淺談網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)間同步—PTP（IEEE1588)

IEEE1588(the Precision Time Protocol 簡(jiǎn)稱為 PTP ）全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，是針對(duì)基于工業(yè)以太網(wǎng)的測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議。IEEE1588 協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，在起草過程中主要參考以太網(wǎng)來編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)有 version1 和 version2 兩個(gè)版本。

時(shí)鐘同步簡(jiǎn)單介紹

PTP時(shí)鐘同步包括頻率同步和時(shí)間同步兩個(gè)過程。頻率同步簡(jiǎn)單來講就是調(diào)整主從時(shí)鐘時(shí)間的快與慢，只要維持他們之間的頻率相同不管他們之間的時(shí)間相位，只要調(diào)整本地時(shí)鐘信號(hào)與時(shí)鐘源頻率相同，信號(hào)在相同瞬間以同一速率出現(xiàn)，而時(shí)間同步就是讓主從時(shí)鐘有同樣的時(shí)間基準(zhǔn)，同樣的時(shí)刻。時(shí)間同步也就是主從時(shí)鐘之間不僅頻率同步，相位也要同步。

在很多應(yīng)用中需要全網(wǎng)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，像橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)，大壩監(jiān)測(cè)，飛機(jī)的靜力實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)椴杉c(diǎn)數(shù)非常多，規(guī)模在幾千點(diǎn)甚至上萬點(diǎn)的規(guī)模，采集速度從幾十赫茲到幾百赫茲不等，這些應(yīng)用通過大規(guī)模的時(shí)鐘板卡系統(tǒng)統(tǒng)一高精度時(shí)鐘。時(shí)鐘同步包括時(shí)間同步和頻率同步：

時(shí)間同步，即要求各點(diǎn)之間的絕對(duì)時(shí)間相同，比如，我們國內(nèi)都使用北京時(shí)間，時(shí)間同步設(shè)備就是調(diào)整本地的時(shí)間時(shí)鐘，使之與北京時(shí)間嚴(yán)格同步，并使各地之間的時(shí)間時(shí)鐘誤差維持在很小的范圍內(nèi)，這種時(shí)間同步對(duì)時(shí)間精度的要求不高，這樣的需求實(shí)現(xiàn)同步很簡(jiǎn)單了。

頻率同步，即要求時(shí)鐘頻率（速率）相同或相近即可，不關(guān)心時(shí)間點(diǎn)相同。比如在兩個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)中一個(gè)的系統(tǒng)時(shí)間是1970-01-01 00:00:00，另一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間是2019-02-02 00:00:00,只要這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率一樣就是頻率同步，比如以太網(wǎng)中分時(shí)復(fù)用傳輸技術(shù)，需要的就是頻率同步，同步以太網(wǎng)(Synce)同步的就是時(shí)鐘頻率同步技術(shù)。時(shí)鐘同步，不僅僅是要求時(shí)鐘頻率同步，也要求時(shí)鐘時(shí)間（時(shí)鐘相位）同步，這要比僅僅是頻率同步復(fù)雜，難度要大，不容易控制。

PTP時(shí)鐘處理模式

PTP時(shí)鐘同步模式可以分為：two-step(也叫兩步法或雙歩模式)和one-step(一步法或單歩模式)，這兩種模式都需要軟件協(xié)議處理和硬件芯片支持。

one-step和two-step報(bào)文標(biāo)記對(duì)比如圖：

當(dāng)選擇two-step時(shí)，標(biāo)記發(fā)送報(bào)文時(shí)間戳由兩步報(bào)文來完成，比如主時(shí)鐘發(fā)送Sync同步報(bào)文產(chǎn)生的時(shí)間戳t1，發(fā)送的時(shí)候硬件芯片標(biāo)記好并存好放到軟件fifo列表中，等建立followUp報(bào)文發(fā)送的時(shí)候會(huì)過來把時(shí)間戳t1取走，放到自己的報(bào)文時(shí)間戳字段里發(fā)送給從時(shí)鐘同步。

當(dāng)選擇one-step模式時(shí)，主時(shí)鐘在發(fā)送需要標(biāo)記的報(bào)文時(shí)直接發(fā)送出去。如主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)硬件芯片標(biāo)記好t1并放到Sync報(bào)文時(shí)間戳字段直接發(fā)送出去，不需要followUp過來幫它發(fā)送。One-step這種快速處理就需要硬件支持，并且處理損失的時(shí)間可以忽略。

PTP的主要應(yīng)用

PTP在鐵路/公路/橋梁狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用

橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)同步數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。比如橋梁兩端同時(shí)測(cè)量應(yīng)力計(jì)算時(shí)， 兩端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)鐘就必須高精度同步。鐵路線路無損檢測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)更加需要高精度同步。

PTP在計(jì)費(fèi)方面的應(yīng)用

目前計(jì)費(fèi)業(yè)務(wù)自動(dòng)化使用十分普遍，比如電話計(jì)費(fèi)、寬/窄帶上網(wǎng)計(jì)費(fèi)、智能網(wǎng)業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)，電網(wǎng)計(jì)費(fèi)等這些業(yè)務(wù)平臺(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)都是需要精準(zhǔn)穩(wěn)定的時(shí)鐘同步，支持IEEE1588(PTP)交換機(jī)就很適合在這些應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大量部署了。

PTP在信令系統(tǒng)中的應(yīng)用

通信網(wǎng)中任意兩個(gè)通信終端之間的通信都離不開信令，信令必須正確執(zhí)行終端用戶之間才能正常通信。IEEE1588(PTP)就很適合滿足這樣的應(yīng)用需求。

PTP在無線基站中的應(yīng)用

無線技術(shù)不同制式對(duì)時(shí)鐘的承載有不同的需求。所以看到無線基站要提供精確定位業(yè)務(wù)就必須保證基站間設(shè)備保持亞微米級(jí)的高精度同步。

產(chǎn)品推薦

Cronet CC-4526 機(jī)架式三層100G工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

支持24個(gè)10G SFP+擴(kuò)展槽，2個(gè)100G QSFP28擴(kuò)展槽

支持MR-Ring快速環(huán)網(wǎng)（自愈時(shí)間<20ms），兼容STP/RSTP/MSTP生成樹協(xié)議

支持ACL,對(duì)L2-L4層數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾

支持QoS，基于端口的流量監(jiān)管， WRR、DRR、SP、隊(duì)列調(diào)度算法、報(bào)文的802.1p

支持靜態(tài)路由、策略路由、RIP V1/2、OSPF、IS-IS、BGP、虛擬路由冗余協(xié)議VRRP

支持IP組播PIM-SM、PIM-DM

支持IPv6路由 OSPFv3、BGP4、ISISv6

滿足工業(yè)4級(jí)電磁兼容性，IP40等級(jí)，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

MIER-6226 IEEE1588全千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

支持24個(gè)10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，2個(gè)1000M SFP擴(kuò)展槽

支持IEEE1588同步時(shí)鐘

支持MR-Ring快速環(huán)網(wǎng)（自愈時(shí)間 < 20 ms），兼容STP/RSTP/MSTP生成樹協(xié)議

支持Port-based VLAN，IEEE 802.1Q VLAN和GVRP 協(xié)議

支持動(dòng)態(tài)和靜態(tài)鏈路聚合

支持IGMP Snooping和GMRP過濾組播封包

支持基于MAC 地址的端口鎖定，防止非法入侵

支持SNMPv1/v2c/v3不同等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

多種網(wǎng)管方式：Web、Snmp，Telnet，console

IP40防護(hù)等級(jí)，波紋式鋁型材外殼，工業(yè)4級(jí)電磁兼容性設(shè)計(jì)

Cronet CC-3452G-TX8-PTP 三層千兆/萬兆工業(yè)交換機(jī)

24個(gè)10/100/1000M電口+24個(gè)1000MSFP擴(kuò)展槽+8個(gè)1000M SFP擴(kuò)展槽/萬兆SFP+擴(kuò)展槽，或者48個(gè)1000M SFP擴(kuò)展槽+8個(gè)1000M SFP擴(kuò)展槽/萬兆SFP+擴(kuò)展槽

支持硬件時(shí)間戳IEEE1588v2

支持MR-Ring快速環(huán)網(wǎng)（自愈時(shí)間<20ms），兼容STP/RSTP/MSTP生成樹協(xié)議

支持芯片上的分組處理，巨幀支持12KB

支持ACL,對(duì)L2-L4層數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾

支持QoS，基于端口的流量監(jiān)管， WRR、DRR、SP、隊(duì)列調(diào)度算法、報(bào)文的802.1p

支持靜態(tài)路由、策略路由、RIP V1/2、OSPF、IS-IS、BGP、虛擬路由冗余協(xié)議VRRP

支持IP組播PIM-SM、PIM-DM

支持IPv6路由 OSPFv3、BGP4、ISISv6

MIE-2816-PTP 卡軌式全千兆網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

支持8個(gè)10/100/1000M電口（POE可選），8個(gè)1000M SFP擴(kuò)展槽

支持硬件時(shí)間戳IEEE1588v2

支持POE，AT和AF標(biāo)準(zhǔn)

支持STP/RSTP/MSTP生成樹協(xié)議

支持Port-based VLAN，IEEE 802.1Q VLAN和GVRP 協(xié)議

支持動(dòng)態(tài)和靜態(tài)鏈路聚合

支持IGMP Snooping和GMRP過濾組播封包

支持基于MAC 地址的端口鎖定，防止非法入侵

支持SNMPv1/v2c/v3不同等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

多種網(wǎng)管方式：Web、Snmp，Telnet，console

IP40防護(hù)等級(jí)，波紋式鋁型材外殼，工業(yè)4級(jí)電磁兼容性設(shè)計(jì)