20-EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0 | 第5章 同步协议与伺服（NTP/PTP/SyncE）

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第5章 同步协议与伺服（NTP/PTP/SyncE）

一句话目标：以统一的测量与控制口径，将 NTP/PTP/SyncE 的对时量化、伺服律与失步回退纳入可审计的时基闭环。

I. 范围与对象

1. 覆盖对象
   • 协议层：NTPv4, PTP (IEEE 1588) one-step/two-step, SyncE (ITU-T G.826x/G.827x)。
   • 伺服层：PLL/FLL/PLL+FLL, PI/PII, Kalman/alpha-beta(-gamma)。
   • 测时层：NIC/FPGA 硬件时间戳与 kernel/userland 软件时间戳。
2. 输入
   • 双向时间戳：{t1, t2, t3, t4}（PTP），或 {T1, T2, T3, T4}（NTP）。
   • 频率参考与恢复：SyncE EEC 输出 y_rec，本地振荡器状态 y_osc。
   • 环境与链路：丢包率 loss, 抖动 J, 不对称上界 asym_max。
3. 输出
   • 估计与控制：offset, delay, skew, freq_corr, phase_corr，伺服状态机。
   • 发布映射：ts = map( tau_mono; offset, skew )，清单 manifest.time.sync.*。

II. 名词与变量

• 时间误差与频率偏差：TE(t), y(t) = ( df/dt ) / f0, skew（ppm），wander。
• 双向测量：t1（master send），t2（slave recv），t3（slave send），t4（master recv）。
• 同步量：delay_tw, offset, offset'（纠偏后），asym = d_fwd - d_rev。
• 伺服参数：Kp, Ki, Kd，积分限幅 I_max，最大微调速率 slew_max。
• 不确定度与稳定度：u(x), U = k * u_c, adev(tau)（Allan deviation）。
• 发布时基：tau_mono, ts, offset/skew/J。

III. 公设 P505-*

• P505-1（硬件优先）：存在硬件时间戳则强制启用，软件时间戳仅作回退并上调 U。
• P505-2（对称性显式）：利用双向测量推断单程延迟时，显式声明对称性与 asym_max。
• P505-3（单调伺服）：相位校正采用 slew 优先，禁止超过 slew_max 的硬跳（除首次入网或人工允许）。
• P505-4（稳态优先）：PI 或状态空间伺服以相位稳定为首要目标，频率平稳为次；禁止积分风up。
• P505-5（量纲校核）：所有式子通过 check_dim；unit(offset)="s", unit(y)="1"。
• P505-6（时基一致）：估计与控制在 tau_mono 上进行，对外以 ts 发布并附 offset/skew/J。
• P505-7（两口径记录）：涉及物理/链路到达时的度量，记录 T_arr 两口径与 delta_form（见第4章）。
• P505-8（可追溯回退）：LOCKED → HOLDOVER → FREERUN 的降级路径与阈值必须落盘并可复现。

IV. 最小方程 S505-*

• S505-1（PTP/NTP 双向口径）
  delay_tw = ( ( t2 - t1 ) + ( t4 - t3 ) ) / 2
  offset = ( ( t2 - t1 ) - ( t4 - t3 ) ) / 2
  对 NTP 用 {T1..T4} 同形替换。
• S505-2（不对称纠偏）
  设 asym = d_fwd - d_rev，则 offset' = offset - ( asym / 2 )，delay_fwd = delay_tw + ( asym / 2 )。
  未知 asym 时发布 asym_max 并给出 U_offset 的上界。
• S505-3（PI 伺服离散化）
  e_k = offset'_k
  I_k = clamp( I_{k-1} + Ki * e_k * Delta_t, -I_max, I_max )
  freq_corr_k = clamp( Kp * e_k + I_k, -slew_max, +slew_max )
• S505-4（状态空间/卡尔曼基线）
  令状态 s_k = [ phase_k, freq_k ]^T，
  s_{k+1} = A s_k + w_k，z_k = H s_k + v_k，其中 z_k = offset_k。
  典型 A = [[1, Delta_t],[0,1]]，H = [1, 0]。
• S505-5（Allan 偏差）
  adev(tau) = sqrt( 0.5 * mean( ( y_{i+1}(tau) - y_i(tau) )^2 ) )
• S505-6（SyncE 频率恢复）
  y_rec = ( f_rec - f0 ) / f0，伺服以 y_rec 为 FLL 输入，freq_corr ← -y_rec（经滤波限幅）。
• S505-7（发布映射）
  ts = map( tau_mono; offset', skew )，其中 skew 为 freq_corr 的平滑估计。

V. 同步流程 M50-5（建链→测量→伺服→发布→回退）

• 启动与建链
  选择 PTP/NTP/SyncE 组合；启用硬件时间戳；配置报文间隔与优先级域（PTP domain）。
• 双向测量与预处理
  收集 {t1..t4}，剔除离群（MAD/iqr）；估计 delay_tw、offset；并行记录 loss, J。
• 不对称评估与纠偏
  依据链路标定或历史回灌估计 asym；形成 offset' 与不确定度上界。
• 伺服估计与控制
  初始化 PI/Kalman；启用反风up与速率限幅；输出 freq_corr、phase_corr。
• SyncE 频率锚定
  若可用，先以 SyncE 锚定 y(t)，再由 PTP/NTP 细化相位；保持 PLL←PTP/NTP、FLL←SyncE 的层叠结构。
• 发布与落盘
  计算 ts；写入 manifest.time.sync.*：offset/skew/J、delay_tw、asym(asym_max)、伺服参数与状态。
• 失步与回退
  按阈值进入 HOLDOVER/FREERUN；启用 holdover_predictor；降低发布置信度并上调 U；记录事件与签名。

VI. 契约与断言

• C50-51（偏差与分位）：|offset'|_p99 ≤ tol_offset_p99，|offset'|_mean ≤ tol_offset_mean。
• C50-52（频率误差）：|skew|_p99 ≤ tol_skew_p99，并满足 adev(tau_ref) ≤ spec_adev。
• C50-53（不对称控制）：asym_max ≤ tol_asym；若超阈，标记 degraded=true 并触发回退策略。
• C50-54（报文与抖动）：loss ≤ tol_loss，J_rms ≤ tol_jitter_rms，J_pp ≤ tol_jitter_pp。
• C50-55（伺服稳定）：freq_corr 不发生持续饱和（占比 ≤ sat_ratio_max），I_k 受 I_max 约束。
• C50-56（量纲校核）：对 S505-* 执行 check_dim(expr)=pass。
• C50-57（两口径一致）：若链路含物理传播，delta_form ≤ tol_Tarr（见第4章）。

VII. 实现绑定 I50-5*

• ntp_offset_delay(T1, T2, T3, T4) -> {offset, delay_tw}
• ptp_offset_delay(t1, t2, t3, t4, two_step, hwts=true) -> {offset, delay_tw}
• estimate_asymmetry(calib, hist, method) -> {asym, asym_max, U}
• pi_servo_update(state, offset', Delta_t, Kp, Ki, slew_max, I_max) -> state'
• kalman_servo_update(state, offset', Q, R, Delta_t) -> state'
• synce_freq_recovery(rx_sync, f0, filt) -> y_rec
• steer_clock(clock, mode="slew|step", freq_corr, phase_corr) -> ok
• holdover_predict(osc_model, last_state, horizon) -> {TE_bound, y_bound}
• emit_sync_manifest(stats, state, policy) -> manifest.time.sync
  不变量：unique(TraceID)；slew|step 不越 slew_max；sat_ratio ≤ sat_ratio_max；回退路径与阈值受控可复现。

VIII. 交叉引用

• 振荡器特性与参考选择：见本卷第3章。
• 时间戳链路分解与延迟预算：见本卷第4章。
• 时间轴与同步清洗：见《Methods.Cleaning v1.0》第5章。
• 不确定度传播与 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
  offset_p50/p95/p99, skew_rms, adev(1s/10s/100s), delay_tw_p95, loss, hw_ts_coverage, sat_ratio, state_dwell_time{LOCKED,HOLDOVER}。
• 告警与回退
  分层阈值：预警 0.8×SLO、限幅 0.9×SLO、回退 ≥1.0×SLO；LOCKED→HOLDOVER 时切换 PI→predictive 并缩短发布窗口。
• 审计与追溯
  落盘伺服参数 {Kp,Ki,Q,R}, 限幅 {slew_max,I_max}, asym(asym_max)、时间戳来源 {hw|sw}，并签名 hash_sha256(manifest.time.sync)。

小结