Протокол точного времени

Протокол точного времени ( PTP ) — это протокол, используемый для синхронизации часов в компьютерной сети . В локальной сети он обеспечивает точность тактовой частоты в субмикросекундном диапазоне, что делает его пригодным для систем измерения и управления. PTP используется для синхронизации финансовых транзакций , передач вышек мобильной связи , подводных акустических массивов и сетей, которые требуют точного времени, но не имеют доступа к спутниковой навигации сигналам .

Первая версия PTP, IEEE 1588-2002 , была опубликована в 2002 году. IEEE 1588-2008 , также известный как PTP версии 2, не имеет обратной совместимости с версией 2002 года. IEEE 1588-2019 был опубликован в ноябре 2019 года и включает в себя улучшения обратной совместимости с публикацией 2008 года. IEEE 1588-2008 включает концепцию профиля , определяющую рабочие параметры и опции PTP. Было определено несколько профилей для приложений, включая телекоммуникации , распределение электроэнергии и аудиовизуальное использование. IEEE 802.1AS — это адаптация PTP для использования с мостами аудио-видео и сетями, чувствительными ко времени .

История

По словам Джона Эйдсона, который возглавлял усилия по стандартизации IEEE 1588-2002, «IEEE 1588 разработан для того, чтобы заполнить нишу, которую плохо обслуживает ни один из двух доминирующих протоколов, NTP и GPS . IEEE 1588 разработан для локальных систем, требующих точности, превосходящей те Достижимо с помощью NTP. Оно также предназначено для приложений, которые не могут нести расходы на GPS-приемник в каждом узле или для которых сигналы GPS недоступны».

Первоначально PTP был определен в стандарте IEEE 1588-2002, официально названном « Стандарт протокола точной синхронизации часов для сетевых систем измерения и управления» , и опубликован в 2002 году. В 2008 году IEEE 1588-2008 был выпущен как пересмотренный стандарт; также известная как PTP версии 2 (PTPv2), она повышает точность, точность и надежность, но не имеет обратной совместимости с исходной версией 2002 года. IEEE 1588-2019 был опубликован в ноябре 2019 года. неофициально известен как PTPv2.1 и включает в себя обратно совместимые улучшения по сравнению с публикацией 2008 года.

Архитектура

Стандарты IEEE 1588 описывают иерархическую архитектуру «главный-подчиненный» для распределения тактовой частоты. В этой архитектуре система распределения времени состоит из одного или нескольких средств связи (сегментов сети) и одного или нескольких часов. Обычные часы — это устройство с одним сетевым подключением, которое является либо источником (ведущего или ведущего), либо местом назначения (ведомого или ведомого) опорного сигнала синхронизации. Граничные часы имеют несколько сетевых подключений и могут точно синхронизировать один сегмент сети с другим. синхронизации мастер Для каждого из сегментов сети в системе выбирается . Корневая опорная точка синхронизации называется гроссмейстером . Гроссмейстер передает информацию синхронизации часам, находящимся в его сегменте сети. Граничные часы, присутствующие в этом сегменте, затем передают точное время другим сегментам, к которым они также подключены.

Упрощенная система PTP часто состоит из обычных часов, подключенных к одной сети, и граничные часы не используются. Выбирается гроссмейстер, и все остальные часы синхронизируются непосредственно с ним.

IEEE 1588-2008 представляет часы, связанные с сетевым оборудованием, используемым для передачи сообщений PTP. Прозрачные часы изменяют сообщения PTP по мере их прохождения через устройство. Временные метки в сообщениях корректируются с учетом времени, потраченного на перемещение по сетевому оборудованию. Эта схема повышает точность распределения за счет компенсации изменчивости доставки по сети.

PTP обычно использует ту же эпоху , что и время Unix (начало 1 января 1970 г.). В то время как время Unix основано на всемирном координированном времени (UTC) и может включать високосные секунды , PTP основан на международном атомном времени (TAI). Грандмастер PTP сообщает текущее смещение между UTC и TAI, чтобы UTC можно было вычислить на основе полученного времени PTP.

Подробности протокола

Синхронизация и управление системой PTP достигается за счет обмена сообщениями через среду связи. С этой целью PTP использует следующие типы сообщений.

• Сообщения Sync , Follow_Up , Delay_Req и Delay_Resp используются обычными и граничными часами и передают информацию, связанную со временем, используемую для синхронизации часов по сети.
• Pdelay_Req , Pdelay_Resp и Pdelay_Resp_Follow_Up используются прозрачными часами для измерения задержек в среде связи, чтобы они могли быть компенсированы системой. Прозрачные часы и связанные с ними сообщения недоступны в исходном стандарте IEEE 1588-2002 PTPv1 и были добавлены в PTPv2.
• Сообщения объявления используются лучшим алгоритмом главных часов в IEEE 1588-2008 для построения иерархии часов и выбора гроссмейстера .
• Сообщения управления используются управлением сети для мониторинга, настройки и обслуживания системы PTP.
• Сигнальные сообщения используются для некритичной ко времени связи между часами. Сигнальные сообщения были представлены в IEEE 1588-2008.

Сообщения делятся на сообщения о событиях и общие сообщения. Сообщения о событиях критичны ко времени, поскольку точность передачи и точность временных меток приема напрямую влияют на точность распределения тактовых импульсов. Sync , Delay_Req , Pdelay_Req и Pdelay_resp — это о событиях сообщения . Общие сообщения представляют собой более традиционные единицы данных протокола , поскольку данные в этих сообщениях важны для PTP, а временные метки их передачи и получения — нет. Сообщения Announce , Follow_Up , Delay_Resp , Pdelay_Resp_Follow_Up , Management и Signaling являются членами общего класса сообщений.

Транспорт сообщений

Сообщения PTP могут использовать для транспортировки протокол пользовательских дейтаграмм через интернет-протокол (UDP/IP). IEEE 1588-2002 использует только IPv4 . транспорт но это было расширено за счет включения IPv6 в IEEE 1588-2008. В IEEE 1588-2002 все сообщения PTP отправляются с использованием многоадресной рассылки, а в IEEE 1588-2008 предусмотрена возможность для устройств согласовывать одноадресную передачу для каждого порта. При многоадресной передаче используется многоадресная IP- адресация, для которой определяются групповые адреса многоадресной рассылки для IPv4 и IPv6 (см. таблицу). Сообщения о критичных ко времени событиях (Sync, Delay_req, Pdelay_Req и Pdelay_Resp) отправляются на порт номер 319. Общие сообщения (Announce, Follow_Up, Delay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up, управление и сигнализация) используют номер порта 320.

Групповые адреса многоадресной рассылки

Сообщения	IPv4	IPv6	IEEE 802.3 Ethernet	Тип
Все, кроме сообщений о задержке узла	224.0.1.129	FF0x::181	01-1Б-19-00-00-00	Пересылаемый
Сообщения о задержке узла: Pdelay_Req , Pdelay_Resp и Pdelay_Resp_Follow_Up.	224.0.0.107	FF02::6B	01-80-C2-00-00-0E	Непересылаемый

В IEEE 1588-2008 инкапсуляция также определена для DeviceNet . Контрольная сеть и ПРОФИНЕТ .

Домены

Домен представляет собой взаимодействующий набор часов, которые синхронизируются друг с другом с помощью PTP. Часы назначаются домену на основании содержимого полей имени поддомена (IEEE 1588-2002) или поля номера домена (IEEE 1588-2008) в сообщениях PTP, которые они получают или генерируют. Домены позволяют нескольким системам распределения тактовой частоты использовать одну и ту же среду связи.

имени субдомена Содержимое поля ( IEEE 1588-2002 )	IPv4-адрес многоадресной рассылки ( ИИЭЭ 1588-2002 )	номер домена ( ИИЭЭ 1588-2008 )	Примечания
_DFLT	224.0.1.129	0	Домен по умолчанию
_ALT1	224.0.1.130	1	Альтернативный домен 1
_ALT2	224.0.1.131	2	Альтернативный домен 2
_ALT3	224.0.1.132	3	Альтернативный домен 3
Для конкретного приложения до 15 октетов	224.0.1.130, 131 или 132 в соответствии с хеш-функцией имени поддомена.	с 4 по 127	Пользовательские домены

Лучший алгоритм главных часов

Алгоритм наилучшего главного тактового сигнала (BMCA) выполняет распределенный выбор наилучшего кандидата тактового сигнала на основе следующих свойств тактового сигнала:

• Идентификатор – универсальный уникальный числовой идентификатор часов. устройства Обычно он создается на основе MAC-адреса .
• Качество. Обе версии IEEE 1588 пытаются количественно оценить качество тактового сигнала на основе ожидаемого отклонения синхронизации, технологии, используемой для реализации тактового сигнала или местоположения в схеме уровня синхронизации , хотя только V1 (IEEE 1588-2002) знает уровень поля данных . PTP V2 (IEEE 1588-2008) определяет общее качество часов с помощью полей данных clockAccuracy и clockClass .
• Приоритет — административно назначаемая подсказка о приоритете, используемая BMC для помощи в выборе главного мастера для домена PTP. IEEE 1588-2002 использовал одну логическую переменную для указания приоритета. IEEE 1588-2008 содержит два 8-битных поля приоритета.
• Отклонение – оценка стабильности часов на основе наблюдения за их производительностью по сравнению с эталоном PTP.

IEEE 1588-2008 использует иерархический алгоритм выбора, основанный на следующих свойствах в указанном порядке:

1. Приоритет 1 – пользователь может назначить каждому тактовому сигналу определенный статический приоритет, заранее определяя приоритет среди них. Меньшие числовые значения указывают на более высокий приоритет.
2. Класс – каждые часы являются членом определенного класса, каждый класс имеет свой приоритет.
3. Точность – точность между часами и UTC, в наносекундах (нс).
4. Variance – изменчивость часов.
5. Приоритет 2 – окончательно определенный приоритет, определяющий порядок резервного копирования в случае, если других критериев окажется недостаточно. Меньшие числовые значения указывают на более высокий приоритет.
6. Уникальный идентификатор — выбор на основе MAC-адреса используется в качестве средства разрешения конфликтов, когда все остальные свойства равны.

IEEE 1588-2002 использует алгоритм выбора, основанный на аналогичных свойствах.

Свойства часов объявляются в сообщениях синхронизации IEEE 1588-2002 и в сообщениях объявления IEEE 1588-2008 . Текущий мастер часов передает эту информацию через регулярные промежутки времени. Часы, которые считают себя лучшими главными часами, передадут эту информацию, чтобы вызвать смену главных часов. Как только текущий ведущий распознает лучший тактовый сигнал, текущий ведущий прекращает передачу сообщений синхронизации и связанных с ним свойств часов ( сообщения Announce в случае IEEE 1588-2008), и лучший тактовый сигнал становится ведущим. Алгоритм BMC учитывает только самозаявленное качество тактовых импульсов и не принимает во внимание качество сетевого соединения.

Синхронизация

Используя алгоритм BMC, PTP выбирает главный источник времени для домена IEEE 1588 и для каждого сегмента сети в домене.

Часы определяют смещение между собой и своим хозяином. Пусть переменная $t$ представляют физическое время. Для данного ведомого устройства смещение $o(t)$ во время $t$ определяется:

$\ o(t)=s(t)-m(t)$

где $s(t)$ представляет время, измеренное ведомыми часами в физическое время $t$, и $m(t)$ представляет время, измеренное главными часами в физическое время $t$.

Мастер периодически передает текущее время в виде сообщения другим часам. В соответствии со стандартом IEEE 1588-2002 широковещательная передача осуществляется до одного раза в секунду. Согласно IEEE 1588-2008 допускается до 10 импульсов в секунду.

Механизм синхронизации IEEE 1588 и расчет задержки

Каждая трансляция начинается в определенное время $T_{1}$ с сообщением синхронизации , отправленным ведущим на все часы в домене. Часы, получившие это сообщение, фиксируют местное время. $T_{1}'$ когда это сообщение будет получено.

Мастер может впоследствии отправить многоадресную рассылку Follow_Up с точными $T_{1}$ временная метка. Не все ведущие устройства имеют возможность отображать точную временную метку в сообщении синхронизации . Только после завершения передачи они смогут получить точную метку времени для передачи синхронизации со своего сетевого оборудования. Мастера с этим ограничением используют сообщение Follow_Up для передачи $T_{1}$. Мастера с возможностями PTP, встроенными в их сетевое оборудование, могут отображать точную метку времени в сообщении синхронизации и не должны отправлять сообщения Follow_Up.

Чтобы точно синхронизироваться со своим главным устройством, часы должны индивидуально определять время прохождения по сети сообщений синхронизации . Время прохождения определяется косвенно путем измерения времени прохождения туда и обратно от каждого такта до его ведущего устройства. Часы инициируют обмен со своим ведущим устройством, предназначенным для измерения времени прохождения. $d$. Обмен начинается с того, что часы отправляют сообщение Delay_Req в момент времени. $T_{2}$ мастеру. Мастер получает и ставит временную метку Delay_Req в нужное время. $T_{2}'$ и отвечает сообщением Delay_Resp . Мастер включает метку времени $T_{2}'$ в сообщении Delay_Resp .

Благодаря этим обменам часы учатся $T_{1}$, $T_{1}'$, $T_{2}$ и $T_{2}'$.

Если $d$ — время передачи сообщения синхронизации , а ${\tilde {o}}$ - постоянное смещение между ведущими и ведомыми часами, тогда

$\ T_{1}'-T_{1}={\tilde {o}}+d{\text{ and }}\ T_{2}'-T_{2}=-{\tilde {o}}+d$

Объединив два приведенных выше уравнения, мы находим, что

${\tilde {o}}={\frac {1}{2}}(T_{1}'-T_{1}-T_{2}'+T_{2})$

Часы теперь знают смещение ${\tilde {o}}$ во время этой сделки и может исправить себя на эту сумму, чтобы привести ее в соглашение со своим хозяином.

Одно из предположений состоит в том, что этот обмен сообщениями происходит в течение настолько малого периода времени, что это смещение можно смело считать постоянным в течение этого периода. Другое предположение состоит в том, что время прохождения сообщения от ведущего устройства к ведомому равно времени прохождения сообщения от ведомого устройства к ведущему. Наконец, предполагается, что и ведущий, и ведомый могут точно измерить время отправки или получения сообщения. Степень справедливости этих предположений определяет точность часов ведомого устройства.

Дополнительные функции

Стандарт IEEE 1588-2008 перечисляет следующий набор функций, которые реализации могут поддерживать:

• Альтернативная шкала времени
• Кластер Гранд-Мастера
• Мастера одноадресной передачи
• Альтернативный мастер
• Трассировка пути

IEEE 1588-2019 добавляет дополнительные дополнительные и обратно совместимые функции:

• Модульные прозрачные часы
• Специальные порты PTP для взаимодействия с транспортами со встроенным распределением времени.
• Одноадресные Delay_Req и Delay_Resp сообщения
• Ручная настройка порта, переопределяющая BMCA
• Калибровка асимметрии
• Возможность использования опорной частоты физического уровня (например, Synchronous Ethernet ).
• Изоляция профиля
• Междоменные взаимодействия
• TLV безопасности для проверки целостности
• Стандартные показатели отчетности по производительности
• Мониторинг подчиненного порта

Связанные инициативы

• Международный симпозиум IEEE по точной синхронизации часов для измерения, управления и связи (ISPCS) — это ежегодное мероприятие, организуемое IEEE, которое включает в себя тестирование плагинов и программу конференций с бумажными и стендовыми презентациями, учебными пособиями и дискуссиями, охватывающими некоторые аспекты PTP.
• Институт встраиваемых систем (InES) Цюрихского университета прикладных наук/ZHAW занимается практической реализацией и применением PTP.
• IEEE 1588 — это ключевая технология стандарта LXI для связи и управления испытаниями и измерениями.
• IEEE 802.1AS-2011 является частью группы стандартов IEEE Audio Video Bridging (AVB). Он определяет профиль для использования IEEE 1588-2008 для синхронизации времени в локальной сети с виртуальным мостом, как определено IEEE 802.1Q . В частности, 802.1AS определяет, как IEEE 802.3 ( Ethernet ), IEEE 802.11 ( Wi-Fi ) и MoCA могут быть частями одного и того же временного домена PTP.
• SMPTE 2059-2 — это профиль PTP для использования при синхронизации систем вещания.
• Стандарт совместимости аудиосетей AES67 включает профиль PTPv2, совместимый с SMPTE ST2059-2.
• Данте использует PTPv1 для синхронизации.
• Q-LAN и РАВЕННА используйте PTPv2 для синхронизации времени.
• Проект White Rabbit сочетает в себе синхронный Ethernet и PTP.
• Отраслевой профиль протокола точного времени Профили PTP (L2P2P и L3E2E) для промышленной автоматизации в соответствии со стандартом IEC 62439-3
• Профиль PTP IEC/IEEE 61850-9-3 для автоматизации подстанции, принятый IEC 61850
• Использование протокола параллельного резервирования профилей PTP (L2P2P и L3E2E) для промышленной автоматизации в параллельных сетях.
• PTP изучается для применения в качестве безопасного протокола синхронизации времени в глобальном мониторинге энергетических систем.

См. также

• Список реализаций PTP
• Общение в режиме реального времени

Внешние ссылки

• Сайт НИСТ IEEE 1588
• Документация ПТП в ИнЭС
• PTP и синхронизация мобильных сетей LTE
• PTP поясняется с точки зрения установки/обслуживания
• Технический документ Hirschmann PTP
• Обзор PTP в Руководстве по настройке программного обеспечения коммутатора Cisco CGS 2520
• Перспективы и приоритеты исследований RuggedCom Smart Grid в области технологий IEC 61850
• Проекты с использованием интеллектуальных подстанций
• МакГи, Джим; Горай, Мацей (2010 г.), «Интеллектуальная высоковольтная подстанция на основе технологической шины IEC 61850 и синхронизации времени IEEE 1588», Первая международная конференция IEEE по коммуникациям в интеллектуальных сетях , 2010 г., стр. 489–494, doi : 10.1109/SMARTGRID.2010.5622092 , ISBN  978-1-4244-6510-1 , S2CID   30638718
• Ингрэм, DME; Кэмпбелл, Д.А.; Шауб, П.; Ледвич, Г. Ф. (2011). «Система тестирования и оценки для многопротокольных схем защиты выборочных значений» . 2011 IEEE Тронхейм PowerTech . Тронхейм, Норвегия: IEEE. стр. 1–7. дои : 10.1109/PTC.2011.6019243 . ISBN  978-1-4244-8419-5 . S2CID   42991214 .
• Проект «Белый кролик» PTP
• Протокол точного времени IEC&IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.
• Приложения IEC 62439-3 AE Резервное подключение часов и управление сетью
• Протокол синхронизации PTPv2 в AV-сетях
• FSMLabs: IEEE PTP 1588 из одного источника не может соответствовать стандартам финансового регулирования