PTP时钟同步服务器的工作原理及介绍
1、引言
以太网技术由于开放性好、价格低廉、使用方便等特点，广泛应用于通信级网络，以太网数据传输速率和早期的10M至100M、GE、10GE、40GE、100GE正式产品也将于2009年上市
以太网技术是“即插即用”，只要将以太网终端连接到IP网络，就能够利用随时提供的业务。 但是，“同步的”IP网络才是真正的电信级网络，可以保障IP网络传输各种实时服务和数据服务的多路广播服务。 目前，电信级网络对时间同步要求非常严格，对于全国范围的IP网络来说，主干网的延迟一般要求控制在50ms以内，目前的互联网时间协议NTP (netwweb 简易网络时间协议SNTP ) simplenetworktimeprotocol )等无法实现的基于以太网的时分复用信道仿真技术(TDM over Ethernet )作为迁移技术，用于以太网的时钟IEEE 1588标准特别适合以太网，在一个分布式IP网络中提供微秒级的高精度时钟同步。 本文重点介绍IEEE 1588技术及其测试实现。
2、IEEE1588PTP介绍
IEEE1588PTP协议借鉴NTP技术，具有配置方便、收敛迅速、网络带宽和资源消耗少等特点。 IEEE1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准(IEEE 1588 precisionclocksynchronization protocol )”，简称PTP (复制时间协议) 一种通过用一个同步信号周期性地校正和同步网络中所有节点的时钟来精确同步基于以太网的分布式系统的方法，IEEE 1588PTP时钟同步技术适用于任何多播网络。
IEEE 1588将整个网络的时钟分为两种常规时钟(OC )和分界时钟(BC )，并且仅仅一个PTP通信端口的时钟是常规时钟，而具有一个或多个PTP通信端口的时钟是分界时钟其中，边界时钟通常用于交换机和路由器等确定性较低的网络设备。 也可以从通信关系中分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都可以实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP通信子网内只有一个主时钟。 整个系统中最佳时钟是顶级时钟接地主时钟(GMC )，具有最高的稳定性、准确性、确定性等。 最佳主时钟算法(Best Master Clock )基于每个节点上时钟的精度和级别以及通用协调时间(utc )的可跟踪性等特性，在每个子网中在只有一个子网的系统中，主时钟是顶级时钟GMC。 每个系统只有一个GMC，每个子网只有一个主时钟，而从时钟与主时钟同步。 图1是典型的主时钟，示出从时钟的关系。
主从时钟关系图
的基本原理包括发送和接收时间信息的记录，并为每个信息添加时间戳。 如果有时间记录，接收端就可以计算自己网络中的时钟误差和延迟。 为了管理这些信息，PTP协议包括同步消息(Sync )、跟随消息(Follow_up )、延迟请求消息(Delay_Req )和延迟响应消息(Delay_Resp ) 这些消息的交换步骤如图2所示。 收到的消息响应与时钟的当前状态相关。 同步消息从主时钟周期性发送，通常每2秒发送一次，其中包含主时钟算法所需的时钟属性。 也就是说，同步消息包含时间戳，它准确地描述了数据包预计发送的时间。
PTP消息和交换步骤
因为同步消息包括预期的发送时间而不是实际的发送时间，所以在测量了Sync消息的实际发送时间之后，在下一个Follow_Up消息中发送。 Sync消息的接收方记录实际的接收时刻。 Follow_Up消息中的实际发送时间和接收方的实际接收时间可以用来计算从时钟和主时钟之间的时差，并据此修改从时钟的时间。 但是，此时计算的时差包括由于网络传输引起的延迟，这使得Delay_Req消息定义了网络传输延迟。
在接收到Sync消息之后，从时钟发送Delay_Req消息。 与Sync消息一样，发送端记录正确的发送时刻，接收端记录正确的接收时刻。 的正确接收时间包含在Delay_Resp消息中，计算网络延迟和时钟误差。 的精度与时间戳和时间信息密切相关。 纯软件的方案可以达到毫秒的精度，软硬件结合的方案可以达到微秒的精度。 PTP协议基于发送和接收同步分组时最准确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟交换同步消息来与主时钟同步。 该同步过程分为漂移测量阶段、偏移测量和延迟测量阶段。
在第一阶段修改主时钟和从时钟之间的时间偏差称为漂移测量。 如图3所示，在修改漂移量的过程中，主时钟以定义的间隔时间(默认为2秒)向相应的从时钟发送唯一的同步消息。 该同步消息包括该消息离开主时钟的时间的估计。 主时钟测量传输的精确时间T0 K，并测量从时钟接收到的精确时间T1 K。 接着，来自主时钟的第二条消息——发出跟随消息(Follow_up Message )，该消息关联于同步消息，并包括同步消息的排列
到PTP通信路径上的更为精确的估计值。这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分离开来。从时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量，然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间，如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就会同步。从时钟向主时钟发出一个“延迟请求”数据报文，在这个过程中决定该报文传递准确时间T2。主时钟对接收数据包打上一个时间戳，然后在“延迟响应”数据包中把接收时间戳B送回到从时钟。根据传递时间戳B和主时钟提供的接收时间戳D，从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间（缺省值是4~60s之间的随机值）比偏移值测量间隔时间要大。这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。采用这种同步过程，可以消减PTP协议栈中的时间波动和主从时钟间的等待时间。从图4右边可以看到延迟时间D 和偏移时间数值O的计算方法。
IEEE 1588目前的版本是v2.2，主要应用于相对本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，与SNTP和NTP相反，时间戳更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度。此外，PTP模块化的设计也使它很容易适应低端设备。
IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。
由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。