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通用问题

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问:WR技术和开源硬件OHWR组织的关系?

答:OHWR是欧洲核子中心CERN发起的开源硬件组织,遵循 Open Hardware Licence,旨在提供高质量的开源硬件设计。遵循OHL的项目其原始设计文件(包括原理图,PCB布线图和相关的代码源文件)均可以免费公开获得。有若干商业公司参与到OHWR项目的设计开发,并将成熟设计进行产品化,提供完善的商品和技术支持。White Rabbit是高精度分布式网络同步技术,是由欧洲核子中心CERN和德国重离子研究所GSI联合发起的研究项目。WR项目遵循OHL,其核心技术,文档和相关设计文件都是完全公开的。

信科太是国内唯一参与OHWR相关项目开发的技术公司,贡献了若干重要的White Rabbit设计,在WR组内有一定的影响力。目前WR已经得到了广泛应用,并且衍生出一系列相关的硬件产品,形成完善丰富的组件库。信科太可以提供从交换机到节点端的完整全套WR设备,并能提供定制和咨询服务。


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问:我打算在下一个项目中使用“白兔”。在哪里可以获得支持?

答:White Rabbit(WR)是采用开源设计和商业发售结合的形式。该技术是开源的,可以避免受限于特定供应商,如果您对特定供应商提供的服务不满意,可以切换供应商。由于它是开源的,因此只要您的团队具有足够的专业知识,您甚至可以决定不依赖商业公司提供支持。但是,通过向商业实体付费采购具体部件,你可以获得有保证的售后服务和技术支持。通常,每个用户都有特定的功能需求,需要有针对性的进行设计定制,建议用户设法获取本地设计团队或商业公司的支持。WR合作组通过相应的网站和邮件组来交流技术细节,您可以在其中提问。但是开发者不能保证他们会及时甚至根本不会回答您的所有问题,您私下发送给各个核心WR开发人员的电子邮件也是如此。如果您需要有保证的支持,那么应该去当地的团队或公司。信科太是国内唯一参与白兔开发的技术团队,具有自主的商业白兔交换机和板卡,也能提供技术咨询


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问:我怎么开始评估测试WR技术?

答:要开始使用WR技术,可以使用我们提供的WR入门套件。利用该套件可以仅使用两个WR节点来搭建简单的评估验证环境,后续可以使用带有WRS交换机的套件。


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问:如何测试白兔交换机设备,如何购买测试设备?

答:WR技术是由CERN牵头合作开发的,有多个研究机构,大学和商业公司参与。CERN不是公司,而是政府资助的研究组织,并不生产和销售设备。WR技术开发后由商业公司进行生产和销售,CERN自身也是从这些参与到WR开发的商业公司来购买白兔交换机的。您可以到关于WR交换机的Wiki页面,在其中找到参与交换机开发的公司,以及可以购买WR交换机的公司(底部为商业生产商,信科太是国内唯一自主提供白兔交换机和板卡的供应商)。




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问:我怎么评估“白兔”技术是否适用于我的项目需求?

答:您可以通过查阅WR相关技术文档来了解其技术实用性,您也可以通过咨询相应的商业公司来获取帮助(点击这里联系信科太,获取免费技术咨询)。

为了让我们的专家更好的评估WR技术对您项目带来的帮助和适用性,请在咨询时清晰的提供以下的项目系统需求

           系统节点数目:

           系统分布距离:

           系统精度指标:(准确度:脉冲对齐的偏差;精度:输出脉冲的晃动;输出频率稳定度及相位噪声;)

           系统工作环境:(野外/室内; 环境温度及变化范围)

           是否集成数据传输要求:(数据带宽,协议类型 UDP/TCP) 

           输出信号类型: PPS,10MHz,TOD

           输出信号接口: 物理连接器类型SMA/SMC/BNC/LEMO;

           电平标准 TTL/CMOS/LVDS/LvPECL/空开

           是否有外部频率参考源:

           是否有外部时间参考源: 类型,接口协议


技术问题

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问:白兔的准确度和精度性能是什么?
答:通常用准确度 accuracy 来描述输出信号中心点和理想点之间的偏差,用精度 precision 来描述输出信号围绕中心点晃动的大小(点击这里查看维基百科关于accuracy 和 precision的定义)。

查看源图像

WR技术能够达到的精确度的指标小于1ns。在WR链路建立后,这个偏差值非常稳定,温度效应会使其产生非常缓慢的漂移。两层WRS交换机级联,仍然可以保证小于20ps的抖动(从1Hz到100kHz),99%的噪声功率都集中在1Hz-2kHz带宽内。低抖动白兔的项目进一步降低了网络的抖动指标,具备了传递原子频标的能力。(信科太的WRS-18交换机已经集成了低抖动白兔的技术成果)


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问:白兔能否支持超过10公里的链接?

答:白兔支持的距离取决于所使用的光纤部件。常用的数通光模块可以很容易支持20公里,更换高功率的模块能够达到100-120公里(需要提醒,这种光模块在短距离连接时必须加入额外的衰减,否则会损害接收器)。如果想建立距离更远的白兔网络,可以参考几个国家计量机构的研究成果,例如 Vrije Universiteit Amsterdam 和 VSL的工作,芬兰计量研究所MIKES已在两台距离为1000公里的PC之间建立了“白兔”链接。

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问:WR的数据传输带宽能够达到多少?
答:我们测试了+ 95%带宽负载的同步。原则上,PTP / WR要求的带宽远远少于1%(即每秒:4 x最小大小的帧+ 1个小于100字节的帧)。 合理的设计中,应该保留10-20%的带宽余量,足以使WR / PTP正常工作。WR同步严重依赖于L1(物理)同步,而L1(物理)同步与流量无关,能够保持双方按照相同的节拍来维持各自的时钟计数器,不产生累积误差;因此由于流量负载的暂时峰值而导致的PTP帧的偶然丢失是可以接受的。 

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问:限制WR链路的定时性能的因素是什么?
答:WR网络的定时性能会受到White Rabbit链路延迟模型中未考虑到的不对称性的限制:
      如果不是使用单纤波分方式,而是在两个方向上使用两个单独的光纤进行传输,则必须测量和补偿两个链路的延迟时间(由不相等的光纤长度引起的不对称)。此外,如果这两根光纤并不始终位于同一根电缆内,则它们的工作温度将不同,从而引入了WR链路延迟模型中无法处理的链路不对称。另外,在较大的温度范围和10km的光纤长度距离内,可能产生200ps的定时变化,但这可以通过进一步的处理加以克服。设备上电或重新启动链接可能会产生200ps的内部差异。

       因此,归根结底,对于10公里以内的链接而言,可以很容易做到好于纳秒的同步准确度。但需要付出很多努力,才能达到更好的效果,例如100ps。


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问:是否可以WR设备之间插入其他非WR的交换机?
答:是的,您可以在WR网络中连接非WR交换机。但这是没有意义的,因为在这种情况下,您将完全失去White Rabbit的亚纳秒分辨率。
如果WR主节点(交换机)和WR终端节点之间的开关是标准PTP,则您的时序分辨率将降低到相对较低的PTP精度。原因是通过同步光纤一端与另一端之间的每条链路来实现White Rabbit协议,中间的非WR交换机不支持WR协议。换句话说:您可以混合使用非WR和WR交换机来构建完整的网络(它将完美地传输数据),但要达到WR系统的亚纳秒精度,WR-GM交换机和WR节点之间的所有交换机都应为支持WR协议的



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问:我们可以在网络中使用光纤配线架,还是需要直接连接?
答:WR节点之间无需直接连接。可以在WR网络中使用配线架和转接头,而不会出现任何问题。只要确保接收端有足够的光功率预算,因为每次转接都会产生额外的衰减。


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问:我们已经可以使用现有的光纤,这些光纤适用于10 Gb / s网络。我可以使用这些吗?
答:White Rabbit在单模光纤上使用1 Gb / s的传输速率。因此,只要光纤用于单模传输,任何光纤都可以。通过光纤传输的数据速度并不重要。因此,使用已安装的光纤,您将获得完整的White Rabbit性能。
看一下光纤的数据表,单模光纤的芯径是9 um,光线在其中只能沿着一条直线通过;多模光纤的芯径为50 um或62.5 um,这意味着光可以通过许多不同的路径通过,包括通过侧面反射的路径。这使得短的光脉冲将在传输期间散开。这就是为什么无法使用多模光纤进行长距离传输的原因。


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问:WR使用单根单模光纤,但是短(〜5m)多模光纤链路也可以工作吗?
答:多模光纤链路可以正常工作。但需要重新做定时参数的刻度。Alpha(即光纤不对称)现在是由光纤长度的差异而不是由色散引起的。因此,为了精确同步,需要校准每个单独的链接。


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问:计算的往返时间的准确性和分辨率是多少?
答:往返时间的测量精度主要取决于Grandmaster连接的频率源的精度。往返时间的测量是通过对62.5MHz时钟的滴答声进行计数,然后使用DDMTD获得相位的小数部分。DDMTD为您提供2 ^ N的缩放效果,当前开关网关软件的N = 14。分辨率约为(1 / 62.5MHz)*(1/2 ^ 14)= 1 ps。
      在WRS交换机和节点上(使用WRPC)的计算方式有所不同。WRS交换机上的计算比WRPC上的计算更为精确。这是因为在WRS交换机上的板载ARM处理器可以使用浮点计算,而资源有限的WRPC无法实现高精度浮点计算。对于10 km的链路,由于WRPC的计算精度有限而引起的同步误差(例如,量化误差)可能约为100 ps 。


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问:显示的cRTT值的启动变化如何?
答:每次重新启动链接时,往返时间都会有所不同,测量表明约为100 ps。而重新启动WRS交换机可能会出现10 ps 到30 ps 的变化。这种启动方式的变化是由千兆位串行器中的一些内部功能引起的



应用问题

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问:我的项目里使用了很多GPS接收器,这种情况下使用“白兔”能带来什么好处吗?
答:使用GPS接收器的方案里,成本问题还并不是全部,天线和庞大的电缆使GPS的安装管理变得很麻烦,带来额外的安装和运行维护费用。如今光纤已经得到了广泛部署,可以很快利用WR技术把定时能力添加部署到其他建筑物或办公室。GPS接收器在单个接收点上提供简单的时间信息,而利用WR可以更好地管理整个事情,包括在网络上其他位置备份GPS接收器,因为WR可以在定时源之间进行自动切换。设计中考虑了冗余,其冗余方式与其遵循的以太网标准非常相似。对于数据传输,WR采用的额外机制能够确保高优先级数据包“永不丢失”。


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问:WR使用哪种SFP收发器和光纤

答:在白兔技术中,保证两个方向上具有相等的电缆长度非常重要的。所以白兔使用单根光纤,采用波分复用的方式在两个方向上发送数据。白兔技术规范要保证符合以太网1000Base-BX10标准,在单模单根光纤上长达10 km,并且在每个方向上都有不同的波长。传输双方的结构并不是对称的,要分成主从端。从主端发往从端的波长为1490 nm,从从端发往主端的波长为1310 nm。( IEEE Std 802.3-2008 ,第59节,第95页)虽然标准并未规定使用哪种接头的连接器,但通常大量使用的都是LC形式的连接器。光纤则应该是G652的单模光纤,芯径9um。

因此遵循1000BASE-BX10标准,白兔技术要求使用具有LC连接器的1310/1490nm波分复用的SFP光模块,其中主端(交换机端)使用1490nm发送/1310接收,从端(节点端)使用1310nm发送/1490接收。


根据我们的测试,有些类型的SFP光模块的O/E和E/O的延迟时间并不确定,这会导致WR链路上出现不确定的延迟环节,直接影响WR的同步准确度。因此,并非所有可以采购到的单模波分SFP光模块都能在白兔系统中使用。



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问:我可以使用铜口SFP模块来构建WR链路吗?

答:不可以! WR设备应遵循1000BASE-BX10标准,并使用1310 / 1490nm对和单个LC 光纤连接器。

如果为了将PC网卡连接到不需要WR的高时序分辨率的交换机或应用程序,可以使用千兆以太网铜 SFP。数据传输将按预期工作,但“白兔”的计时部分将受到严重影响。铜缆SFP使用1000BASE-T 标准,并且在两侧(交换机和节点)都可以使用相同的模块类型。


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问:我可以在WR网络中使用铜缆SFP来连接不需要WR时序的节点吗?
答:可以。您可以将铜SFP插入交换机中,然后使用它来连接节点。您将能够传输以太网流量,也能从WR Switch接收PTP时间并将其同步,但无法实现亚纳秒级的WR精度的时间。实际上,使用铜缆SFP并不会带来什么额外的好处,光纤SFP的价格已经相当便宜(一对价格不到100欧元),并且是绝大多数WR节点默认使用的标准设备,WR交换机和节点能够直接获知其延迟参数,因此具有开箱即用的良好性能,无需校准。


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问:为什么WR不能使用铜口SFP?

答:光纤SFP仅包含激光驱动器,光电二极管接收器和一些简单的AGC逻辑。无论采用哪种SFP的LVDS输入,都是直接用1.25Gbps的电信号直接驱动转换成光信号,两者间保持固定的延迟和抖动。而铜口SFP不仅只是物理层的收发器,其中还包含了用于将1000Base-B(SFP接口)中使用的8b/10b协议转换为更为复杂的1000Base-T物理层协议。所以在铜口SFP内包含了重新定时和缓冲数据的数字逻辑。



铜口SFP本质上是两个通过GMII接口桥接的不同PHY(X和T)。协议之间的转换涉及重新定时数据,因此保留了数据包,但丢失了以1000Base-X载波编码的参考频率。这是因为SFP内部的PHY由SFP的内部振荡器提供时钟。GBIC(SFP)标准没有预见到SFP的外部时钟输入,因此市场上没有可与外部时钟同步工作的SFP。
实际上,无源SFP铜电缆或直接连接电缆(Direct Access Cable)可能具有良好的定时性能,因为它们没有重新计时功能。这只是4根同轴电缆,交流耦合,用于TX +/-和RX +/-,两端均带有SFP连接器。



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问:WR设备是否与100Mbit/s铜SFP兼容?

答:不能。WR交换机/节点仅支持1GbE(铜缆/光纤)。如果要将非1GbE设备连接到WR设备,则需要通过可以同时支持两种速率的网络交换机进行连接(大多数1GbE交换机也能支持10/100M速率)


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问:在没有将Grandmaster连接到良好外部参考源(10MHz,1PPS)的情况下,WR网络中WR设备之间的同步是否同样准确?

答:Grandmaster交换机可以完全自由运行,或者仅连接到1PPS + 10MHz,而不连接UTC的源。无论外部来源如何,在GM设备和任何WR设备之间,都可以保证亚纳秒级别的同步精度。

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问:是否/可以预见在WR网络中允许多个Grandmaster?
答:将来有可能使用目前处于概念验证状态的无缝冗余工具,这些机制允许将所需数量的Grandmaster连接到下游的单个交换机。检测故障的逻辑非常简单。如果只有一个备份(例如2个GM),则切换将由以下原因触发:(1)物理故障,(2)来自主服务器的通知(即,如果它失去了时间来源)。如果有两个或多个备份(例如3个或更多GM),则基于所有来源比较的多数投票确定主时钟。拜占庭故障和其他更棘手的问题并不需要进行处理。由于检测这些类型的故障需要花费更多的时间,已经远远超过纳秒,所以检测这些故障并进行冗余切换后,系统同步指标已经无法达到WR的规范。


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问:连接到“白兔”网络的设备之间的时间差可以小于纳秒。但是UTC呢?
答:通常白兔网络的GM 交换机连接到GPS或铯钟提供的1PPS + 10MHz信号,并且从NTP服务器获取UTC信息。但实际上,WR系统使用PTP时间格式(TAI加上有关leap秒的信息),因此网络内的时间是使用TAI而不是UTC。在WR(以及PTP)中使用UTC是一种危险的策略,因为UTC中存在的闰秒跳跃的现象并没有明确规范处理方式。






WRS交换机使用问题

请首先参阅“WRS快速操作手册”,里面包含了大量的常见交换机使用问题。

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问:使用外部GPS信号有什么好处,或者不使用外部GPS信号有任何不利之处吗?
答:有两个主要考虑因素: 1  对于主交换机以及整个白兔网络而言,GPS是一个更稳定的振荡器。  2  与GPS / UTC / TAI相关的时标。如果想将事件与正式标准时间相关联,或者要避免每次重新启动交换机时都重新启动1970年1月1日(或类似时间)的时间标度,这一点很重要。如果WR网络之间有两次重启,那么在WR网络中看到的两个事件在非常不同的时间可能具有非常相似的时间戳。而使用外部GPS,并且配置GM交换机在重启时与GPS时间同步可以避免这种情况。

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问:是否可以在不同位置使用White Rabbit系统,并能够通过卫星链接实现时间同步?
答:基本上,只要为不同的White Rabbit系统提供的10 MHz和PPS同步,WR就能严格实现其性能规范。例如可以通过让两地的GPS分别生成PPS和10MHz信号,来同步两个WR网络,但是GPS会在这两个不同的位置提供的精度受到限制。这可能已经高达3 -10ns,或者使用额外的定位增强系统可能指标会更好。或者也可以使用GPS载波相位将系统与时间和频率传输同步,就像CERN在CNGS实验中所做的那样。事实上,CERN已经可以同步在两个站点上发生的相关事件(参考 CERN和LNGS之间同步的时间传输技术)。如果您有卫星链接,则可以使用双向卫星时间传输(TWSTT),并且在两侧都具有将提供PPS和10 MHz信号的系统,文献表明这可以提供优于1 ns的精度。通过Laser Link(T2L2)来实现时间传输能够提供甚至不到纳秒的精度。


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问:将GPS-PPS或10 MHz GPS时钟连接到WhiteRabbit交换机时,是否需要更改/配置任何内容?
答:是的,在GM模式的注意事项 ”文件中对此进行了说明。


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问:如何将时间(ToD)纳入WRS Grandmaster?
答:将WRS与外部参考同步的首选方法是使用 GNSS接收器或原子钟提供的1-PPS和10MHz,并配置外部NTP服务器以获取年月时时分秒的其实时刻信息。《WRS用户手册》在“ 运行时应用的配置项目”部分中介绍了如何设置NTP服务器的IP地址。


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问:如果从GPS到WRS GM的10MHz / PPS信号的同轴电缆比较长,其温度变化会对GM带来影响吗?
答:温度效应通常是非常缓慢的现象。人们经常希望将它们之间的节点同步到一个公共参考,但是如果该参考相对于理想的GPS时间略有偏差,在很多应用中并没有太大影响。

同轴电缆传播延迟的温度系数如果是100 ppm / degC,在30米长度的同轴电缆钟,其延迟变化约为0.3 ns。应用是否真的在意整个网络的时间基准缓慢滑动1 ns左右?如果需要改善这个问题,那么可以考虑使用不含有特氟龙电介质的同轴电缆,或者通过将同轴电缆封闭在双壁管中,并用恒温的水填充壁中的空间,来保持电缆温度和延迟的稳定。


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问:WR交换机是否可以与标准PTP(IEEE1588-2008)设备互联?

答:是的,尽管您将完全失去White Rabbit的亚ns定时分辨率,但是WR开关可与PTP互操作,并且已在ISCPS PlugFest上进行了互操作性测试,但是请务必记住,WR设备使用非常特定的PTP配置(两步,延迟请求响应机制,多播,第2层),它不是最受欢迎的配置,也不是标准PTP设备的默认设置(使用IP而不是第2层)。因此,这不仅仅是即插即用,更像是
1.购买完全支持标准的PTP交换机; 2.正确配置它(从IP更改为第2层)3.即插即用

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问:我可以将标准的非WR GbE NIC或交换机/路由器连接到WR交换机吗?
答:可以。您可以使用标准以太网硬件,将WR网络用于标准数据传输。由于WR交换机是标准GbE交换机,因此可以正常工作。


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问:能否在WR交换机中提高PTP数据包速率?

答:可以。默认情况下,公告消息速率为每2秒1个数据包,同步消息速率为1个数据包/秒。在软件中使用公式1/2 ^ log_value来计算数据包速率(例如,如果log_value为-4,则数据包速率将为16 pkts / s)。要增加同步消息的速率,您可以通过更改WRS交换机配置文件来修改同步消息的log_value参数。


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问:WR交换机可以处理巨型帧吗?
答:是的,交换机可以处理大于1500字节的帧,即所谓的巨型帧。但是必须首先启用它。需要在WR交换端口上启用巨型帧接收,在该端口上发送大于1500字节的帧。当前版本中没有软件工具可以为您完成此操作,因此您需要使用devmem手动写入适当的寄存器。请参阅《White Rabbit Switch HDL软件接口》文档的第9页(有关端口基址)和第33页(有关A_GIANT位)。


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问:WR交换机可以从DHCP服务器获取管理以太网端口上的IP地址吗?
答:是的,WR交换机具有DHCP客户端软件。但是请记住,如果您修改启动脚本以分配静态IP地址,则将从DHCP服务器接收的配置覆盖。


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问:宣布有新的leap秒,我该怎么办?
答:当宣布一个新的then秒时,应使用以下步骤在主控主机或自由运行的主控机上更新一个-秒.list文件:
删除旧文件:
rm /usr/etc/leap-seconds.list
下载一个新文件:
wget -P /usr/etc http://www.ietf.org/timezones/data/leap-seconds.list
然后重新启动交换机。

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问:如何查看有关WRS转发的以太网帧的统计信息?
答:如果要查看WRS端口之间转发的以太网帧的统计信息,则应使用wrsw_pstats,这是WRS命令行工具之一:它显示端口之间转发了多少帧,错误,掉帧等。
此类命令因为ifconfig或tcpdump将仅显示发往交换机内部Linux CPU的流量(例如PTP,LLDP)。它不会显示在WRS端口之间转发的流量。


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问:如何将WRS-GM配置成UDP协议

答: WRS配置成GrandMaster模式时,可以在config文件中,设置Master端口使用raw或者UDP协议格式来发送PTP同步帧。当使用基于UDP协议时,需要保证其连接的目标端口具有确定的IP。交换机端口配置IP的方法与LINUX服务器配置网口IP的方法一样,通过ssh或者串口登录WR交换机,然后运行指令 ifconfig wri1 xxx.xxx.xxx.xxx netmask 255.255.255.0,其中wri1指的是第一个WR端口,wri2为第二个WR端口,以此类推。


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问: 如何使用WRS-18的光管理端口

答:WRS-18可以通过光端口对其进行远程管理,该端口在WRS Linux系统中为设备eth1。通常WRS-18都需要通过光纤来实现上联,利用多芯光缆可以一并完成管理信息的连接并网,不用额外部署管理铜缆,能简化线缆敷设工作。WRS-18的光管理端口是利用USB转以太网的芯片实现的,只能支持100Base网络,需要使用额外的转换模块来提供到计算机或服务器的网络连接。具体请参考“WRS快速操作手册


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