[时间同步]NTP&PTP&gPTP

为什么时间同步很重要？

出于诸多原因，精确的时间对于网络至关重要，比如：

网络管理：从不同网络设备采集来的日志信息进行分析时，需要以时间作为参照依据。如果不同设备上的系统时间不一致，会因先后顺序等问题给故障定位带来障碍。

计费系统：计费业务对于时间尤其敏感，要求所有设备的时间保持一致，否则会引起计费不准确，导致用户质疑、投诉等。

协同处理：多个系统协同处理同一个复杂事件，为保证正确的执行顺序，多个系统必须参考同一时钟。

系统时间：某些应用或服务需要准确的时间来标记用户登录、交易等操作信息，确保可追溯记录。

因此有一个统一的标准时间对于网络而言意义重大。

时钟同步协议

NTP：

网络时间协议NTP（Network Time Protocol）是TCP/IP协议族里面的一个应用层协议，用来使客户端和服务器之间进行时钟同步，提供高精准度的时间校正。NTP服务器从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC，客户端再从服务器请求和接收时间。
NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。

       通过软件实现，只需要一次握手（一次往返就可以计算出offset）

主时钟系统通过网络途径为从时钟提供时间。以前的主从时钟系统使用脉冲发生器来同步从时钟。后来，引入了串行网络，例如 IRIG-B，我们技术俗称的B码，通过一根电缆将时间传输到许多从时钟。大多数现代时钟系统依靠以太网链路来传输同步时间信号。

PTP：

       通过软件和硬件实现，需要两次握手

IEEE 1588-2008 被称为PTPV2

IEEE 1588-2019 被称为PTPV2.1

这是近些年开发出来的时间传输协议，精确时间协议。PTP是指在实现客户端的亚微秒级同步或者说纳秒、皮秒级别时间同步，使其成为科学、测量和控制系统的得力助手。但是，大多数计时应用程序都可以使用更简单的网络时间协议 (NTP) 来实现。因为精确时间协议 (PTP, IEEE1588)基本都是用在商业科技方面的产品，我们平时生活中使用不到纳秒级别精度的时间同步。

gPTP：

IEEE802.1AS， 广义精确时钟协议（Generalized Precision Time Protocol, gPTP），确保收发的终端之间严格时间同步的标准。

gPTP主要是IEEE TSN（时间敏感网络）工作组定义的规范族中的一个组成部分；

TSN工作组是原先的AVB（Audio-Video Bridging）工作组；

由于PTPv2定义了太多的特性选项，那么多个设备之间的互操作性变的较差；gPTP对PTPv2进行了简化，固定了特性选项的选择，相当于PTPv2的一个特定profile。

gPTP 消息不再支持在UDPoverIPv4/IPV6的等L3/L4的承载，只支持在Mac层的承载。

gPTP还可以用于无线网络

 

NTP

历史

NTP是由美国Delaware大学David L .Mills教授设计的，是最早用于网络中时钟同步的标准之一。NTP是从时间协议和ICMP时间戳报文演变而来，NTP的版本演进如下所示。

 

NTP时钟层级

NTP允许客户端从服务器请求和接收时间，而服务器又从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC。

NTP以层级来组织模型结构，层级中的每层被称为Stratum。通常将从权威时钟获得时钟同步的NTP服务器的层数设置为Stratum 1，并将其作为主时间服务器，为网络中其他的设备提供时钟同步。而Stratum 2则从Stratum 1获取时间，Stratum 3从Stratum 2获取时间，以此类推。时钟层数的取值范围为1～16，取值越小，时钟准确度越高。层数为1～15的时钟处于同步状态；层数为16的时钟被认为是未同步的，不能使用的。

 

NTP同步原理

NTP最典型的授时方式是Client/Server方式，如下图所示。

 

1. 客户端首先向服务端发送一个NTP请求报文，其中包含了该报文离开客户端的时间戳t1;
2. NTP请求报文到达NTP服务器，此时NTP服务器的时刻为t2。当服务端接收到该报文时，NTP服务器处理之后，于t3时刻发出NTP应答报文。该应答报文中携带报文离开NTP客户端时的时间戳t1、到达NTP服务器时的时间戳t2、离开NTP服务器时的时间戳t3；
3. 客户端在接收到响应报文时，记录报文返回的时间戳t4。

客户端用上述4个时间戳参数就能够计算出2个关键参数：

NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。

客户端与服务端之间的时间差offset。

 

根据方程组：

 

可以解得时间差为：

 

NTP客户端根据计算得到的offset来调整自己的时钟，实现与NTP服务器的时钟同步。

PTP

在通信网络中，许多业务的正常运行都要求网络时钟同步，即整个网络各设备之间的时间或频率差保持在合理的误差水平内。网络时钟同步包括以下两个概念：

时间同步：也叫相位同步（Phase synchronization），是指信号之间的频率和相位都保持一致，即信号之间的相位差恒为零。

频率同步（Frequency synchronization）：也叫时钟同步，是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系，信号在其对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以保证通信网络中的所有设备都以相同的速率运行，即信号之间保持恒定的相位差。

PTP遵循IEEE1588协议，通过Best Master Clock算法确认最精确时钟。PTP采用硬件时间戳，可完成秒脉冲同步。

 

图 1 时间同步和频率同步示意图

如图1所示，有两个表Watch A与Watch B，如果这两个表的时间每时每刻都保持一致，这个状态就是时间同步；如果这两个表的时间不一致，但保持一个恒定的差值（如图中的Watch B总比Watch A晚6个小时），这个状态就是频率同步。

PTP（Precision Time Protocol，精确时间协议）是一种时间同步的协议，其本身只是用于设备之间的高精度时间同步，但也可被借用于设备之间的频率同步。相比现有的各种时间同步机制，PTP具备以下优势：

相比NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），PTP能够满足更高精度的时间同步要求：NTP一般只能达到亚秒级的时间同步精度，而PTP则可达到亚微秒级。

相比GPS（Global Positioning System，全球定位系统），PTP具备更低的建设和维护成本，并且由于可以摆脱对GPS的依赖，在国家安全方面也具备特殊的意义。

PTP基本概念

1. PTP域

我们将应用了PTP协议的网络称为PTP域。PTP域内有且只有一个同步时钟，域内的所有设备都与该时钟保持同步。

2. PTP端口

我们将设备上运行了PTP协议的端口称为PTP端口。如图 2 所示，PTP端口的角色可分为以下三种：

主端口（Master Port）：发布同步时间的端口，可存在于BC或OC上。

从端口（Slave Port）：接收同步时间的端口，可存在于BC或OC上。

被动端口（Passive Port）：既不接收同步时间、也不对外发布同步时间的端口，只存在于BC上。

3. 时钟节点

PTP域中的节点称为时钟节点，PTP协议定义了以下三种类型的基本时钟节点：

(1) OC（Ordinary Clock，普通时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内只有一个PTP端口参与时间同步，并通过该端口从上游时钟节点同步时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以只通过一个PTP端口向下游时钟节点发布时间，我们也称其为OC。

(2) BC（Boundary Clock，边界时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内拥有多个PTP端口参与时间同步。它通过其中一个端口从上游时钟节点同步时间，并通过其余端口向下游时钟节点发布时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以通过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间的，我们也称其为BC，如图 2 中的BC 1。

(3) TC（Transparent clock，透明时钟）：与BC/OC相比，BC/OC需要与其它时钟节点保持时间同步，而TC则不与其它时钟节点保持时间同步。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。TC包括以下两种类型：

E2ETC（End-to-End Transparent Clock，端到端透明时钟）：直接转发网络中非P2P（Peer-to-Peer，点到点）类型的协议报文，并参与计算整条链路的延时。

P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，点到点透明时钟）：只直接转发Sync报文、Follow_Up报文和Announce报文，而终结其它PTP协议报文，并参与计算整条链路上每一段链路的延时。

如图 2 所示，是上述三种基本时钟节点在PTP域中的位置。

图 2 基本时钟节点示意图

除了上述三种基本时钟节点以外，还有一些混合时钟节点，譬如融合了TC和OC各自特点的TC+OC：它在同一个PTP域内拥有多个PTP端口，其中一个端口为OC类型，其它端口则为TC类型。一方面，它通过TC类型的端口转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正；另一方面，它通过OC类型的端口进行时间的同步。与TC的分类类似，TC+OC也包括两种类型：E2ETC+OC和P2PTC+OC。

4. 主从关系

主从关系（Master-Slave）是相对而言的，对于相互同步的一对时钟节点来说，存在如下主从关系：

发布同步时间的节点称为主节点，而接收同步时间的节点则称为从节点。

主节点上的时钟称为主时钟，而从节点上的时钟则称为从时钟。

发布同步时间的端口称为主端口，而接收同步时间的端口则称为从端口。

5. 最优时钟

如图 2 所示，PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起，整个域的参考时间就是最优时钟（Grandmaster Clock，GM），即最高层次的时钟。通过各时钟节点间PTP协议报文的交互，最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中，因此也称其为时钟源。

最优时钟可以通过手工配置静态指定，也可以通过BMC（Best Master Clock，最佳主时钟）协议动态选举，动态选举的过程如下：

(1) 各时钟节点之间通过交互的Announce报文中所携带的最优时钟优先级、时间等级、时间精度等信息，最终选出一个节点作为PTP域的最优时钟，与此同时，各节点之间的主从关系以及各节点上的主从端口也确定了下来。通过这个过程，整个PTP域中建立起了一棵无环路、全连通，并以最优时钟为根的生成树。

(2) 此后，主节点会定期发送Announce报文给从节点，如果在一段时间内，从节点没有收到主节点发来的Announce报文，便认为该主节点失效，于是重新进行最优时钟的选择。

PTP同步原理

PTP同步的基本原理如下：

主、从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间，通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时，如果网络是对称的（即两个方向的传输延时相同），则往返总延时的一半就是单向延时，这个单向延时便是主、从时钟之间的时钟偏差，从时钟按照该偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟的同步。

PTP协议定义了两种传播延时测量机制：请求应答（Requset_Response）机制和端延时（Peer Delay）机制，且这两种机制都以网络对称为前提。

1. 请求应答机制

图 3 请求应答机制实现过程

请求应答方式用于端到端的延时测量。如图 3 所示，其实现过程如下：

(1) 主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

(2) 主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

(3) 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，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

(4) 主时钟收到Delay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。

此时，从时钟便拥有了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 [(t2 – t1) + (t4 – t3)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为 [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2 。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset = (t2 – t1) - [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2 = [(t2 – t1) - (t4 – t3) ] / 2。

此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，请求应答机制又分为单步模式和双步模式两种：

在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文。

在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带。

2. 端延时机制

图 4 端延时机制实现过程

与请求应答机制相比，端延时机制不仅对转发延时进行扣除，还对上游链路的延时进行扣除。如图 4 所示，其实现过程如下：

(1) 主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

(2) 主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

(3) 从时钟向主时钟发送Pdelay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

(4) 主时钟收到Pdelay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Pdelay_Resp报文，并记录发送时间t5；从时钟收到该报文后，记录接收时间t6。

(5) 主时钟回复Pdelay_Resp报文之后，紧接着发送一个携带有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

此时，从时钟便拥有了t1～t6这六个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为 [(t4 – t3) + (t6 – t5)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为 [(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset = (t2 – t1) - [(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。

此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，端延时机制也分为单步模式和双步模式两种：

在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文；而t5和t4的差值由Pdelay_Resp报文携带，不发送Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带，而t4和t5则分别由Pdelay_Resp报文和Pdelay_Resp_Follow_Up报文携带。

PTP报文

PTP通过主从节点间交互报文，实现主从关系的建立、时间和频率同步。根据报文是否携带时间戳，可以将PTP报文分为两类，事件报文和通用报文。

事件报文：时间概念报文，进出设备端口时打上精确的时间戳，PTP根据事件报文携带的时间戳，计算链路延迟。事件报文包含以下4种：Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp。

通用报文：非时间概念报文，进出设备不会产生时间戳，用于主从关系的建立、时间信息的请求和通告。通用报文包含以下6种：Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling，目前设备不支持Management、Signaling报文。

 

封装格式

1588v2报文可以封装在二层和三层报文中进行传输。根据1588v2报文传输所采用的链路类型不同，1588v2报文可分为MAC封装和UDP封装。

MAC封装

1588v2报文在二层链路上传输时，选择此封装模式，对应的以太网类型Ethernet Type为0x88F7。此时可以设置1588v2报文封装时携带的VLAN ID和802.1p优先级。

 

UDP封装

1588v2报文在三层链路上传输时，选择此封装模式，对应的目的UDP端口号为319（非Announce报文）或者320（Announce报文）。此时可以设置1588v2报文封装时携带的VLAN ID、802.1p优先级和DSCP优先级。

gPTP

gPTP是general precise time protocol的简称，是PTP协议的派生。

gPTP的目的是确保所有局域网里的节点的时间完全一致（ns级别的误差）

如何达到ns级的误差？

gPTP协议基于L2层传输

在OSI网络模型里，L2是MAC层，L3是IP层，我们通常见到的如交换机是L2层的转发，路由器是L3层的转发。gPTP协议是基于L2层的传播，那么就决定了一个特性，只能在局域网里传播，不能通过路由器往WAN网传输。为了达到ns级别的延时，这个也是必须做的。

MAC上的硬件支持

为了测量更精准的时间，我们必须精准的知道一个MAC帧出去的时间，和收到一个MAC帧的时间，这个地方不能通过软件来获得，因为如果通过软件来获取时间，进出终端，任务抢占的时间是不确定的，不可测的。

测量网线上的延时

为了到达ns级别的延时，网线上的传输时间自然不能忽略，如何测量网线上的传输延时呢？专业名称叫 peer to peer delay

我们假设A想知道自己传输到B的延时有多少，怎么办的。

A会发出一个信息(PdelayReq，这个信息的内容是什么不重要)，由MAC记录下离开MAC发送到网线上的真正时间t1，B收到这一帧，由MAC记录下收到这一帧的时间t2，然后B会发送一个信息（PdelayResp, 这个信息的内容是什么不重要)，同样的B记录下t3，A会记录下t4，最后B会把（t2，t3 装再Pdelay_Resp_Follow_UP)这个帧里面发到A，这时候A会有4个时间数据，t1，t2，t3，t4。

我们假设A，B 时间相差offset，线上传输延时为delay.

t1+delay=t2+offset

t3+delay=t4-offset

delay=(t2-t1+t4-t3)/2

这个时候我们就可以测到线上的延时是多少了。

在汽车以太网中，这个测量过程A和B都会互相发起，测量。但是不用太频繁，因为这个值主要受线的长度影响，一旦固定下来，就不会有大的变化了。

时间同步

gPTP规定一个局域网里只能有一个master，其他全部是slave，同时只有endpoint能参与作为时钟节点，bridge不能作为时钟节点，只能作为透明时钟。

在汽车以太网中，不需要动态协商谁是master节点，通常是预先设定好的。

只有master节点能发送，sync 和 follow_up这两个帧，其实这个的作用就是告诉所有slave节点，我的时间是多少，你应该和我设置为一样的。

在上图中，master发出sync的时间为 te11，slave收到的时间为tb11，同时master发送follow-up携带te11，告诉slave，这个时候slave就有了两个时间，tb11，te11。

这个时候slave自然就知道自己和master的时间差是多少了，这个地方还有一个重要的一点，slave端还要加上Pdelay这个时间，要把在网线上传输的时间加上。这个时间我们master和slave的时间就一样了。

       SLAVE有了这个时间该如何处理？

我们再来看MAC的timer计数器，这个计数器的时钟通常来在晶振然后PLL作为输入，既然是晶振，那么master和slave的晶振就必然会有误差，随着时间的积累会越来越大。

所有SLAVE需要做的就是利用master发来的sync，follow-up帧和测量的pDelay来纠正这个timer计数器里的值。

有了gPTP的协议支持，这个时候不管是master的代码去读timer的值，还是slave的代码去读timer的值，我们理论上认为去到的值都是一样的了。