21-EFT.WP.Metrology.Sync v1.0 | 第5章 协议族与实现（PTP/NTP/SyncE/White Rabbit）

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第5章 协议族与实现（PTP/NTP/SyncE/White Rabbit）

一句话目标：给出 PTP/NTP/SyncE/White Rabbit 的统一计量与实现口径，覆盖报文与频率转移、非对称与补偿、伺服收敛与合规模板，确保 offset/skew/J 与 T_arr 在多协议混部下仍可审计与对齐。

I. 范围与对象

1. 适用栈
   • PTP（IEEE 1588，含 Default/Telecom/Power profiles）、NTP（v4/v5 模式）、SyncE（G.826x/G.827x）、White Rabbit（WR，PTP+SyncE+相位测量）。
   • 单域与跨域部署、物理以太链路与 TSN、数据中心与运营商边界、卫星/光纤混合回传。
2. 输入
   • 能力：hwts ∈ {none, mac, nic, phy}, synce_cap, wr_cap, profile_id。
   • 链路与设备：R_bps, L_bits, lambda_tx/rx, fiber_len, temp, esmc.QL。
   • 报文与测量：PTP T1..T4, correctionField, t_res；NTP t1..t4；WR 相位差样本与校准常数。
3. 输出
   • 统一指标：offset, delay_rt, freq_error_ppb, wander(MTIE,tdev), holdover_drift。
   • 合规模板：manifest.sync.proto.*（协议、配置、测量、阈值与签名）。

II. 名词与变量

1. PTP/NTP
   • T1..T4, CF12/CF34, t_res, asym，delay_rt，profile_id，BMCA state。
   • NTP 端点时戳 t1..t4，采样窗口 W，抖动估计 j_ntp，过滤器深度 N.
2. SyncE/WR
   • f_in, f_out, e_ppm（频率误差），esmc.QL（质量等级），PRTC/PRC。
   • WR 链路：Delta_tx/rx（端口固定延迟），delta_ms, delta_sm（主从方向光纤时延），alpha（波长非对称系数）。
3. 伺服
   offset, skew, drift, Kp/Ki, tau_loop，state ∈ {free, acquire, track, holdover}。
4. 时间与到达时
   tau_mono, ts, T_arr, gamma(ell), n_eff, c_ref, delta_form。

III. 公设 P605-*

• P605-1（分层目标）：SyncE 只提供频率一致（syntonization），PTP/NTP/WR 提供时间/相位一致（synchronization）；频率先于相位闭环。
• P605-2（profile 不变）：每端口固定 profile_id 与参数组（announce/interval/logSync/peerDelay），禁止混合 profile 运行。
• P605-3（硬件优先）：存在硬件时戳则优先 PTP/WR；NTP 仅在无硬件能力或跨公网时启用，且发布更大 U。
• P605-4（非对称显式）：链路不对称以 asym 或 WR alpha 显式补偿；不得隐式吞并到 offset。
• P605-5（两口径并行）：涉及介质传播的到达时与链路测量必须并行记录 T_arr 两口径与 delta_form。
• P605-6（量纲守恒与清单）：所有时延/频率/相位参与运算前执行 unit/dim 校核，并写入 manifest.sync.proto.*。

IV. 最小方程 S605-*

• S605-1（PTP offset/delay，含 correctionField 与不对称）
  T2' = T2 - CF12；T4' = T4 - CF34
  delay_rt = ( ( T2' - T1 ) + ( T4' - T3 ) ) / 2
  offset = ( ( T2' - T1 ) + ( T3 - T4' ) ) / 2 - asym
• S605-2（NTP offset/delay 与过滤）
  theta = ( ( t2 - t1 ) + ( t3 - t4 ) ) / 2
  delta = ( t4 - t1 ) - ( t3 - t2 )
  过滤：theta_hat = argmin_theta{ delta } 于窗口 W 内最小往返样本；抖动 j_ntp = RMS( theta - theta_hat )。
• S605-3（SyncE 频率转移）
  f_out = f_in * ( 1 + e_ppm * 1e-6 )
  漂移约束：|e_ppm| ≤ e_max，稳态游走以 MTIE(τ), tdev(τ) 窗口化评估。
• S605-4（WR 非对称补偿与相位测量）
  asym_wr = 0.5 * ( delta_ms - delta_sm ) + ( Delta_tx_master - Delta_rx_slave + Delta_tx_slave - Delta_rx_master ) / 2
  offset_wr = offset_ptp - asym_wr
  其中 delta_ms, delta_sm 由 DDMTD/相位对准测得，alpha 作为波长依赖修正进入 delta 估计。
• S605-5（到达时两口径差）
  delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |
• S605-6（伺服线性化近似）
  一阶：skew_{k+1} = skew_k - Kp * offset_k；二阶：offset_{k+1} = offset_k + Ki * skew_k * Δt
  收敛条件（线性域）：0 < Kp < Kp_max，0 < Ki < Ki_max，并满足相位裕度约束。

V. 实施流程 M60-5（协议族与实现）

• 能力探测与协议选型
  探测 hwts/synce_cap/wr_cap、网络层级与上游质量；确定主栈：{WR|PTP} 优先，SyncE 伴随使能，NTP 作为外网兜底。
• Profile 裁剪与参数固化
  选择 profile_id，设定 logSyncInterval, announceInterval, delayMechanism ∈ {E2E,P2P}，与 PTP domain；配置 SyncE 线路编码与 esmc.QL 门限。
• 链路校准与非对称建模
  计算/测量 asym：PTP 采用回环/双向测量；WR 测定 delta_ms/delta_sm、Delta_tx/rx 与 alpha；记录 U。
• 伺服整定与状态机
  频率环（SyncE/NIC PLL）先收敛，再启相位环（PTP/WR）；设置 Kp/Ki/tau_loop 与锁定/保持/回退阈值。
• 运行监测与异常处置
  采集 offset/delay_rt/freq_error_ppb/MTIE/tdev；QL 降级、BMCA 失配、packet_loss/jitter 异常触发切换与限流。
• 清单与签名
  生成 manifest.sync.proto.*：协议/参数/校准/阈值/评估/签名，落盘可重放。

VI. 契约与断言 C60-5*

• C60-51（Profile 一致）：profile_id 与端口角色一致；delayMechanism 双端匹配。
• C60-52（偏差门控）：offset_p99 ≤ offset_budget；delay_rt_p99 ≤ delay_budget。
• C60-53（频率一致）：|freq_error_ppb|_p95 ≤ freq_budget_ppb；MTIE(τ) ≤ MTIE_max(τ)。
• C60-54（NTP 兜底）：delta_p95 ≤ delta_ntp_max；j_ntp ≤ jitter_ntp_max。
• C60-55（SyncE 质量）：esmc.QL ∈ {PRC,PRTC,G.8275.* 合规组}；降级时触发降权或切主。
• C60-56（WR 非对称）：|asym_wr| ≤ asym_wr_max；cal_age ≤ cal_ttl。
• C60-57（两口径差）：delta_form ≤ tol_Tarr。
• C60-58（量纲校核）：check_dim(all expr) 为真；单位发布与内部一致。

VII. 实现绑定 I60-*（协议层接口）

• ptp_config(port, profile_id, delay_mech, hwts) -> session
• ntp_config(servers, mode, filter_depth) -> session
• synce_enable(port, ql_policy) -> status
• wr_calibrate_link(port, method) -> {Delta_tx/rx, delta_ms, delta_sm, alpha, U}
• servo_tune(session, Kp, Ki, tau_loop) -> gains
• measure_sync_metrics(session) -> {offset, delay_rt, freq_error_ppb, MTIE, tdev}
• evaluate_sync_contracts(metrics, rules) -> report
• emit_proto_manifest(cfg, calib, metrics) -> manifest.sync.proto
• 不变量：state ∈ {free, acquire, track, holdover} 合规转换；sum(u^2)_components ≈ u^2(total)；QL 降级路径已记录。

VIII. 交叉引用

• 测量链路与时间戳：见本卷第4章。
• 时基与噪声度量（Allan/MTIE/tdev）：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》第7章、第14章。
• 合规与发布冻结：见《Methods.Cleaning v1.0》第10章、附录C。
• 统计不确定度传播：见《Methods.CrossStats v1.0》附录E。

IX. 质量度量与风控

1. SLI/SLO
   • offset_p50/p95/p99, delay_rt_p95/p99, freq_error_ppb_p95, MTIE@{τ_grid}, tdev@{τ_grid}。
   • ptp_announce_loss, ptp_sync_loss, ntp_delta_p95, esmc.QL_downgrade_rate, wr_asym_residual。
2. 风控与回退
   • offset_p99 越界：降权伺服/切换 GM 或退化为 NTP；
   • QL 降级：切换上游或进入 holdover 并收紧 tau_loop；
   • WR 校准过期：强制重校或退化为 PTP+SyncE；
   • 报文抖动骤升：提升 filter_depth、限速与流控，触发链路健康检查。

小结