PTPD 在 QNX 系统上的授时精度验证与误差排查

文章目录

- 0. 引言
- 1.关键函数实现
- 2. 验证策略与结果
- 3. 授时误差的排查与解决
- 3. 授时误差的排查与解决
- 4. 结论

0. 引言

PTPD是一种时间同步的开源实现，在不同操作系统上的表现可能存在显著差异。
本文通过在QNX系统上运行PTPD，针对其授时精度进行详细验证，并对出现的误差进行深入排查和分析，旨在提升QNX系统中的时间同步精度。

更多阅读请查看在QNX中运行PTPD实现gPTP同步问题的排查与解决

1.关键函数实现

在QNX系统上运行PTPD进行时间同步时，我们经过一系列调试和优化，采用PTP4L作为主时钟（软时钟）和PTPD2作为从时钟（软时钟）。
在收发PTP event报文时，我们发现原始PTPD代码使用的SO_TIMESTAMP从CMSH_DATA中获取时间戳数据更新周期为8ms，导致0-8ms的误差。为了减少这种误差，我们改为在应用层直接获取当前系统时间，将其作为报文的时间戳。

接收和发送报文时获取系统时间的关键实现如下：

void getTime(TimeInternal *time) {struct timespec tp_now;if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tp_now) < 0) {PERROR("clock_gettime() failed, exiting.");exit(0);}time->seconds = tp_now.tv_sec;time->nanoseconds = tp_now.tv_nsec;return;
}ssize_t netRecvEvent(Octet *buf, TimeInternal *time, NetPath *netPath, int flags) {ssize_t ret = 0;struct msghdr msg;struct iovec vec[1];struct sockaddr_in fromaddr;#if defined(_QNXNTO) && defined(PTPD_EXPERIMENTAL)TimeInternal tmpTime;getTime(&tmpTime);*time = tmpTime;
#endifreturn ret;
}ssize_t netSendEvent(Octet *buf, UInteger16 length, NetPath *netPath, const RunTimeOpts *rtOpts, Integer32 destinationAddress, TimeInternal *time) {ssize_t ret;struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(PTP_EVENT_PORT);#if defined(_QNXNTO) && defined(PTPD_EXPERIMENTAL)TimeInternal tmpTime;getTime(&tmpTime);*time = tmpTime;
#endifreturn ret;
}

2. 验证策略与结果

为了验证这种时间戳处理策略的效果，我们使用clockdiff脚本测量了主从时钟之间的误差，并通过一系列实验确定了授时精度。实验结果显示，主从时钟之间的offset基本在几十到几百微秒，未超过1ms。这些结果表明在QNX系统上采取的改进方法有效地降低了时间同步的误差。
为进一步验证时间戳更新周期的影响，我们开发了一个简单的C程序so_timestamp.c，不断循环获取SO_TIMESTAMP的值并打印出来。以下是该程序的简化代码示例：

// so_timestamp.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <inttypes.h>
#include <time.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <netinet/if_ether.h>
#include <netinet/ip.h>
#ifdef _QNX_
#include <sys/neutrino.h>
#endif
#define log(fmt, ...) printf(fmt "\n", ##__VA_ARGS__);
int create_server_socket() {int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sock < 0) {log("cannot create socket");return -1;}struct sockaddr_in addr;memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = 8080;addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));if (ret < 0) {log("cannot bind socket");return -1;}int optval = 1;ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMP, &optval, sizeof(optval));if (ret < 0) {log("cannot setsockopt SO_TIMESTAMP");return -1;}return sock;
}
int destroy_socket(int sock) {if (sock < 0) {log("invalid socket");return -1;}int ret = close(sock);if (ret < 0) {log("cannot close socket");return -1;}return 0;
}
int64_t get_so_timestampns(int sock) {struct msghdr msg;struct iovec iov;char cmsgbuf[4096];char buf[1024];struct cmsghdr *cmsg;struct timeval *tv;int ret;memset(buf, 0, sizeof(buf));memset(&msg, 0, sizeof(msg));memset(&iov, 0, sizeof(iov));memset(cmsgbuf, 0, sizeof(cmsgbuf));iov.iov_base = buf;iov.iov_len = sizeof(buf);msg.msg_iov = &iov;msg.msg_iovlen = 1;msg.msg_control = cmsgbuf;msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf);ret = recvmsg(sock, &msg, 0);if (ret < 0) {log("cannot recvmsg %s", strerror(errno));return -1;}write(sock, buf, strlen(buf));for (cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg); cmsg != NULL; cmsg = CMSG_NXTHDR(&msg, cmsg)) {
#ifdef _QNX_if (cmsg->cmsg_level == SOL_SOCKET && cmsg->cmsg_type == SCM_TIMESTAMP) {
#elseif (cmsg->cmsg_level == SOL_SOCKET && cmsg->cmsg_type == SO_TIMESTAMP) {
#endiftv = (struct timeval *)CMSG_DATA(cmsg);return tv->tv_sec * 1000000000 + tv->tv_usec * 1000;}}log("cannot find SCM_TIMESTAMP");return -1;
}
int send_to_sock(int sock, const char* buf, int len) {struct sockaddr_in addr;memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = 8080;// localhostaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);int ret = sendto(sock, buf, len, 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));if (ret < 0) {log("cannot sendto");return -1;}return 0;
}
int main() {
#ifdef _QNX_struct _clockperiod period;period.nsec = 10000;period.fract = 0;ClockPeriod(CLOCK_REALTIME, &period, NULL, 0);
#endifint sock = create_server_socket();if (sock < 0) {return -1;}fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);FD_SET(sock, &rfds);struct timeval timeOut = {0,0};const char* buf = "hello world";int64_t sec, msec, usec, nsec;int64_t ns = -1;int ret = -1;for (;;) {ret = send_to_sock(sock, buf, strlen(buf));if (ret < 0) {return -1;}ret = select(sock + 1, &rfds, NULL, NULL, &timeOut);if (ret < 0) {log("cannot select");return -1;}ns = get_so_timestampns(sock);if (ns < 0) {return -1;}sec = ns / 1000000000;msec = (ns % 1000000000) / 1000000;usec = (ns % 1000000) / 1000;nsec = ns % 1000;log("ts: %ld.%03ld.%03ld.%03ld", sec, msec, usec, nsec);}destroy_socket(sock);
}

以上程序会持续输出时间戳，显示其在一段时间内保持不变，然后突变，突变增量大约为8ms。通过这种方式，我们能直观地观察到时间戳的更新频率和模式，为我们的误差分析提供了实验数据。
在这里插入图片描述

如上图所示，是 clockdiff 测出的授时误差统计直方图。横轴表示授时误差，纵轴表示统计计数。可以看到，从 -8ms 到 0ms 的误差都有，而且分布比较均匀。

3. 授时误差的排查与解决

为了提高这段文字的清晰度和逻辑性，我们可以调整其结构和表述，使其更为精准和易于理解。下面是优化后的版本：

3. 授时误差的排查与解决

在对QNX系统中的PTPD进行授时精度测试时，我们发现存在显著的授时误差，最小误差也达到10毫秒左右。更为严重的是，在计算同步（sync）报文的发送和接收时间差时，我们观察到的时间偏差竟高达几百毫秒，这远远超出了正常范围。初步调查表明，这一问题可能与QNX系统的时钟频率调节接口有关。

进一步的诊断显示，主时钟上的时间误差本身接近几百毫秒。我们使用的SO_TIMESTAMPING机制的更新周期长达8毫秒，这成为误差的主要原因。我们发现，QNX系统在获取时间戳时无法有效触发中断，导致时间戳保持不变，并且系统每次都会进行时钟步进（clock step），从而产生较大的误差。

QNX系统中的clockAdjust接口允许通过设置tick_count和tick_nsec_inc来调整系统时钟，具体调整方法如下：

设定每个时钟周期（tick）为10000纳秒。当tick_count设为100，tick_nsec_inc设为10时，在接下来的100个周期中，每个周期时长会增加至10010纳秒，从而加速时钟。
如果需要减缓时钟速度，则将tick_nsec_inc设置为负值。

以下是调整时钟的示例代码：

printf("QNX: adj: %.9f, dt: %.9f, ticks per dt: %d, inc per tick %d\n", adj, ptpClock->servo.dT, clockadj.tick_count, clockadj.tick_nsec_inc);if (ClockAdjust(CLOCK_REALTIME, &clockadj, NULL) < 0) {printf("QNX: failed to call ClockAdjust: %s\n", strerror(errno));
}