Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Протокол точного времени ( PTP ) - это протокол, используемый для синхронизации часов в компьютерной сети . В локальной сети он обеспечивает точность часов в субмикросекундном диапазоне, что делает его пригодным для систем измерения и управления. [1] PTP в настоящее время используется для синхронизации финансовых транзакций , передач с вышек мобильной связи , подводных акустических систем и сетей, которые требуют точного времени, но не имеют доступа к сигналам спутниковой навигации .

Исходная версия PTP, IEEE 1588-2002 , была опубликована в 2002 году. IEEE 1588-2008 , также известный как PTP версии 2, не имеет обратной совместимости с исходной версией 2002 года. IEEE 1588-2019 был опубликован в ноябре 2019 года и включает улучшения с обратной совместимостью по сравнению 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 аудиовизуальные средства . IEEE 802.1AS - это адаптация PTP для использования с аудио-видео мостами иСеть, чувствительная ко времени .

История [ править ]

По словам Джона Эйдсона, который возглавлял усилия по стандартизации IEEE 1588-2002, «IEEE 1588 разработан, чтобы заполнить нишу, не обслуживаемую ни одним из двух доминирующих протоколов, NTP и GPS . IEEE 1588 разработан для локальных систем, требующих большей точности. достижимо с использованием NTP. Он также разработан для приложений, которые не могут нести стоимость приемника GPS на каждом узле или для которых сигналы GPS недоступны ». [2]

Первоначально протокол PTP был определен в стандарте IEEE 1588-2002, официально названном «Стандарт протокола точной тактовой синхронизации для сетевых систем измерения и управления» и опубликованном в 2002 году. В 2008 году IEEE 1588-2008 был выпущен как пересмотренный стандарт; также известный как PTP версии 2 (PTPv2), он повышает точность, точность и надежность, но не имеет обратной совместимости с исходной версией 2002 года. [3] IEEE 1588-2019 был опубликован в ноябре 2019 года, [4] неофициально известен как PTPv2.1 и включает обратно совместимые улучшения по сравнению с публикацией 2008 года. [5]

Архитектура [ править ]

Стандарты IEEE 1588 описывают иерархическую архитектуру главный-подчиненный для распределения часов. Согласно этой архитектуре система распределения времени состоит из одной или нескольких коммуникационных сред (сегментов сети) и одного или нескольких часов. Обычные часы представляют собой устройство с одним сетевым соединением и либо источник (ведущий) или назначения для (ведомой) ссылки синхронизации. Граничные часы имеют несколько сетевых соединения и могут точно синхронизировать один сегмент сети к другому. Мастер синхронизации выбирается для каждого сегмента сети в системе. Корневой эталон времени называется гроссмейстером . [6]Грандмастер передает информацию синхронизации на часы, находящиеся в его сегменте сети. Граничные часы с присутствием 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, без использования граничных часов. Гроссмейстер избирается, и все остальные часы синхронизируются напрямую с ним.

IEEE 1588-2008 вводит часы, связанные с сетевым оборудованием, используемым для передачи сообщений PTP. В прозрачных часах модифицируют PTP сообщения , поскольку они проходят через устройство. [7] Временные метки в сообщениях исправлены за время, потраченное на прохождение сетевого оборудования. 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.). [a] В то время как время Unix основано на всемирном координированном времени (UTC) и зависит от дополнительных секунд , PTP основывается на международном атомном времени (TAI). Грандмастер PTP сообщает текущее смещение между UTC и TAI, так что UTC можно вычислить из полученного времени PTP.

Детали протокола [ править ]

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 связанную со временем информацию, 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 компенсироваться системой. Прозрачные часы и связанные с ними сообщения недоступны в IEEE 1588-2002.
  • ANNOUNCE сообщения используются наилучшим алгоритмом часофикации в IEEE 1588-2008 , чтобы построить иерархию часов и выбрать гроссмейстера . [b]
  • Управляющие сообщения используются сетевым управлением для мониторинга, настройки и обслуживания системы PTP.
  • Сигнальные сообщения используются для некритичной по времени связи между часами. Сигнальные сообщения были введены в IEEE 1588-2008.

Сообщения делятся на сообщения о событиях и общие сообщения. Сообщения о событиях критичны по времени в том смысле, что точность меток времени передачи и получения напрямую влияет на точность распределения часов. Sync , Delay_Req , Pdelay_Req и Pdelay_resp - это сообщения о событиях . Общие сообщения являются более традиционными блоками данных протокола в том смысле, что данные в этих сообщениях важны для PTP, а их временные метки передачи и приема - нет. Announce , Follow_Up , Delay_Resp , Pdelay_Resp_Follow_Up, Управление и сигнализация сообщения являются членами общего класса сообщений. [8] : Пункт 6.4

Транспорт сообщений [ править ]

Сообщения PTP могут использовать протокол дейтаграмм пользователя через Интернет-протокол (UDP / IP) для транспортировки. IEEE 1588-2002 использует только транспорты IPv4 , [9] : Приложение D, но оно было расширено для включения IPv6 в IEEE 1588-2008. [8] : Приложение F В IEEE 1588-2002 все сообщения PTP отправляются с использованием многоадресной передачи сообщений, в то время как IEEE 1588-2008 представил возможность для устройств согласовывать одноадресную передачу на основе порта за портом. [8] : Пункт 16.1 При многоадресной передаче используется многоадресная IP-рассылка.адресация, для которой определены групповые адреса многоадресной рассылки для IPv4 и IPv6 (см. таблицу). [8] : Приложения D и E Сообщения о критических по 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. [ 8] : пункт 6.4

Адреса групп многоадресной рассылки
СообщенияIPv4IPv6IEEE 802.3 Ethernet [8] : Приложение F [c]
Все, кроме сообщений о задержке однорангового узла224.0.1.129 [д]FF0x :: 181 [e]01-1B-19-00-00-00 [ф]
Сообщения о задержке однорангового узла : Pdelay_Req , Pdelay_Resp и Pdelay_Resp_Follow_Up [g]224.0.0.107 [ч]FF02 :: 6B01-80-C2-00-00-0E

В IEEE 1588-2008 инкапсуляция также определена для DeviceNet , [8] : Приложение G ControlNet [8] : Приложение H и PROFINET . [8] : Приложение I

Домены [ править ]

Домен [i] - это взаимодействующий набор часов, которые синхронизируются друг с другом с помощью PTP. Часы назначаются домену на основании содержимого полей имени поддомена (IEEE 1588-2002) или domainNumber (IEEE 1588-2008) в сообщениях PTP, которые они получают или генерируют. Домены позволяют нескольким системам распределения часов использовать одну и ту же среду связи.

Содержимое поля имени поддомена ( IEEE 1588-2002 )Адрес многоадресной рассылки IPv4
( IEEE 1588-2002 ) [j]		domainNumber
( IEEE 1588-2008 )		Заметки
_DFLT224.0.1.1290Домен по умолчанию
_ALT1224.0.1.1301Альтернативный домен 1
_ALT2224.0.1.1312Альтернативный домен 2
_ALT3224.0.1.1323Альтернативный домен 3
Специфичные для приложения до 15 октетов [9] : пункт 6.2.5.1224.0.1.130, 131 или 132 в соответствии с хэш - функции от имени субдомена [9] : Приложение CС 4 по 127Пользовательские домены

Лучший алгоритм мастер-часов [ править ]

Лучший мастер синхронизация (ВМС) алгоритм выполняет распределенный выбор наилучшего кандидата часов на основе следующих свойств тактовых:

  • Идентификатор - универсальный уникальный числовой идентификатор часов. Обычно это строится на основе MAC-адреса устройства .
  • Качество - Обе версии IEEE 1588 пытаются количественно оценить качество синхронизации на основе ожидаемого отклонения синхронизации, технологии, используемой для реализации часов или местоположения в схеме слоя тактовых импульсов , хотя только V1 (IEEE 1588-2002) знает слой поля данных . PTP V2 (IEEE 1588-2008) определяет общее качество часов с помощью полей данных clockAccuracy и clockClass .
  • Приоритет - административно назначенная подсказка о приоритете, используемая BMC для помощи в выборе грандмастера для домена PTP. IEEE 1588-2002 использовал единственную логическую переменную для обозначения приоритета. IEEE 1588-2008 имеет два 8-битных поля приоритета.
  • Дисперсия - оценка стабильности часов, основанная на наблюдении за их характеристиками по отношению к эталону PTP.

IEEE 1588-2008 использует алгоритм иерархического выбора, основанный на следующих свойствах в указанном порядке: [8] : Рисунок 27

  1. Приоритет 1 - пользователь может назначить конкретный статический приоритет для каждого тактового сигнала, предварительно определив приоритет среди них. Меньшие числовые значения указывают на более высокий приоритет.
  2. Класс - каждые часы являются членом данного класса, каждый класс имеет свой собственный приоритет.
  3. Точность - точность между часами и временем по Гринвичу в наносекундах (нс)
  4. Дисперсия - изменчивость часов
  5. Приоритет 2 - окончательно определенный приоритет, определяющий порядок резервного копирования в случае, если другие критерии были недостаточны. Меньшие числовые значения указывают на более высокий приоритет.
  6. Уникальный идентификатор - выбор на основе MAC-адреса используется в качестве разрешения конфликтов, когда все остальные свойства равны.

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

Свойства часов объявляются в сообщениях Sync IEEE 1588-2002 и сообщениях Announce IEEE 1588-2008 . Текущий мастер часов передает эту информацию через равные промежутки времени. Часы, которые считают себя лучшими ведущими часами, будут передавать эту информацию, чтобы вызвать смену основных часов. Как только текущий мастер распознает лучшие часы, текущий мастер прекращает передавать сообщения Sync и связанные с ними свойства часов ( сообщения Announce в случае IEEE 1588-2008), и лучшие часы становятся мастером. [10] Алгоритм BMC учитывает только самопровозглашенное качество тактовых импульсов и не принимает во внимание качество сетевого соединения. [11]

Синхронизация [ править ]

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

Часы определяют разницу между собой и своим хозяином. [12] Пусть переменная представляет физическое время. Для данного ведомого устройства временное смещение определяется следующим образом:

где представляет время, измеренное ведомыми часами в физическое время , и представляет время, измеренное ведущими часами в физическое время .

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

Механизм синхронизации IEEE 1588 и расчет задержки

Каждая передача начинается в момент времени с синхронизацией сообщением , отправленное мастером на все часы в домене. Часы, получающие это сообщение, принимают к сведению местное время при получении этого сообщения.

Затем мастер может отправить многоадресное сообщение Follow_Up с точной временной меткой. Не все мастера имеют возможность представлять точную метку времени в сообщении синхронизации . Только после завершения передачи они могут получить точную метку времени для передачи Sync со своего сетевого оборудования. Мастера с этим ограничением используют сообщение Follow_Up для передачи . Мастера с возможностями PTP, встроенными в их сетевое оборудование, могут представлять точную временную метку в сообщении Sync и не должны отправлять сообщения Follow_Up.

Чтобы точно синхронизироваться со своим главным устройством, часы должны индивидуально определять сетевое время прохождения сообщений Sync . Время прохождения определяется косвенно путем измерения времени прохождения сигнала туда и обратно от каждых часов до их главного устройства. Часы инициируют обмен со своим ведущим устройством, предназначенным для измерения времени прохождения . Обмен начинается с того, что часы посылают мастеру сообщение Delay_Req . Мастер принимает и временные метки в Delay_Req во время и реагирует с Delay_Resp сообщением. Мастер включает метку времени в сообщение Delay_Resp .

С помощью этих обменов часы узнает , , и .

Если - время прохождения для сообщения Sync и постоянное смещение между ведущими и ведомыми часами, то

Комбинируя два приведенных выше уравнения, получаем, что

Часы теперь знают смещение во время этой транзакции и могут корректировать себя на эту величину, чтобы согласовать его со своим хозяином.

Одно предположение состоит в том, что этот обмен сообщениями происходит в течение столь малого периода времени, что это смещение можно безопасно считать постоянным в течение этого периода. Другое предположение состоит в том, что время передачи сообщения, идущего от ведущего устройства к ведомому, равно времени передачи сообщения, идущего от ведомого устройства к ведущему. Наконец, предполагается, что и ведущий, и ведомый могут точно измерить время отправки или получения сообщения. Степень, в которой эти предположения верны, определяет точность часов на ведомом устройстве. [8] : Пункт 6.2

Дополнительные функции [ править ]

Стандарт IEEE 1588-2008 перечисляет следующий набор функций, которые реализации могут выбрать для поддержки:

  • Альтернативная шкала времени
  • Кластер Великого Мастера
  • Мастера одноадресной рассылки
  • Альтернативный Мастер
  • Трассировка пути

Связанные инициативы [ править ]

  • Международный симпозиум IEEE по точности синхронизации часов для измерения, управления и связи (ISPCS) является IEEE организовано ежегодное мероприятие , которое включает в себя plugtest и программу конференции с бумажными и стендовых презентаций, учебных пособий и дискуссий , охватывающих несколько аспектов PTP [13]
  • Институт встраиваемых систем (InES) Цюрихского университета прикладных наук / ZHAW занимается практической реализацией и применением PTP.
  • IEEE 1588 - ключевая технология в стандарте LXI для обмена данными и управления для тестирования и измерений.
  • IEEE 802.1AS-2011 является частью группы стандартов IEEE Audio Video Bridging (AVB), расширенной рабочей группой IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN). Он определяет профиль для использования IEEE 1588-2008 для синхронизации времени через виртуальную мостовую локальную сеть (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 временного домена PTP. [14]
  • SMPTE 2059-2 - это профиль PTP для использования при синхронизации систем вещания [15]
  • Стандарт совместимости аудиосети AES67 включает профиль PTPv2, совместимый с SMPTE ST2059-2. [16]
  • Dante использует PTPv1 для синхронизации. [17]
  • Q-LAN [18] и RAVENNA [17] используют PTPv2 для синхронизации времени.
  • Проект White Rabbit объединяет синхронный Ethernet и PTP
  • Отраслевой профиль протокола точного времени Профили PTP (L2P2P и L3E2E) для промышленной автоматизации в соответствии с IEC 62439-3
  • IEC / IEEE 61850-9-3 Профиль PTP для автоматизации подстанции, принятый в IEC 61850
  • Протокол параллельного резервирования использование профилей PTP (L2P2P и L3E2E) для промышленной автоматизации в параллельных сетях
  • PTP изучается для применения в качестве безопасного протокола синхронизации времени в глобальном мониторинге энергосистем [19]

См. Также [ править ]

  • Список реализаций PTP

Заметки [ править ]

  1. ^ Возможность профилей в соответствии с IEEE 1588-2008 позволяет использовать эпохи для конкретных приложений. [8] : Приложение B
  2. ^ В IEEE 1588-2002 информация, переносимаясообщениями Announce, переносится всообщениях Sync . В IEEE 1588-2008сообщение Sync было оптимизировано, и эта информация больше не передается здесь.
  3. ^ PTP через IEEE 802.3 Ethernet использует Ethertype 0x88F7
  4. ^ Домены, отличные от IEEE 1588-2002, используют адреса назначения с 224.0.1.130 по 224.0.1.132 (см. # Домены ).
  5. ^ Где x - это область адреса (2 для локального канала) согласно RFC 2373 (см. Многоадресный адрес IPv6 )
  6. ^ В некоторых приложениях PTP разрешается отправлять все сообщения PTP на номер 01-1B-19-00-00-00.
  7. ^ Сообщения задержки однорангового узла предназначены для передачи непосредственно подключенному соседу. Адреса многоадресной рассылки для этих сообщений предназначены для локального канала по объему и не проходят через маршрутизатор . IEEE 1588-2008 также рекомендует установить время жизни на 1 (IPv4) или ограничениепереходовна 0 (IPv6) в качестве дополнительной гарантии того, что сообщения не будут маршрутизироваться.
  8. ^ Обмен сообщениями о задержке однорангового узла отсутствует в IEEE 1588-2002.
  9. ^ IEEE 1588-2002 определяет домен как любой взаимосвязанный набор часов (независимо от того, синхронизированы ли они друг с другом) и использует субдомен для обозначения того, что известно как домен в IEEE 1588-2008.
  10. ^ IEEE 1588-2008 использует 224.0.1.129 в качестве адреса для всех многоадресных сообщений.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Eidson, Джон (10 октября 2005). «Стандарт IEEE-1588 для протокола точной синхронизации часов для сетевых систем измерения и управления, учебное пособие» (PDF) . Национальный институт стандартов и технологий (NIST).
  2. ^ Eidson, Джон К. (апрель 2006). Измерение, управление и обмен данными с использованием IEEE 1588 . Springer . ISBN 978-1-84628-250-8.
  3. ^ Eidson, Джон (2 октября 2006). «Стандартная версия 2 IEEE 1588 - Учебное пособие» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 31 марта 2010 года . Проверено 12 июня 2008 года .
  4. ^ «1588-2019 - Утвержденный IEEE проект стандарта для протокола точной синхронизации часов для сетевых систем измерения и управления» . IEEE . Дата обращения 15 февраля 2020 .
  5. ↑ Дуглас Арнольд (24 сентября 2017 г.). "Что будет в следующем выпуске IEEE 1588?" . Дата обращения 15 февраля 2020 .
  6. ^ «Значения общих терминов, используемых в IEEE 1588» . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано из оригинального 27 мая 2010 года . Проверено 19 мая 2006 года .
  7. ^ "AN-1838 IEEE 1588 Boundary Clock и Transparent Clock Реализация с использованием DP83640" (PDF) . ti.com . Техасские инструменты . Проверено 17 июля 2019 .
  8. ^ Б с д е е г ч я J K L IEEE 1588-2008 , IEEE , 24 июля 2008, DOI : 10,1109 / IEEESTD.2008.4579760 , ISBN 978-0-7381-5400-8
  9. ^ Б с IEEE 1588-2002 , IEEE , 8 ноября 2002, DOI : 10.1109 / IEEESTD.2002.94144 , ISBN 978-0-7381-3369-0
  10. ^ Ватт, Стив Т .; Ачанта, Шанкар; Абубакари, Хамза; Саген, Эрик (март 2014 г.), Понимание и применение протокола точного времени (PDF) , получено 9 сентября 2017 г.
  11. ^ Технический персонал FSMLabs (сентябрь 2015 г.), Smart and Dumb PTP Client и «так называемый» алгоритм Best Master Clock , получено 17 мая 2018 г.
  12. ^ Международный стандарт IEC 61588: Протокол точной синхронизации часов для сетевых систем измерения и управления. 2004 г.
  13. ^ Сайт ISPCS
  14. ^ Джеффри М. Гарнер (28 мая 2010 г.), IEEE 802.1AS и IEEE 1588 (PDF)
  15. ^ SMPTE публикует первые две части стандарта, позволяющего развертывать оборудование с синхронизацией по времени PTP на существующих установках SDI , Общество инженеров кино и телевидения , 13 апреля 2015 г. , получено 21 мая 2015 г.
  16. ^ AES-R16-2016: Отчет о стандартах AES - параметры PTP для взаимодействия AES67 и SMPTE ST 2059-2 , Audio Engineering Society , 2 мая 2016 г.
  17. ^ a b https://www.smpte.org/sites/default/files/users/user27446/AES67%20for%20Audio%20Production-Background%20Applications%20and%20Challenges.pdf
  18. ^ «Протокол синхронизации PTPv2 в AV-сетях» . Люминекс. 6 июня 2017 г. Q-LAN обновился до PTPv2 примерно два года назад.
  19. ^ Пепичелло, Антонио; Ваккаро, Альфредо (17 декабря 2018 г.), «Надежная архитектура, основанная на протоколе точного времени для синхронизации WAMPAC», Международная ежегодная конференция AEIT 2018 , IEEE , стр. 1–5, doi : 10.23919 / AEIT.2018.8577414 , ISBN 978-8-8872-3740-5, S2CID  58819556

Внешние ссылки [ править ]

  • Сайт NIST IEEE 1588
  • Документация PTP в ИнЭС
  • PTP и синхронизация мобильных сетей LTE
  • PTP объясняется с точки зрения установки / обслуживания
  • Техническая документация Hirschmann PTP
  • Обзор PTP в Руководстве по настройке программного обеспечения коммутатора Cisco CGS 2520
  • Перспективы и приоритеты RuggedCom Smart Grid Research Технологии IEC 61850
  • Проекты с решением для умных подстанций
  • МакГи, Джим; Goraj, Мацей (2010), "ПС Смарт высокого напряжения , на основе IEC 61850 Process Bus и IEEE 1588 Синхронизация времени", 2010 Первая IEEE Международная конференция по смарт - сетки связи , С. 489-494,. Дои : 10,1109 / SMARTGRID.2010.5622092 , ISBN 978-1-4244-6510-1, S2CID  30638718
  • Инграм, DME; Кэмпбелл, округ Колумбия; Schaub, P .; Ледвич, GF (2011). «Система тестирования и оценки мультипротокольных схем защиты выборочных значений» . Труды IEEE PES Trondheim PowerTech 2011 . Тронхейм, Норвегия: IEEE: 1–7. DOI : 10.1109 / PTC.2011.6019243 . ISBN 978-1-4244-8419-5. S2CID  42991214 .
  • Проект Белый Кролик PTP
  • Протокол точного времени IEC и IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.]
  • Учебное пособие по профилям отказоустойчивого протокола точного времени в МЭК 62439-3 [ мертвая ссылка ]
  • МЭК 62439-3 Приложения 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