21-EFT.WP.Metrology.Sync v1.0 | 第4章 测量链路与时间戳（硬件/软件/混合）

目录 ／ 文档-技术白皮书 ／ 21-EFT.WP.Metrology.Sync v1.0

第4章 测量链路与时间戳（硬件/软件/混合）

一句话目标：定义网络测量链路的可追溯时间戳口径，统一硬件/软件/混合取点、延迟分解与不确定度发布，使 offset/skew/J 与 T_arr 相关量在跨设备与跨域中具有一致解释与合规模式。

I. 范围与对象

1. 适用对象
   • 以以太网/光纤为主的 PTP/NTP 测量链路，支持 PHY/MAC/NIC 硬件时间戳、kernel/user 软件时间戳与两者融合的混合方案。
   • 覆盖边界设备（BC/TC）、服务器网卡、虚拟化/容器网络栈、时间敏感网络（TSN）场景。
2. 输入
   • 报文与事件：Sync/Follow_Up/Delay_Req/Delay_Resp 或 NTP 四时戳序列，correctionField 累积量，交换机 residence time。
   • 设备能力与工况：ts_point ∈ {phy_ingress, mac_rx, nic_rx, kernel_rx, userland}，line_rate, L_frame，驱动与固件版本，irq 与 sched 策略。
   • 参考与约束：tau_mono, ts, offset/skew/J 预算，T_arr 两口径阈值。
3. 输出
   • 标准化时戳：ts_std(p) 及其来源 ts_point、校准偏置与不确定度 U(ts_std)。
   • 链路延迟分解：t_ser, t_prop, t_mac, t_phy, t_fifo, t_dma, t_irq, t_sched 与 u(·)。
   • 清单与契约：manifest.sync.ts.*、断言结果与签名。

II. 名词与变量

1. 取点与链路
   • ts_point ∈ {phy_ingress, mac_rx, nic_rx, kernel_rx, userland}
   • t_ser = L_bits / R_bps，t_prop（介质传播），t_mac/ t_phy（子层处理），t_fifo（NIC 队列），t_dma，t_irq，t_sched（调度）。
   • 链路总和：t_link = t_ser + t_prop + t_mac + t_phy + t_fifo + t_dma + t_irq + t_sched。
2. PTP/NTP 四时戳
   • T1（master egress），T2（slave ingress），T3（slave egress），T4（master ingress）。
   • CF12（前向 correctionField 总和），CF34（回向 correctionField 总和），t_res（各 TC residence time）。
   • delay_rt，asym。
3. 不确定度与发布
   • u(x)（标准不确定度），U = k * u_c（扩展不确定度），check_dim(expr)。
   • 时基：内部 tau_mono，对外 ts，并记录 offset/skew/J。

III. 公设 P604-*

• P604-1（可追溯单一取点）：每条报文仅认定一个生效 ts_point；融合仅用于估计与校正，不改变原始取点事实。
• P604-2（硬件优先）：存在硬件时戳则优先采用；无硬件时戳时，软件取点必须发布完整链路分解与 U。
• P604-3（字典序延迟分解）：t_link 分解项固定顺序记录与发布，任何省略项必须置零并注明。
• P604-4（correctionField 保守合并）：所有中间设备的 correctionField 与 t_res 必须累加进入估计式，严禁重复扣除。
• P604-5（两口径并行）：涉及路径/到达时度量时，强制并行计算 T_arr 两口径并记录 delta_form。
• P604-6（量纲守恒）：所有时间/速率/长度参与计算前执行 unit/dim 校核。
• P604-7（时基一体化）：统计与窗口化运算在 tau_mono 上完成，对外以 ts 发布并记录 offset/skew/J。
• P604-8（虚拟化显式）：t_irq/t_sched 在虚拟化环境单列并标注 host/guest 归属。
• P604-9（签名与重放）：manifest.sync.ts.* 必须可重放，含 hash_sha256(blob) 与 signature。

IV. 最小方程 S604-*

• S604-1（序列化与插入开销）
  t_ser = ( L_bits + preamble_bits + ifg_bits ) / R_bps
• S604-2（软件取点偏置）
  ts_sw = ts_hw + t_dma + t_irq + t_sched + t_syscall + eps_sw
  bias_sw = E[ ts_sw - ts_hw ]
• S604-3（PTP/NTP 校正后的四时戳）
  T2' = T2 - CF12
  T4' = T4 - CF34
• S604-4（offset 与往返延迟，含不对称项）
  offset = ( ( T2' - T1 ) + ( T3 - T4' ) ) / 2 - asym
  delay_rt = ( ( T2' - T1 ) + ( T4' - T3 ) ) / 2
• S604-5（混合取点归一化）
  ts_std(p) = ts(p) - bias(p)，其中 bias(phy/mac)=0，bias(nic)=t_fifo，bias(kernel)=t_dma + t_irq + t_sched + t_syscall
• S604-6（链路总不确定度）
  u^2(ts_std) = ∑ u^2(component)，U = k * sqrt( u^2(ts_std) )
• S604-7（到达时两口径差）
  delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |

V. 计量流程 M60-4（测量链路与时间戳）

1. 能力探测与策略设定
   • 枚举接口能力与驱动：确定 ts_point，记录 line_rate, L_bits，是否支持 correctionField 与两步 Follow_Up。
   • 固化优先级：phy/mac > nic > kernel > userland。
2. 链路分解与基线校准
   • 计算 t_ser、估计 t_prop（介质与长度），读取 NIC 队列与 DMA 参数估计 t_fifo/t_dma。
   • 通过环回/对时治具测量 bias_sw，得到 ts_std 校准映射。
3. 四时戳采集与校正
   • 抽取 T1..T4 与 CF12/CF34，按 S604-3/4 求 offset/delay_rt，并记录 t_res。
   • 发布 ts_std 与 u(·)，所有计算在 tau_mono 上进行。
4. 虚拟化与混合融合
   • 拆解 t_irq/t_sched 的 host/guest 贡献，必要时引入 paravirt 校正因子。
   • 使用 ts_hw 作为锚，利用 ts_sw 提升丢时戳场景的覆盖率。
5. 到达时两口径并行
   对涉及介质传播的场景，计算 T_arr 的两口径与 delta_form；超阈触发路径探测或介质参数复核。
6. 落盘与签名
   形成 manifest.sync.ts.*：ts_point, ts_std, bias, U, t_link breakdown, offset, delay_rt, asym, delta_form 与 TraceID/signature。

VI. 契约与断言 C60-4*

• C60-41（单一取点）：unique(ts_point | iface)。
• C60-42（量纲守恒）：check_dim(t_ser)= [T]，check_dim(offset)= [T] 等全部为真。
• C60-43（单调与抖动）：non_decreasing(ts_std)；J(ts_std)_p99 ≤ J_max。
• C60-44（偏置稳定）：| bias_sw - bias_sw_ref | ≤ bias_tol。
• C60-45（往返与不对称门控）：delay_rt ≤ delay_max，|asym| ≤ asym_max。
• C60-46（correctionField 完整）：所有中间设备 CF/t_res 求和一致，missing_CF_rate ≤ tol_cf_miss。
• C60-47（两口径差）：delta_form ≤ tol_Tarr。
• C60-48（虚拟化标注）：存在 vm 时必须发布 t_irq_host/guest, t_sched_host/guest。

VII. 实现绑定 I60-*（时间戳与链路层）

• discover_ts_capabilities(iface) -> {ts_point, features}
• estimate_serialization(L_bits, R_bps) -> t_ser
• measure_sw_bias(loopback_cfg) -> bias_sw, U
• correct_with_cfield(T1,T2,T3,T4, CF12,CF34) -> {T2', T4'}
• compute_offset_delay(T1,T2',T3,T4', asym) -> {offset, delay_rt}
• decompose_link(ds, nic_meta) -> {t_ser..t_sched, U}
• fuse_timestamps(ts_hw, ts_sw, policy) -> ts_std
• emit_ts_manifest(results, meta) -> manifest.sync.ts
  不变量：sum(u^2)_components ≈ u^2(ts_std)；announce_loss_rate ≤ tol_loss；delta_form ≤ tol_Tarr。

VIII. 交叉引用

• 时基与 Allans 族噪声、MTIE/tdev：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》第7章、第14章。
• 同步建模基线与 BMCA：见本卷第2章与第3章。
• 清洗的合规与清单：见《EFT.WP.Methods.Cleaning v1.0》第10章与附录C。
• 统计不确定度传播：见《EFT.WP.Methods.CrossStats v1.0》附录E。

IX. 质量度量与风控

1. 指标（SLI）
   • ts_bias_p50/p95/p99, ts_jitter_p95/p99, missing_hw_ts_rate, cf_miss_rate, offset_p99, delay_rt_p99, asym_p95。
   • t_link_breakdown 的 t_dma/t_irq/t_sched 占比与漂移速率。
   • delta_form_p99 与 manifest 覆盖率。
2. 风控
   • 偏置飘移越界时自动重校与降级到硬件取点；cf_miss_rate 升高触发路径探测与 TC 健康检查。
   • 虚拟化负载上升触发 irq/sched 限制与隔离；offset_p99 超预算触发伺服降权或切换上游。

小结