20-EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0 | 第4章 时间戳链路与延迟预算

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第4章 时间戳链路与延迟预算

一句话目标：分解从物理到应用的时间戳链路，建立端到端延迟与抖动预算的可计量口径，并提供校准、补偿与发布的闭环。

I. 范围与对象

1. 对象与输入
   • 链路与节点：sensor/ADC → FPGA/NCO → DMA/NIC → driver → kernel → userland → network/edge。
   • 参考与触发：1PPS/10 MHz, GNSS, PTP/NTP, sync pulse，以及外部 t_ref。
   • 观测：阶段性时间戳 {t_hw, t_drv, t_k, t_usr, t_net}，阶段延迟 {d_phy, d_adc, d_fpga, d_dma, d_nic, d_k, d_usr}，抖动 {J_*}。
2. 输出与产物
   • 延迟与抖动预算：lat_mean, lat_p99, J_rms, J_pp，以及分阶段贡献与协方差。
   • 映射与补偿：ts = map( tau_mono; offset, skew ) - bias_chain。
   • 清单与追溯：manifest.time.path.*，含标定值、预算、测量方法与签名。

II. 名词与变量

• 时间戳与阶段延迟：t_ref, t_hw, t_drv, t_k, t_usr, d_i（第 i 阶段延迟）。
• 物理传播：gamma(ell), n_eff(ell), c_ref，到达时 T_arr 两口径与 delta_form。
• 抖动与不确定度：J_rms, J_pp, u(x), U = k * u_c。
• 网络时钟：PTP servo 输出 hat{offset}, hat{skew} 与质量字段 state, rms_err。
• 统计窗口：Delta_t，时基 tau_mono 与发布时基 ts。

III. 公设 P504-*

• P504-1（唯一测点）：每一阶段定义唯一的时间戳测点与极性（ingress/egress），避免跨相位混写。
• P504-2（物理显式）：凡涉物理传播，必须以 gamma(ell) 与 n_eff 计算 T_arr 并并行记录两口径与 delta_form。
• P504-3（加法分解）：端到端延迟可分解为阶段性确定项与随机项之和，随机抖动在独立近似下以方差相加。
• P504-4（时基一致）：所有延迟统计在 tau_mono 上评估，对外以 ts 发布并附 offset/skew/J。
• P504-5（对称性声明）：任何利用往返测量推断单程延迟的场景，必须显式声明对称性假设与不对称项上界。
• P504-6（硬件优先）：网络与 I/O 场景默认启用硬件时间戳（NIC/FPGA）作为主测点；软件时间戳仅作为回退并带不确定度上调。
• P504-7（预算保守）：lat_p99 发布采用保守合成 mu + z_0.99 * sigma_eff，并在清单中记录合成方式与相关性假设。
• P504-8（量纲与单位）：所有式子通过 unit/dim 与 check_dim 校核。

IV. 最小方程 S504-*

• S504-1（链路分解）
  t_usr = t_ref + ( ∑ d_i ) + epsilon，其中 i ∈ {phy, adc, fpga, dma, nic, drv, k, usr}，epsilon 为残差噪声。
• S504-2（抖动合成，独立近似）
  J_rms^2 ≈ ( ∑ J_i^2 )；若存在相关性矩阵 C，则 J_rms^2 = 1^T C 1。
• S504-3（P99 预算）
  设 lat ~ N( mu, sigma^2 ) 或经大数近似，则 lat_p99 ≈ mu + z_0.99 * sigma，z_0.99 ≈ 2.33。若重尾，改用分位估计或 EVT。
• S504-4（物理传播到达时，两口径）
  T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell )；T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )；
  delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |。
• S504-5（往返与不对称分解）
  RTT = d_fwd + d_rev；若声明对称性 d_fwd ≈ d_rev，则 d_fwd ≈ RTT / 2；不对称上界 | d_fwd - d_rev | ≤ asym_max。
• S504-6（软件时间戳偏差）
  bias_sw ≈ sched_delay + ctx_switch + irq_latency，U_sw 由 Bootstrap/Delta 评估（见 CrossStats 第5章）。
• S504-7（映射与补偿）
  ts = map( tau_mono; offset, skew ) - ( d_known + bias_chain )，其中 d_known = ∑ d_i^const，bias_chain 由标定得到。
• S504-8（队列与背压近似）
  若链路段可近似为 M/M/1，负荷 rho < 1，则 W_q ≈ rho^2 / ( mu_svc * ( 1 - rho ) )，其波动进入 J_q 项。

V. 计量流程 M50-4（建链→测量→标定→预算→发布）

• 建链与测点定义
  明确各阶段测点、触发边沿与时间域；为 NIC/FPGA 开启硬件时间戳并锁定到本卷第3章的参考。
• 物理段标定
  以已知 L_gamma 与介质参数估算 T_arr 两口径，实测以 loopback/reflectometry 校核并记录 delta_form。
• 驱动/内核/用户段剖析
  采用 intrusive markers 与 perf/trace 采集 {t_drv, t_k, t_usr}；使用 Bootstrap 估计 bias_sw 与 U_sw。
• 网络段测量
  开启 PTP 硬件时间戳，采集 hat{offset}, hat{skew}, path_delay；两向测量并发布 asym_max。
• 抖动合成与预算
  计算各阶段 J_i 与相关性，合成 J_rms；按 S504-3 形成 lat_p99 与安全裕度。
• 补偿与回写
  计算 bias_chain，对 ts 做补偿；落盘 manifest.time.path 与契约评估，签名发布。

VI. 契约与断言

• C50-41（测点完备）：{t_hw,t_drv,t_k,t_usr} 全部存在且 non_decreasing(t)。
• C50-42（物理一致）：delta_form ≤ tol_Tarr，并发布 L_gamma 与介质参数。
• C50-43（硬件时间戳优先）：hw_ts_coverage ≥ cov_min，不足部分标记 fallback=sw 且 U 上调。
• C50-44（P99 预算达标）：lat_p99 ≤ budget_p99，J_rms ≤ tol_jitter_rms，J_pp ≤ tol_jitter_pp。
• C50-45（往返不对称）：asym_max ≤ tol_asym，否则进入回退与灰度发布。
• C50-46（量纲校核）：对 S504-* 执行 check_dim(expr)=pass。
• C50-47（队列稳定）：若使用 S504-8，要求 rho ≤ rho_max，并监控 W_q_p99 ≤ tol_wq。

VII. 实现绑定 I50-4*

• trace_timestamp_chain(frame|sample) -> {t_ref,t_hw,t_drv,t_k,t_usr}
• measure_propagation(gamma, n_eff, c_ref, method) -> {T_arr_dual, delta_form}
• calibrate_hwts(nic|fpga, pps) -> bias_hw
• profile_sw_stack(tracer, window) -> {bias_sw, U_sw}
• estimate_asymmetry(two_way_stream) -> asym_max
• compose_latency_budget(stages, cov) -> {mu, sigma, lat_p99, J_rms, J_pp}
• compensate_ts(ds, bias_chain, map_params) -> ds'
• emit_timepath_manifest(results, policy) -> manifest.time.path
  不变量：unique(TraceID)；delta_form ≤ tol_Tarr；lat_p99 与 J_rms 可复现实测。

VIII. 交叉引用

• 时基建模与稳定度基线：见本卷第2章 P502-* / S502-*。
• 时钟与参考、GPSDO 纪律：见本卷第3章。
• 时间轴与同步清洗：见《Methods.Cleaning v1.0》第5章。
• 路径与到达时两口径：见《Methods.Cleaning v1.0》第6章。
• 统计不确定度与 P99 合成：见《Methods.CrossStats v1.0》第4、5章与附录E。

IX. 质量度量与风控

• 建议 SLI/SLO
  lat_mean, lat_p95/p99, J_rms, J_pp, hw_ts_coverage, asym_max, delta_form_p99, rho, W_q_p99。
• 告警与回退
  预警阈值 0.8×SLO、限流 0.95×SLO、回退 ≥1.0×SLO；硬件时间戳失效自动切换 fallback=sw 并上调 U 与 lat_p99 预算。
• 审计与追溯
  落盘测量方法、仪器与固件版本、map_params, bias_chain, asym_max，并记录 hash_sha256(manifest.time.path)。

小结