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IEEE 802.1AS-2011 第一章至第六章

分类: 文章 • 2024-02-04 09:34:17

本文翻译自IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks

1. 总览

1.1 范围

本标准规定了用于确保跨越桥接和虚拟桥接局域网的时间敏感应用（如音频和视频）满足同步要求的协议和程序，其中局域网（LAN）媒体的传输延迟是固定的和对称的; 例如，IEEE 802.3TM全双工链路。 这包括在正常操作期间以及在网络组件的添加，移除或故障以及网络重新配置之后维持同步时间。 它规定了IEEE 1588TM规范的使用，适用于IEEE Std 802.1DTM-2004和IEEE Std 802.1QTM-2005。本标准不包含但不排除与外部提供的定时信号（例如，公认的时序标准，如UTC或TAI）的同步。

1.2 目的

该标准使连接到桥接LAN的站能够满足时间敏感应用的相应抖动，漂移和时间同步要求。 这包括涉及多个stream传递到多个端点的应用程序。 为了便于桥接LAN广泛用于这些应用，同步信息是每个网元所需的组件之一，其中时间敏感的应用数据被映射或解映射或者执行时间敏感的功能。 该标准通过开发满足这些要求所需的附加规范，充分利用了IEEE 1588工作组的工作。

2. 参考标准

以下参考文献对于本标准的应用是必不可少的（即，必须理解和使用它们，因此在文中引用每个参考文献并解释其与本文件的关系）。 凡是注日期的引用文件，仅引用的版本适用。 凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括任何修改或更正）适用于本标准。
IEEE P802.11vTM (D15.0, September 2010), Draft Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications—Amendment 8: IEEE 802.11TM Wireless Network Management.

IEEE Std 802.1DTM-2004, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Media Access Control (MAC) Bridges.

IEEE Std 802.1QTM- 2005, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Virtual Bridged Local Area Networks.

IEEE Std 802.1agTM-2007, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Virtual Bridged Local Area Networks—Amendment 5: Connectivity Fault Management.

IEEE Std 802.3TM-2008, IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area network—Specific requirements, Part 3: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications.

IEEE Std 802.3avTM-2009, IEEE Standard for Information technology—Part 3: Amendment 1: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Gb/s Passive Optical Networks.

IEEE Std 802.11TM-2007, IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.

IEEE Std 1588TM-2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.

IETF RFC 3410 (December 2002), Introduction and Applicability Statements for Internet Standard Management Framework, Case, J., Mundy, R., Partain, D, and Stewart, B

ITU-T Recommendation G.9960 (ex. G.hn), Unified high-speed wire-line based home networking transceivers—System architecture and physical layer specification, June 2010.

ITU-T Recommendation G.9961, Data link layer (DLL) for unified high-speed wire-line based home networking transceivers, June 2010.

ITU-T Recommendation G.984.3, Amendment 2 (2009-11) Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Transmission convergence layer specification—Time-of-day distribution and maintenance updates and clarifications, November 2009.

MoCA® MAC/PHY Specification v2.0, MoCA-M/P-SPEC-V2.0-20100507, Multimedia over Coax Alliance (MoCA).

3. 定义

出于本文档的目的，以下术语和定义适用。 对于本条款中未定义的术语，应参考The IEEE Standards Dictionary: Glossary of Terms & Definitions。

3.1 accuracy——准确性

被测时钟与测量集合上的理想参考时钟之间的时间或频率误差的平均值。

3.2 Bridge——桥

IEEE标准802.1D-2004第5章中规定的MAC网桥，或IEEE标准802.1Q-2005第5条规定的VLAN感知网桥。

3.3 clock——时钟

一种物理设备，能够提供从定义epoch以来的时间流逝的测量。

3.4 direct communication——直接通信

两个时间感知系统之间的IEEE 802.1AS信息通信，没有中间时间感知系统。

3.5 end station——终端站

连接到局域网（LAN）或城域网（MAN）的设备，充当LAN或MAN上承载的流量的源和/或目的地。

3.6 event message——事件消息

从时间感知系统出口加时间戳并进入时间感知系统的消息。
注 - 见8.4.3。

3.7 fractional frequency offset——分数频率偏移

测量时钟和参考时钟之间的分数频率偏移y定义为：
y=fm−frfry=\frac{f_{m}-f_{r}}{f_{r}}
其中，fmf_{m}为被测时钟频率，frf_{r}为参考时钟频率。fmf_{m}和frf_{r}的测量单位相同。

3.8 general message——通用消息

没有带时间戳的消息

3.9 gPTP communication path——gPTP通信路径

广义精确时间协议（gPTP）域的一部分，支持两个时间感知系统之间的直接通信。
注 - 见8.1。

3.10 grandmaster——特级大师

时间感知系统，包含最佳时钟，由最佳主时钟算法（BMCA）在广义精确时间协议（gPTP）域中确定。

3.11 message timestamp point——消息时间戳点

事件消息中的一个点，用作获取时间戳的参考点。

3.12 message type——消息类型

消息的消息类型是相应消息的名称，例如，Sync，Announce，Timing Measurement Action Frame。

3.13 precision——精确度

衡量被测时钟与理想参考时钟之间的时间或频率误差平均值的偏差。

3.14 primary reference——原始参考

可溯源至国际标准的时间和/或频率来源。
另见：traceability

3.15 recognized standard source of time——公认标准时钟源

公认的标准时间源是IEEE 1588精确时间协议（PTP）的外部源，它提供可追溯到国际标准实验室的时间，这些实验室维护时钟，形成国际原子时间（国际原子时间）（TAI）和协调的基础。 世界时（UTC）时间尺度。 这些的示例是美国国家标准与技术研究院（NIST）时间服务器和全球定位（卫星）系统（GPS）。

3.16 reference plane——参考平面

时间感知系统的端口与网络物理介质之间的边界。 时间戳事件在帧跨越此接口时发生。

3.17 residence time——驻留事件

时间感知系统接收时间同步事件消息与在该时间感知系统的另一端口上发送下一个后续时间同步事件消息之间的时间间隔的持续时间。 不同港口的停留时间可能不同。
注 - 如果时间感知系统的端口在没有收到同步事件消息的情况下发送时间同步事件消息，即，如果发生同步接收超时（见10.6.3.1），则最近接收和发送的时间同步事件消息在数学上等同于停留时间; 但是，这个间隔通常不被称为停留时间。

3.18 stability——稳定性

衡量被测时钟与理想参考时钟之间的时间或频率误差的平均值如何随时间，温度等变量而变化的量度。

3.19 synchronized time——同步时间

事件的同步时间是该事件相对于特级大师的时间。
注意 - 如果主时区或主时基更改，则同步时间可能会经历相位和/或频率阶跃。

3.20 synchronized time-aware systems——同步时间感知系统

如果两个时间感知系统具有相同epoch，则它们被同步到指定的不确定性，并且它们在任意时间对单个事件的时间的测量值相差不超过该不确定性。
注 - 见8.2.2

3.21 syntonized time-aware systems——谐振时间感知系统

如果两者的持续时间相同，则两个时间感知系统被调谐，这意味着每个时间以相同的速率进行测量。 他们可以但不必共享相同的epoch。

3.22 time-aware Bridge——时间感知桥

一种能够使用IEEE 802.1AS协议将一个端口上接收的同步时间传送到其他端口的网桥。

3.23 time-aware end station——时间感知终端站

终端站能够充当网络上的同步时间源，或使用IEEE 802.1AS协议的同步时间的目的地，或同时充当以上两者角色。

3.24 time-aware system——时间感知系统

时间感知桥或时间感知终端站。

3.25 timestamp measurement plane——时间戳测量平面

捕获时间戳的平面。 如果时间戳测量平面与参考平面不同，则针对ingressLatency和/或egressLatency校正时间戳。
见reference plane

3.26 traceability——可追踪性

参见IEEE Std 1588-2008,3.1.44。

4. 缩略语

ACK acknowledgement
ADEV Allan deviation
AP (wireless LAN) access point
AV audio/video
AVB audio/video bridging
AVB network audio/video bridged network
BC boundary clock
BMC best master clock
BMCA best master clock algorithm
CSN coordinated shared network
CTC channel time clock
EPON IEEE 802.3 Ethernet passive optical network, as specified in IEEE Std 802.3-2008 and
IEEE Std 802.3av-2009
ESS extended service set
G.hn ITU-T G.9960 and ITU-T G.9961
GM grandmaster
GMT Greenwich mean time
GPS global positioning (satellite) system
gPTP generalized precision time protocol
IP Internet protocol
IS integration service
ISO International Organization for Standardization10
ISS Internal Sublayer Service
LAN local area network
LLC logical link control
MAC media access control
MACsec media access control security
MAN metropolitan area network
MLME IEEE 802.11 MAC layer management entity
MPCP IEEE 802.3 multipoint control protocol
MPDPDU IEEE 802.3 MPCP data unit
MII media-independent interface
MD media-dependent
NTP network time protocol11
OC ordinary clock
OLT IEEE 802.3 optical line terminal
ONU IEEE 802.3 optical network unit
OSSP organization-specific slow protocol
P2P peer-to-peer
PAR project authorization request
PICS Protocol Implementation Conformance Statement
PLL phased-lock loop
POSIX® portable operating system interface (see ISO/IEC 9945:2003 [B10]12)
PTP IEEE 1588 precision time protocol
PTPDEV PTP deviation
RTT round-trip time
SI international system of units
SM state machine
TAI temps atomique international (international atomic time)
TC transparent clock
TDEV time deviation
TDM time division multiplexing
TDMA time division multiple access
TG task group
TS timestamp
UCT unconditional transfer
UTC coordinated universal time
VLAN virtual local area network
WG Working Group
WLAN wireless local area network

5. 一致性

本节规定了本标准的符合实现提供的强制和可选功能。一种实现可以：
a) 构成系统的所有部分功能;
b) 按照本标准的规定，向规范超出本标准范围的其他功能实体提供一个或多个MAC服务实例;
c) 按照此标准的规定，将MAC内部子层服务（ISS）的一个或多个实例提供给符合此标准的其他实现或相同实现的实例。
因此，如5.3中所述，本节规定了系统内的通用系统和功能组件的一致性要求，可能与其他系统组件连接，这些组件具有其他方式无法访问的接口。

5.1 要求术语

为了与现有的IEEE和IEEE 802.1标准保持一致，对该标准的一致实现的要求使用以下术语表示：
a) shall 用于强制性要求;
b) may 用于描述实施或行政选择（“可能”意味着“被允许”，因此，“可能”和“可能不”意味着完全相同的事情）;
c) should 用于推荐的选择（“应该”和“不应该”描述的行为都是允许的，但不是同样可取的选择
协议实施一致性声明（PICS）形式（见附件A）反映了标准中应当，可能和应该出现的词语。
该标准避免了不必要的重复，并通过使用is，is not，are，和are not而不是定义和符合行为的逻辑结果来明显重复其形式要求。 由can描述允许但既不总是需要也不由实施者或管理员直接控制的行为，或其一致性要求在其他地方详述的行为。 不能在一致的实现或符合实现的系统中发生的行为不能描述。 单词allow用于替代陈词滥调“支持能力”，单词功能意味着“可以配置为”。

5.2 协议实施一致性声明（PICS）

声称符合本标准的实施的供应商应填写附件A中提供的PICS形式的副本，并提供识别供应商和实施的必要信息。

5.3 时间感知桥和终端站要求

桥的定时和同步的实现应：
a) 符合IEEE Std 802.1Q-2005的要求;
b) 实现8.2,8.4,8.5和8.6中规定的通用精确时间协议（gPTP）要求;
c) 支持至少在一个端口（10.2.12）上与媒体无关的从时钟，并在每个支持的端口上实现PortSyncSyncReceive功能（10.2.7.3）和lockSlaveSync功能（10.2.12.3）;
d) 支持域中没有最佳主时钟的要求（10.2.12.2）;
e) 支持以下最佳主时钟算法（BMCA）要求（10.3）：
1) 支持时间感知系统属性和要求（8.6.2）;
2) 实现BMCA（10.3.2）;
3) 实现PortAnnounceReceive函数（10.3.10）;
4) 实现PortAnnounceInformation函数（10.3.11）;
5) 实现PortRoleSelection函数（10.3.12）。
f) 实现SiteSyncSync功能（10.2.6）。

5.3.1 时间感知桥和终端站可选

时间感知桥的实现可以：
a) 支持以下Grandmaster Capability（8.6.2.1和10.1.2）：
1) 实现ClockMasterSyncSend函数（10.2.8）;
2) 实现ClockMasterSyncOffset函数（10.2.9）;
3) 实现ClockMasterReceive功能（10.2.10）。
b) 支持多个端口上的媒体独立从时钟（10.2.6）;
c) 在至少一个端口（10.2.11）上支持以下媒体独立主机能力：
1) 实现PortSyncSyncSend函数（10.2.11）;
2) 实现PortAnnounceTransmit功能（10.3.13）;
3) 实现AnnounceIntervalSetting函数（10.3.14）;
4) 符合Announce消息要求（10.4.3）;
5) 支持Announce***要求（10.4.7）;
6) 支持Announce消息PDU要求（10.5）。

5.4 用于IEEE 802.3全双工链路的MAC特定的定时和同步方法

具有IEEE 802.3 MAC服务到物理端口的时间感知网桥的实现应：
a) 符合IEEE 802.1Q MAC特定桥接方法的要求;
b) 支持全双工操作，如11.2和IEEE Std 802.3-2008,4.2和附件4中所述

5.5 用于IEEE Std 802.11-2007的MAC特定定时和同步方法

具有IEEE 802.11 MAC服务到物理端口的时间感知网桥的实现应：
a) 符合IEEE 802.1Q MAC特定桥接方法的要求;
b) 符合IEEE P802.11v（D15.0，2010年9月）中规定的TIMINGMSMT要求;
c) 支持12.2中规定的要求;
d) 实现MDSync消息协议，其消息参数和默认值（12.3）。

5.6 用于IEEE 802.3 EPON的MAC特定定时和同步方法

具有IEEE 802.3 EPON MAC服务到物理端口的定时感知网桥的实现应：
a) 符合IEEE 802.1Q MAC特定桥接方法的要求;
b) 支持IEEE Std 802.3-2008，多点MAC控制（64.2和64.3）和多点PCS和PMA扩展（65）中规定的要求;
c) 实现TIMESYNC消息协议及其消息参数和默认值（13.3.1）;
d) 实现请求者和响应者功能（13.8.1和13.8.2）。

5.7 用于协调共享网络（CSN）的MAC特定定时和同步方法

具有到物理端口的CSN MAC服务的定时感知网桥的实现应：
a) 符合IEEE 802.1Q MAC特定桥接方法的要求;
b) 实施路径延迟计算，如E.4中所规定;
c) 实现MDSyncSendSM和MDSyncReceiveSM状态机的功能（E.3）;
d) 实施CSN特定的大师能力（E.6.1）。

6. 约定

6.1 概括

本节定义了标准中使用的各种约定和符号，即命名约定，服务规范方法和符号以及数据类型定义。

6.2 服务规范方法和表示法

用于指定服务接口的方法和符号在IEEE Std 802.1ag-2007的6.1中描述。

6.3 数据类型和线上(on-the-wire)格式

6.3.1 概括

为各种变量和消息字段指定的数据类型定义了正确操作协议或解释IEEE 1588精确时间协议（PTP）或IEEE P802.11v消息内容所必需的逻辑属性。
注 - 如果内部表示不改变通过使用IEEE 802.1AS协议的通信或协议的指定操作可见的任何数量的语义，则实现可以*地使用数据类型的任何内部表示。

6.3.2 原始数据类型规范

所有非原始数据类型都是从表6-1中的基元类型派生的。 有符号整数以二进制补码形式表示。
IEEE 802.1AS-2011 第一章至第六章

6.3.3 派生数据类型规范

6.3.3.1 ScaledNs

ScaledNs类型表示时间和时间间隔的有符号值，单位为2−16ns2^{-16} ns。

typedef Integer96 ScaledNs;

例如：-2.5 ns表示为：
0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFD 8000
在该数据类型的最大范围之外的时间或时间间隔的正值或负值分别被编码为数据类型的最大正值或负值。

6.3.3.2 UScaledNs

UScaledNs类型表示时间和时间间隔的无符号值，单位为2−16ns2^{-16} ns。

typedef UInteger96 UScaledNs;

例如：2.5 ns表示为：
0x0000 0000 0000 0000 0002 8000
将大于该数据类型的最大值的时间或时间间隔的值分别编码为数据类型的最大正值。

6.3.3.3 TimeInterval

TimeInterval类型表示时间间隔，单位为2−16ns2^{-16} ns。

struct TimeInterval
{
	Integer64 scaledNanoseconds;
};

例如：2.5 ns表示为：
0x0000 0000 0002 8000
在该数据类型的最大范围之外的正或负时间间隔分别被编码为数据类型的最大正值和负值。

6.3.3.4 Timestamp

时间戳类型表示相对于epoch的正时间

struct Timestamp
{
	UInteger48 seconds;
	UInteger32 nanoseconds;
};

seconds成员是时间戳的整数部分，以秒为单位。
nanoseconds成员是时间戳的小数部分，以纳秒为单位。
nanoseconds成员总是小于10910^{9}
例如：
+2.000000001秒由 秒= 0x0000 0000 0002 和 纳秒= 0x0000 0001表示

6.3.3.5 ExtendedTimestamp

ExtendTimestamp类型表示相对于epoch的正时间。

struct ExtendedTimestamp
{
	UInteger48 seconds;
	UInteger48 fractionalNanoseconds;
};

seconds成员是时间戳的整数部分，以秒为单位
fractionalNanoseconds成员是时间戳的小数部分，以2−16ns2^{-16} ns为单位。
fractionalNanoseconds成员总是小于（2162^{16}）×（10910^{9}）。
例如：
+2.000000001秒由秒= 0x0000 0000 0002和纳秒= 0x0000 0001 0000表示

6.3.3.6 ClockIdentity

ClockIdentity类型标识时间感知系统。

typedef Octet8 ClockIdentity;

6.3.3.7 PortIdentity

PortIdentity类型标识时间感知系统的端口。

struct PortIdentity
{
	ClockIdentity clockIdentity;
	UInteger16 portNumber;
};

6.3.3.8 ClockQuality

ClockQuality表示时钟的质量。

struct ClockQuality
{
	UInteger8 clockClass;
	Enumeration8 clockAccuracy;
	UInteger16 offsetScaledLogVariance;
};

6.3.4 协议数据单元（PDU）格式

6.3.4.1 概述

6.3.2和6.3.3中定义的数据类型应根据相应介质的映射规则映射到线路上，例如IEEE Std 802.3-2008和IEEE Std 802.11-2007，以及6.3.4的条款。
IEEE 802.1AS PDU由基于6.3.2和6.3.3中定义的数据类型的条款10，条款11，条款12和条款13中定义或引用的消息组成。 IEEE 802.1AS PDU的字段的内部排序在6.3.4.3至6.3.4.5中规定。

6.3.4.2 八位字节内的位数

比特编号，最高有效位为8，最低有效位为1。
注 - 此处描述的PDU的八位位组内的位的编号和排序与底层物理层上的位传输顺序无关。

6.3.4.3 原始数据类型

6.3.2中定义的数字原始数据类型应格式化为最接近PDU开头的最高有效八位字节，然后按重要性递减的八位字节顺序排列。
布尔数据类型TRUE应格式化为等于1的单个位，并将FALSE格式化为等于0的单个位。
任何长度的枚举都应格式化，就好像指定的值是相同长度的无符号整数一样，例如，Enumeration16的格式应该是值类型为UInteger16。

6.3.4.4 原始类型的数组

所有数组都应格式化为具有最接近PDU开头的最低数字索引的成员，然后是连续更高编号的成员，没有任何填充。 在八位字节数组中，具有最低数字索引的八位字节被称为最重要的八位字节。
当包含多于一个八位字节的字段用于表示数值时，最高有效八位字节应最接近PDU的开头，然后是连续不太重要的八位字节。
当单个八位字节包含多个原始数据类型字段时，应保留消息字段规范中定义的每个基本类型的八位字节内的位位置。 例如，PTP消息头的第一个字段是由两个字段组成的单个八位字节，一个是字节Nibble位5-8，另一个是Enumeration4位1-4，见11.4.2和10.5.2。

6.3.4.5 派生数据类型

定义为结构的派生数据类型应使用最接近PDU开头的结构的第一个成员格式化，后跟每个后续成员，而不进行任何填充。 每个成员都应根据其数据类型进行格式化。
定义为typedef的派生数据类型应根据其引用的数据类型进行格式化。

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