【原】關(guān)于精確時間協(xié)議你需要知道的一些知識？

通信百科 2023-10-23 發(fā)布于陜西

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在網(wǎng)絡(luò)中可以使用幾種時間同步機制。最常見的標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP)和精確時間協(xié)議 (PTP)。

NTP（Network TimeProtocol，網(wǎng)絡(luò)時間）是由美國德拉瓦大學(xué)的David L. Mills教授于1985年提出，由時間協(xié)議、ICMP時間戳消息及IP時間戳選項發(fā) 展而來，主要是為了實現(xiàn)亞毫秒范圍內(nèi)的精度而開發(fā)的，并被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)計時。

但由于 NTP 是是基于無連接的IP協(xié)議和UDP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，即基于軟件時間戳，達(dá)到以毫秒精度同步時鐘，因此對于某些需要高級同步的工業(yè)應(yīng)用來說，精度度可能達(dá)不在要求。因此為了滿足更高精確時鐘需求，出現(xiàn)了精確時間協(xié)議 (PTP)。

什么是 PTP？

精確時間協(xié)議 (PTP) 是一種基于網(wǎng)絡(luò)的時間同步標(biāo)準(zhǔn)，旨在通過基于數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)從時鐘源分配精確的時間和頻率。PTP使用硬件時間戳，并考慮了同步時間時的設(shè)備延遲。因此，PTP可以使交換機和路由器能夠以比 NTP 更高的精度提供同步。

PTP也稱為IEEE 1588。1588分為1588v1和1588v2兩個版本，1588v1只能達(dá)到亞毫秒級的時間同步精度，而1588v2可以達(dá)到亞微秒級同步精度。注意：后文我們說PTP一般指1588v2。2020年6月正式發(fā)布了 IEEE1588-2019 D2.1版本。據(jù)了解，1588v3應(yīng)該還沒有。

PTP 時鐘類型

PTP主要支持如下幾種時鐘類型：普通時鐘（Ordinary Clock，OC），邊界時鐘（Boundary Clock， BC），透明時鐘（Transparent Clock，TC）。其中透明時鐘又可分為E2E（End to End）透明時鐘，也叫E2E-TC；以及P2P（Pear to Pear）透明時鐘，也叫P2P-TC。時鐘類型如下圖所示。

邊界時鐘BC (Boundary Clock)：一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它作為其主設(shè)備的從設(shè)備和作為其從設(shè)備的主設(shè)備。
普通時鐘 OC(Ordinary Clock)：作為主時鐘或從時鐘運行的時鐘。在從屬的情況下，時鐘被同步的端點（通常是主機/服務(wù)器）。
透明時鐘TC（Transparent Clock）：計算PTP事件報文的停留時間并在轉(zhuǎn)發(fā)消息之前更新事件消息的校正字段（CF）的設(shè)備。端口不處于任何特定狀態(tài)。

同時，在PTP中還包括了最高級時鐘GMC（Grandmaster Clock）和主時鐘 MC(Master Clock)。GMC是來源于精確時鐘的參考時間源，例如 GNSS 驅(qū)動時鐘（即 GPS、GLONASS、GALILEO）等。而MC作為主時鐘運行的時鐘，其時序能力從時鐘鏈一直到 GMC。它通常用作 BC 上的端口，連接到作為從屬運行的主機。

邊界時鐘 (BC) 在連接到主時鐘的端口上充當(dāng)輔助時鐘，并將時間分配給所有其他下游設(shè)備。輔助端口從上游 PTP 設(shè)備同步時間。透明時鐘 (TC) 在更新 PTP 事件消息的駐留時間后轉(zhuǎn)發(fā) PTP 消息。

上圖是各個時鐘類型在PTP域中的位置。在整個PTP網(wǎng)絡(luò)中，所有時鐘都會按照主從（Master-Slave）層次關(guān)系組織在一起，各節(jié)點逐級同步時鐘，最終完成與系統(tǒng)的最優(yōu)時鐘Grandmaster的同步

PTP 時間戳TimeStamp

主時鐘提供同步消息，從時鐘用于校正其本地時鐘。在主時鐘和從時鐘上捕獲精確的時間戳。這些時間戳用于確定將 Slave 同步到 Master 所需的網(wǎng)絡(luò)延遲。通常每兩秒鐘從 Master 發(fā)送一條同步消息，從 Slave 發(fā)送一條延遲請求消息的頻率較低，大約每分鐘一個請求。在主時鐘和從時鐘之間捕獲四個時間戳。Slave偏移量計算需要時間戳。時間戳通常稱為 T1、T2、T3 和 T4。

我們必須計算兩條延遲路徑：Master-Slave 和 Slave - Master。

首先：找到Master到Slave的差異：

第一個時間戳是T1，是來自 Master 的同步消息的精確時間。該時間戳在后續(xù)消息中發(fā)送，因為在以太網(wǎng)端口上傳輸同步消息時采樣了 T1 的時間。第二個時間戳是 T2。它是從設(shè)備接收到的同步消息的準(zhǔn)確時間。

一旦 T1 和 T2 在 Slave 上可用，就可以計算 Master-Slave 的差異：

Master-Slave = T2 – T1

其次：找出Slave到Master的差異：

第三個時間戳是T3，是來自從站的延遲請求消息的準(zhǔn)確時間。第四個時間戳是 T4，它是在 Master 收到延遲請求消息的準(zhǔn)確時間。一旦 T3 和 T4 在從站可用，就可以計算Slave - Master的差異：

Slave - Master = T4 – T3

一旦在從站獲得Master-Slave 和 Slave - Master的差異，就可以計算單向延遲：

單向延遲 = (Master - Slave 差異 + Slave - Master 差異) / 2

偏移量Offset用于校正從時鐘：

Offset= 主從差異 – 單向延遲

或

Offset = ((T2 - T1) - (T4 - T3)) / 2

PTP的基本原理和NTP相同。NTP 協(xié)議運行在應(yīng)用層，測量出來的時間差除了在實際物理網(wǎng)絡(luò)上的時間，還包括軟件系統(tǒng)的處理時間。而PTP報文是在物理芯片上打時間戳，而不是在上層網(wǎng)絡(luò)，這樣能最大程度上保證時間戳的準(zhǔn)確。因此，與傳統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議NTP相比，PTP的精度更高。

PTP同步實現(xiàn)機制

接口方式

PTP時間同步的實現(xiàn)可以分為帶內(nèi)（1588協(xié)議接口）和帶外（1PPS+ToD接口）兩種接口。