導讀

隨著時間同步需求的增長，IRIG-B、LORAN-C、NTP、PTP、GPS同步和SyncE等技術相繼被提出并應用。然而，這些方案要么難以滿足高精度要求，要么實現成本過高，限制了它們在低成本高精度場景下的適用性。

在此背景下，AS脫穎而出——它僅需極少的網絡、計算和硬件資源，即可實現納秒的同步精度。因此，作為PTP協議下的一個精簡協議規范，正日益成為高精度時間同步領域最具競爭力的技術方案，所以如何理解AS，是TSN應用人員的入門第一步。

01 .

如何定義AS

時間敏感網絡（TSN）的核心技術之一在于建立統一的時間基準，以確保網絡具備確定性傳輸能力。

為了實現這一目標，網絡中的所有終端設備必須保持高度一致的時鐘同步。其中，IEEE 802.1AS-2020標準作為IEEE 1588v2的特定應用規范，專門針對TSN環境優化，能夠提供納秒級的高精度時鐘同步。

在該機制下，主時鐘服務器會向網絡內所有參與設備廣播同步信息，這些設備通過運行最佳主時鐘選擇算法（BMCA）來確定最優時間源。

此外，每個PTP實例在接收同步數據時，需結合路徑延遲信息對時間戳進行動態修正，以確保時鐘同步的準確性。

02 .

AS基本概念

在IEEE 802.1AS標準架構中，網絡設備被劃分為兩類角色：邊界時鐘（BC） 和 普通時鐘（OC）。

盡管兩者均需參與最佳主時鐘（BMCA）選舉，但功能存在差異——邊界時鐘需承擔同步信號的轉發任務，而終端設備則通過應用服務接口向上層提供同步時間。

值得注意的是，IEEE 802.1AS邊界時鐘的同步傳輸機制在數學建模上與IEEE1588的點對點透明時鐘（TC）具有等效性。其核心原理在于：

①. 時間同步域

在時間同步網絡中（Time Synchronization Network），設備按照層級結構進行組織，其中一級節點部署1級時間同步設備，二級節點部署2級時間同步設備，依此類推，形成多級同步架構。

采用精確時間協議（PTP）的網絡構成一個PTP域（PTP Domain），每個PTP域內僅存在一個主時鐘源，域內所有設備均與該時鐘源同步。在AS2020標準中，一個網絡中可包含多個同步域，各域之間相互獨立，各自維護獨立的同步時間，彼此不直接同步。

這種架構確保了不同時鐘域之間的時間隔離性，適用于需要多時鐘源協同工作的復雜網絡環境。

②. 時鐘節點/角色

時間同步網絡中的同步域由若干時鐘節點構成，根據功能差異主要分為兩類：

普通時鐘（Ordinary Clock，簡稱OC）

同一個PTP域內，只存在單個物理端口參與PTP時間同步的節點。設備通過該端口從上游節點同步時間，或者向下游節點發布時間。

邊界時鐘（Boundary Clock，簡稱BC）

邊界時鐘在PTP系統中被定義為替代傳統網絡交換機或路由器的設備。這類時鐘具有多個PTP端口，每個端口都能獨立訪問PTP通信路徑。作為不同PTP域之間的接口，邊界時鐘負責攔截并處理所有PTP消息，同時傳遞其他網絡流量。

通過BMC算法，邊界時鐘會選擇各端口能感知的最佳時鐘源。被選中的端口將被設置為主從關系，而邊界時鐘的其他端口則會被激活為主設備，向其所屬域發送指令。

這類時鐘角色通常具備不少于兩個同步端口，通過指定那些端口用于接收主時鐘信號，以及其余端口負責時間信息轉發。

③. AS同步端口

在時間同步的實現架構中，網絡設備的接口可被配置為功能端口，根據其在時間同步拓撲中的功能角色劃分為以下三類：

主同步端口（Master Port）

它作為時間基準發布節點，主動發送Sync/Follow_Up報文，可配置于普通時鐘(OC)或邊界時鐘(BC)，通常作為同步域的根時鐘接口。

從屬端口（Slave Port）

它作為時間基準接收節點，主要處理Delay_Req/Resp報文交換，可存在于OC或BC設備，關鍵影響端到端時間誤差。

待機端口（Passive Port）

它通常保持協議運行但不參與同步，監聽PTP報文但不響應，僅出現于BC設備，在主從端口故障時快速切換。

④. 時鐘主從關系

在PTP同步網絡中，各設備通過動態的主從架構實現時間同步，其中時間發布方作為主節點（Master Node）及其主時鐘（Master Clock）通過主端口（Master Port）發送同步信號，而時間接收方作為從節點（Slave Node）及其從時鐘（Slave Clock）則通過從端口（Slave Port）進行時間校準，這種主從關系具有相對性，同一設備在不同同步層級中可能同時具備主從雙重角色。

⑤. 時鐘選源

同步協議提供兩種時鐘源選擇機制：靜態配置和動態BMC算法。

靜態模式允許管理員直接指定主時鐘源

BMC模式則通過協議自動選取最優時鐘源以確保同步精度。在同步協議框架下，時鐘節點通過交互Announce報文來共享時鐘源參數，包括主時鐘優先級、時間等級、精度指標以及拓撲跳數等關鍵信息。基于這些參數，各節點能夠智能確定最佳主時鐘源、選擇同步端口并建立主從同步關系，最終構建出以主時鐘為根節點的無環生成樹拓撲

在正常工作狀態下，主節點會持續向從節點發送Announce報文維持同步關系。當從節點檢測到Announce報文超時丟失時，將自動觸發重新選源流程，切換至備用端口建立新的主從同步鏈路。

⑥. BMC算法

在協議定義的同步網絡中，系統通過最佳主時鐘(BMC)決策機制動態確定主時鐘節點并配置端口角色。該算法通過分析各節點通告報文(Announce)中的時鐘質量參數進行綜合評判，具體決策依據包括：

主優先級(Priority1)：用戶可配置參數(0-255)，數值越小優先級越高

時鐘等級(Clock-Class)：表征時鐘源級別，數值越小等級越高

時鐘精度(Clock-Accuracy)：反映時間準確度，數值與精度成反比

穩定性指標(OffsetScaledLogVariance)：數值越小穩定性越佳

次優先級(Priority2)：輔助決策參數(0-255)，數值小者優先

決策流程遵循嚴格的多級比較原則：首先比對Priority1參數，若相同則依次比較Clock-Class、Clock-Accuracy、OffsetScaledLogVariance和Priority2。通過調整這些參數的配置，可以靈活控制系統的主時鐘選舉結果，實現精確的時間同步與故障保護。BMC機制確保了整個PTP網絡能夠自動構建最優的時鐘同步拓撲。

03 .

虹科TSN設備

AS時鐘角色測試示例

①. 基于RELYUM TSN交換機的AS Master—Slave同步測試

選取兩臺RELY-TSN交換機完成點對點的鏈接，例如交換機1的Port-0與交換機2的Port-0相連。

修改交換機1和交換機2的IP地址，例如其中交換機1的IP地址為192.168.4.64，交換機2的IP地址為192.168.4.65，這樣通過交換機1/2其中一個Port就可以同時訪問兩個Web配置頁面。

注：建議連接作為Master交換機的Port-1.

虹科合作伙伴SOC-E RelyUm系列

RELY-TSN-Bridge TSN交換機

4端口TSN交換機

提供4/12/20個多媒體千兆以太網端口和1個內部端口，部分型號可同時支持1/10G

合并OT和IT世界，并保證確定性以太網網絡中所有設備的互操作性和標準化

支持市場上數量最多的TSN標準

適用于鐵路、航空航天、汽車、工業自動化等技術條件苛刻的行業應用場景

②. Mater-Slave時鐘設置

根據第2節當中對于BMCA最佳主時鐘選取的規則，設置IP地址192.168.4.64交換機的時鐘Priority1為200，192.168.4.65交換機的時鐘Priority1為默認248，并開啟gPTP的start功能。

此時情況下，4.64交換機的時鐘作為Master存在，4.65交換機作為Slave存在。如下設置：

③. 觀察時間同步角色差異

首先觀看主時鐘設備的PTP clockID實例，GM clock ID以及GM present布爾值。

其中PTP clockID實例為本設備的時鐘源ID、GM clock ID為主時鐘Master ID、GM present為false時表示本設備作為主時鐘源Master設備；為ture時表示本設備作為從時鐘Slave設備（外部存在Master）。

由結果顯示，Slave設備（交換機2）的GM clock ID為Mater設備（交換機1）的PTP clockID實例，并且GM present=true，同步精度GM offset為18ns左右。

在打印信息中，Master設備（交換機1）的Port-1端口作為Master-port，Slave設備（交換機2）的Port-2端口作為Slave-port，與第2節中描述一致。

結語 .

在工業控制、車載網絡等對時間敏感的關鍵領域，高精度時鐘同步是保障系統穩定運行的核心基石。IEEE 802.1AS憑借納秒級同步精度與輕量化實現優勢，正成為破解低成本高精度同步難題的關鍵技術，為TSN的大規模落地提供了堅實的時間基準支撐。

本系列文章將分3期深入剖析AS技術，了解更多關于AS的深度解讀與實踐技巧，敬請關注虹科，以便及時獲取后續文章動態。

作者簡介

羅顯志

虹科高級技術工程師，專注TSN技術領域，具有豐富的理論基礎和應用經驗，提供專業的TSN測試和培訓服務。