什么是PTP精密时钟同步？深入浅出解析精确时间协议

什么是PTP精密时钟同步？深入浅出解析精确时间协议

1、基本原理：

主从节点在网络链路层打时间戳，利用支持 IEEE1588 协议的 PHY 片，精准记录时间同步网络报文接受或发送的时刻。交换机、路由器等网络中间节点准确记录时间同步报文在其中停留的时间，实现对链路时延的准确计算。

2、时间同步过程：

PTP 默认使用 组播 协议，二层或四层 UDP 组播都可以，一般我们使用基于 UDP 组播，使用 319 和 320 两个端口。

PTP 定义了三种角色： OC 、 BC 和 TC 。我们一般接触的是 OC ：主时钟和从时钟，交换机、路由器一般是 BC 或 TC 。

由于硬件性能有限，网络报文发送时记录的时刻信息，可以在随后的 Follow_Up 跟随报文中发出，这就是 PTP 的双步模式 (Two-step) 。

下图是两 OC 主从时钟之间的同步过程：

PTP主从时钟同步过程图

a. 主时钟向从时钟发送 Sync 报文，并在本地记录发送时间 t1 ；从时钟收到该报文后，记录接收时间 t2 。

b. 时钟发送 Sync 报文之后，紧接着发送一个携带有 t1 的 Follow_Up 报文。

c. 从时钟向主时钟发送 Delay_Req 报文，用于发起反向传输延时的计算，并在本地记录发送时间 t3 ；主时钟收到该报文后，记录接收时间 t4 。

d. 主时钟收到 Delay_Req 报文之后，回复一个携带有 t4 的 Delay_Resp 报文。

3、时差计算：

与 NTP 一样的原理，从时钟根据拥有的 t1 ～ t4 这四个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为：

Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

假设网络是对称的，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：

Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

4、计时方式：

与 NTP 不同， PTP 采用 TAI 世界原子时间计时，而且 PTP 计时的起点与 unix 时间一致，即 UTC 时间 1970 年 1 月 1 日 0 点。

PTP 主钟会告知从钟，当前 UTC 相对于 TAI 的累计偏移量，从钟据此计算当前准确的 UTC 时间。

5、误差分析：

PTP 能准确记录报文发送和接受的时间，也能计算中间链路的延时，剩下影响最大的就是 网络链路的不对称性 了。

在实际工程中，网络中间链路设备不支持 PTP 协议，大大降低了 PTP 的同步精度。目前， PTP 主要应用在通信同步网、电力同步网等行业网络系统里。

6、同步拓扑：

PTP 域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起，可通过 BMC （ Best Master Clock ，最佳主时钟）协议动态选举出最优时钟，最优时钟的时间最终将被同步到整个 PTP 域中。

BMC 算法与 STP （ Spaning Tree Protocl ）生成树协议类似，最终形成 无环路 的树形网络拓扑，且都是动态选举，能适应最佳主时钟切换的变化。

7、扩展应用 ——PTP over SDH：

充分利用各行业已有的 SDH 通信网络，利用 PTP-E1 信号 转换设备，架设 PTP 同步网络，除了需要考虑链路倒换问题之外， SDH 网络的时延稳定性可大幅提升网络时间同步精度。

8、 SyncE 同步以太网：

以太网最早只能传输数据信号，有另外独立的频率同步网络，随着以太网的快速发展， SyncE （ Synchronized Ethernet ） 同步以太网 技术诞生后，企业们有了新的选择。

8.1、基本原理：

时钟节点利用以太网（ 1000M 、 1G 、 10G 等）物理层的空闲间隙，传递 位宽时钟信号 ，实现时钟频率信号（ 25M 、 125M 等）的自上而下传递。

8.2、协议控制：

类似于 SDH 网络等时间间隔传递的 SSM 同步状态信息，同步以太网（ Sync-E ）利用链路层 封装传递 SSM 信息， SSM 信息包含时钟质量信息，接收端据此选择合适的上级网络时钟。

8.3、应用：

一般商业 PHY 片提供 SyncE 功能选项，开启该功能模式，即可利用 PHY 恢复出来的频率信号，校准本地时钟频率或分频后用于本地计时。