1588协议基础知识

zhxzhang

随着3G/LTE的发展，无线网络对时间同步性能的要求越来越高，GPS卫星系统存在安装选址难、维护难、馈缆敷设难、安全隐患高、成本高等问题，因此高精度的地面时间同步方案成为一大需求。2008年底IEEE推出的1588v2国际标准成为了最佳方案.

网络测控系统精确时钟同步协议PTP（Precision Time Protocol）是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议，也称为IEEE 1588，简称为1588。1588分为1588v1和1588v2两个版本，1588v1只能达到亚毫秒级的时间同步精度，而1588v2可以达到亚微秒级同步精度。1588v2被定义为时间同步的协议，本来只是用于设备之间的高精度时间同步，随着技术的发展，1588v2也具备频率同步的功能。现在1588v1基本已被1588v2取代，以下非特殊说明，PTP即表示1588v2。

与NTP协议相比，1588的精度高：1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要，具有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会，2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE1588标准。

与GPS方案相比，减少了GPS安装和站点维护费用，且规避了战争时期GPS不可用的风险。

l  同步的定义和分类

　  同步是指两个或两个以上信号之间，在频率或相位上保持某种特定关系，即两个或两个以上信号在相对应的有效瞬间，其相位差或频率差保持在约定的允许范围之内。同步可分为：

p  时钟同步（频率同步）

　频率相同 / 频率锁定；相位不同 / 固定相位差；时间不同 / UTC时间不一致

p  时间同步（相位同步）

　频率相同 / 频率锁定；相位相同 / 无相位差；时间相同 / UTC时间一致

                              

无线技术对于频率同步和时间同步的精度要求：

无线制式	时钟频率    精度要求	时钟相位    同步要求
GSM	0.05ppm	NA
WCDMA	0.05ppm	NA
TD-SCDMA	0.05ppm	3us
CDMA2000	0.05ppm	3us
WiMax FDD	0.05ppm	NA
WiMax TDD	0.05ppm	1us
LTE	0.05ppm	倾向于采用时间同步

1588协议的三大要素： PTP协议，时钟模型，BMC算法

Ø  PTP协议（精密时间协议） Precision Time Protocol

  定义了事件报文和通用报文，根据事件报文中的时间戳计算路径延迟和主从时间差，完成主从PTP设备的时间同步。通过通用报文来管理PTP设备。

  

Ø  三种时钟模型

普通时钟（Ordinary clock）---仅作为源或者宿节点

边界时钟（Boundary clock） ---可以同时作为源或者宿节点（即中间节点）

透传时钟（ Transparent clock ） --透明节点，自身无需恢复时钟

Ø  BMC（最佳主时钟算法）

通过通用报文中的announce消息传递时间源信息，BMU算法根据时间源信息和自身的数据集选择最优的网络时间源。

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。

  

数据集比较算法，用于判断那个端口的时间源最优。判断依据接收到的时间源的参数信息和拓扑信息。

参与算法判断的参数信息

   
• Priority1：范围1-255，数值小的优先级高
    
• ClockClass 时钟等级
    
• ClockAccuracy  时钟精度      
    
• Priority2：范围1-255，数值小的优先级高
  

参与算法判断的拓扑信息

   
• StepsReMoved
  

根据所判断的优选路径，BMC协议会使用端口状态决策算法，用于决策每个PTP端口的工作状态。

端口的工作状态有如下：

   
• LISTENING：监听状态，端口还没有可用时间源信息。
    
• SLAVE：从端口状态，用于跟踪前级的时间信息。
    
• MASTER：主端口状态，用于向下级发送时间信息。
    
• PASSIVE：消极状态，该端口当前不运行PTP协议。
  

PTP节点设备按照一定的主从关系（Master-Slave）进行时钟同步。主从关系是相对而言的，同步时钟的节点设备称为从节点，发布时钟的节点设备称为主节点，一台设备可能同时从上层节点设备同步时钟，然后向下层节点设备发布时钟。

对于相互同步的一对时钟节点来说，存在如下主从关系：

1.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。

2.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。

3.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。

组网场景如图：

在主从关系建立后，即可以进行频率同步和时间同步。PTP本来只是用户设备之间的高精度时间同步，但也可以被用来进行设备之间的频率同步。

PTP通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳，计算出主从设备之间的路径延迟和时间偏移，实现主从设备之间的时间和频率同步，设备支持两种携带时间戳的模式，分别为：

·        单步时钟模式(One step)，指事件报文Sync和Pdelay_Resp带有本报文发送时刻的时间戳，报文发送和接收的同时也完成了时间信息的通告。

·        两步时钟模式(Two step)，指事件报文Sync和Pdelay_Resp不带有本报文发送时刻的时间戳，而分别由后续的通用报文Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up带上该Sync和PDelay_Resp报文的发送时间信息。两步时钟模式中，时间信息的产生和通告分两步完成，这样可以兼容一些不支持给事件报文打时间戳的设备。

频率同步原理

PTP的主节点定时向从节点发送同步Sync报文，报文中有主节点发送Sync报文的时间戳。从节点每接收到一个Sync报文，都会产生一个接收时间戳。显然，如果从节点接收到两个Sync报文，可以通过比较两个接收时间戳的间隔与报文中记录的主节点发送时间戳的间隔的大小，调整从节点的频率。

假设时钟节点A要同步到时钟节点B。不考虑路径延时和驻留时间的变化，如果A和B的时钟频率相等，则在相同的时间间隔内，A和B的时间累积的偏差应该是一样的，也就是说t2N-t20 = t1N-t10。如果t2N-t20大于t1N-t10，说明A的时钟频率比B快，要调慢A的时钟频率；如果t2N-t20小于t1N-t10，说明A的时钟频率比B慢，则要调快A的时钟频率。（t1n为B点的第n个Sync报文发送的时间，t2n为A点接收第n个Sync报文的时间点。）

图13-3  频率同步原理

上述是通过PTP报文来实现频率同步的基本原理。对于一个实际的PTP同步系统，通常还需要考虑路径延时和驻留时间的变化。图中Follow_Up报文为两步时钟模式发送的通用报文，携带Sync报文的发送时间戳。