PTP高精度时钟同步协议及配置示例

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PTP时间同步协议笔记

PTP简介

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。
  • 示意图

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

PTP域

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。

PTP端口

设备上运行了PTP协议的端口成为PTP端口。PTP端口角色分为以下三种：

  • 主端口（Master Port）：发布同步时间端口，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。

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：

  • 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。
  • 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。
  • 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。

PTP拓扑

最佳主时钟算法(BMCA)用于选择每条链路上的主时钟，并最终选择整个PTP域的根时钟。它在普通和边界时钟的每个端口本地运行，将本地数据集与从Announce消息接收的数据进行比较，以选择链路上的最佳时钟。

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。

请求应答机制

请求应答方式用于端到端的延时测量。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。

端延时机制

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。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。

配置示例

交换机配置示例

以Nexus 3548交换机为例，大致配置如下：

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feature ptp
feature interface-vlan
ptp domain 0
ptp source 10.1.1.1
clock protocol ptp
clock timezone GMT 8 0

interface T1/48
no switchport
ip address 10.1.1.1/30
ptp
no shutdown

interface vlan1000
ip address 192.168.8.1/24
no shutdown

interface T1/1
switchport
switchport access vlan 1000
ptp
ptp vlan 1000
no shutdown

配置完上述命令后，如果有时钟同步源的话，可以使用以下命令查看相关信息。

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show ptp corrections 检查 PTP 更正时间戳
show ptp clock       查看ptp同步的时间
show ptp parent      PTP 父属性
show ptp brief       ptp接口状态

在实验时可以搭建一台Linux系统做为PTP时钟源，让交换机与其进行PTP时间同步，这里以Ubuntu为例：

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sudo apt install ptpd
sudo ptpd -MC -i eth0 此网卡为与交换机相连的网卡