí)鐘和從時(shí)鐘的屬性，包括Unicast和Multicast模式，one-step和two-step行為，Unicast協(xié)商，QoS級別，時(shí)間域，Clock ID，時(shí)鐘質(zhì)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(guò)程中實(shí)時(shí)改變參數（如發(fā)送消息速率）。 （6）可以實(shí)時(shí)跟蹤PTP仿真狀態(tài)和觀(guān)察統計結果。 （7）可以跟蹤時(shí)間值（如T1，T1等），以便更詳細的故障排除。 （8）在PTP仿真的同時(shí)，在相同端口可以同時(shí)加入其它協(xié)議的仿真（如STP和路由協(xié)議的仿真等）；也可以在相同端口加載流量，模擬真實(shí)的背景業(yè)務(wù)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(huán)境下，可以測試透傳時(shí)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(shí)鐘CF Error，通過(guò)比較Sync消息所報告的Correction Factor和用硬件級的時(shí)間戳所測量的實(shí)際在被測設備的駐留時(shí)間（包轉發(fā)延遲），測試儀表可以實(shí)時(shí)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(shí)鐘和光纖/電纜傳送時(shí)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(lái)測試透傳時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和從時(shí)鐘的處理速度和支持規模。IXIA IEEE 1588可以在每個(gè)時(shí)間域實(shí)時(shí)跟蹤和顯示當前的主時(shí)鐘和上次變化的時(shí)間，以便測試主時(shí)鐘的改變和BMC的性能，所能支持的主要測試場(chǎng)景包括： ●最優(yōu)主時(shí)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(shí)鐘，驗證次優(yōu)主時(shí)鐘的選擇和倒換時(shí)間。 ●模擬主時(shí)鐘振蕩：通過(guò)停止和重發(fā)Announce或Sync消息，可以仿真主時(shí)鐘不斷振蕩的情況，用以測試主時(shí)鐘的操作和穩定性。 ●實(shí)時(shí)改變時(shí)鐘質(zhì)量參數：可以實(shí)時(shí)改變時(shí)鐘質(zhì)量屬性，用以對IEEE 1588 BMC執行協(xié)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(shí)間域的相互作用：通過(guò)模擬多個(gè)不同時(shí)間域的主時(shí)鐘并改變所報告的主時(shí)鐘質(zhì)量，來(lái)驗證時(shí)鐘能夠區分不同時(shí)間域并能夠在同一時(shí)間處理多個(gè)時(shí)間域。 ●可以驗證CF的精確性：在BMC處理出現錯誤時(shí)，可以檢測透傳時(shí)鐘的CF Error，以確認透傳時(shí)鐘是否會(huì )受到影響。 4 結束語(yǔ) IEEE1588最初是由Agilent Laboratories(安捷倫實(shí)驗室)發(fā)明，并得到IEEE的贊助，2002年11月得到IEEE批準。Agilent在此測試領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，隨著(zhù)IXIA收購Agilent N2X，兩家公司將聯(lián)手推出業(yè)界最領(lǐng)先的測試解決方案。IEEE1588作為測試的新興領(lǐng)域，IXIA引領(lǐng)了業(yè)界的測試標準。 |
