IEEE 1588：电信网络的精确时间协议 (PTP)

IEEE 1588 PTP 概述

PTP 是一种基于网络的时间同步协议，但PTP网络并非追求毫秒级同步，而是力求实现纳秒甚至皮秒级同步。同步对于电信网络节点而言至关重要，节点可以处于自由运行、频率锁定、相位锁定、保持等状态，如下图所示。

PTP 协议特征

PTP标准最初于 2002 年定义。
该标准的第二个版本和当前版本于 2008 年发布，被称为“ IEEE 1588-2008 ”，即网络测量和控制系统的精密时钟同步协议 IEEE 标准
PTP 时间戳如此准确，是因为它使用硬件时间戳而不是软件，并且 PTP 设备专用于一个特殊用途：保持设备同步。
PTP网络具有更精确的时间分辨率，与NTP不同
PTP 设备实际上会对同步消息在每个设备中所花费的时间进行时间戳记，这解释了设备延迟。
它基于主从概念，从节点尝试遵循主节点的时间
它有两种口味： 1 步和 2 步

同步类型

IEEE 1588 PTP 可用于实现电信网络中以下类型的同步：

频率同步：网络中的节点具有 48 位，特别是 32 位时间以相同的速率变化，而不必关心 48/32 位值是什么。电信应用最初仅使用IEEE 1588来分配频率。
相位同步：网络中的节点不仅 48/32 位时间以相同速率变化，而且至少秒边界时间也同时发生。也就是说，当纳秒时间滚动并增加秒时间时，所有节点都会同时执行此操作。这些节点可能不一定需要知道年、月、日和小时。
时间同步： 网络中的节点不仅频率和相位同步，而且还想知道年、月、日、时、秒以及纳秒。

IEEE 1588 PTP 角色

IEEE 1588 PTP 主要设计用于以下两个主要角色来分配时间：

主节点– 主节点角色将时间分配给从节点。主节点也可以是总主节点 (GM)，它从主要参考源（通常是 GPS 卫星信号）获取时间。
从属– 从属设备远离主设备并与其同步。

IEEE 1588 PTP 的工作原理

IEEE 1588 主节点定期向从属设备发送SYNC 消息。当 SYNC 消息离开主节点的物理接口时，它会在主节点中捕获运行时间戳，显示为T1 。在此处说明的 1-Step 模式中，主节点在 SYNC消息完全退出接口之前将消息中的“原始时间戳”字段设置为T1 。
从属节点接收SYNC 消息，并且其运行时间戳时钟捕获SYNC 消息开始到达其物理端口的 时间 ( T2 ) 。
尽管从节点可以使用 T2 将其时间戳时钟设置为主节点的时钟，但由于有线网络的传播延迟，这会使从节点的时钟处于不准确的状态。此外，
在开始阶段，从节点的时间戳时钟将比主节点的运行速度稍快或稍慢。下一个从节点节点将尝试将其时钟频率锁定在主节点的时钟上。在此阶段，从节点将只接收 SYNC 消息，直到它认为其时间戳时钟的变化速率与主节点的相同。
频率锁定后，从节点接下来将确定其自身与主节点之间的延迟。

从设备通过向主设备发送延迟请求消息来计算延迟。当消息开始从从设备的物理接口传输时，从设备的运行时间戳时钟用于捕获时间 ( T3 )，从设备在等待回复时存储此时间。
主设备接收延迟请求，并使用主设备运行的时间戳时钟捕获在其物理接口上开始接收消息的时间 (T4)。检索捕获的 T4 值后，主设备将很快向
从设备发送包含捕获的T4值的延迟响应。
从站接收DELAY RESPONSE消息并提取其中的T4值。
从设备可以计算反向延迟 ( T4-T3 )。然后，它可以调整其时间戳时钟以考虑线路延迟，至少在开始阶段是这样。经过几次迭代以确保反向延迟测量稳定后，从设备现在可以使用 ( T2-T1
) 的捕获来测量正向延迟。
最后，IEEE 1588 不是只使用反向延迟，而是在稳定状态下同时使用正向和反向路径延迟来计算线路延迟。此延迟称为平均路径延迟，计算方式为{(T4-T3) + (T2-T1)}/2。计算完成后，从设备将重新调整其时钟以与主设备的时钟保持一致，主设备现在已将线路延迟考虑在内

PTP 设备类型

在IEEE 1588系统中可以发现几种类型的时钟：

主时钟（MC）：主时钟为下游侧共置的从属时钟提供准确的时间戳。
主时钟 (GM)：主时钟是位于根时钟的主时钟，因此是时钟参考，将时间信息传输到其段的时钟。写入时间戳并响应来自其他时钟的时间请求
透明时钟 (TC)：透明时钟通过 PTP 消息传递，在校正字段中添加数据包在设备中传输所花费的时间。写入校正
边界时钟 (BC)：边界时钟具有多个网络连接，可作为上游从属时钟和下游主时钟。然后，它将同步从一个段桥接到另一个段。读/写时间戳
普通时钟 (OC)：这是一种具有单端口连接的时钟设备，可以根据其在网络中的位置扮演主设备或从设备的角色。读/写时间戳。

PTP 消息类型

PTP 消息有两种类型，即事件消息和通用消息。事件消息是时间关键型的，而通用消息则不是。

事件消息

00xH Sync：主机用它来传达时间。
01xH 延迟请求： —从机将此消息发送给主机并用于测量延迟。
02xH Pdelay 请求：用于 IEEE 1588 设备之间测量传入链路的延迟。仅在使用对等延迟机制时使用。
03xH Pdelay 响应：用于 IEEE 1588 设备之间测量传入链路的延迟。仅在使用对等延迟机制时使用。

一般信息

08xH 后续：主机使用它来传达已发送 SYNC 消息的已捕获时间戳。在 2 步模式下，它用于发送较早捕获的 SYNC 消息的时间戳。
09xH 延时响应：用于主机与从机之间使用端到端延时机制测量延时，主机以此来响应从机。
0axH Pdelay 响应跟进：用于 IEEE 1588 设备之间测量传入链路的延迟。仅在使用 2 步模式的对等延迟机制时使用。
0bxH Announce：由本地时钟端口发送和接收，包含各种信息。它可用于确定从几个可能的 Master 中选出哪一个作为最佳 Master。它还可用于 Master 和 Slave 之间协商单播服务
0cxH 信令：时钟使用它来传达诸如发送消息的频率、支持单播服务而不是多播等信息。
0dxH 管理：用于管理设备和时钟之间

PTP 时钟类规范

类别越低，主时钟越好，其值可以是 0 到十进制的 255

时钟类别 6：与主参考时钟锁定
时钟等级 7： PRC 已解锁但仍符合规格
时钟类 13：锁定到应用程序特定的时间尺度
时钟类 14：从应用程序特定时间解锁，但在规范中
时钟类 52，187：主参考时钟，未锁定且不符合规格
时钟类 52、193：特定应用程序未锁定且超出规格
时钟类 248： 如果没有其他适用，则为默认值
时钟类别 255：仅从属时钟

PTP 配置文件

IEEE 1588标准以配置文件的形式提供配置选项的自定义规范。这允许其他标准组织使用IEEE 1588作为更具体的时钟同步标准的一般基础。在下面的每个配置文件部分中，列出了几个配置选项。

默认配置文件
IEEE 1588 标准包括两个默认配置文件，每个延迟测量机制一个。
延迟请求-响应配置文件（对应于端到端延迟测量）
域 0、宣布间隔 1（范围 0-4）、同步间隔 0（-1 到 1）、Delay_Req 间隔 0（0-5）、
宣布超时 3（2-10）、优先级 1 128、优先级 2 128。
路径延迟测量机制：默认为延迟请求-响应 (e2e)。还允许对等延迟
。每个通信路径仅限于一种机制。
点对点配置文件（对应于点对点延迟测量）
与上文相同，但路径延迟测量机制默认为对等延迟（
允许延迟请求-响应）。此外，Pdelay_Req 间隔 0（0-5）。
电力分布 (IEEE PC37.238)
适用于可能相距较远的变电站内和变电站之间。
传输：第 2 层，多播
域 0、宣布间隔 0、同步间隔 0、Pdelay_Req 间隔 0、宣布超时 3（对于首选大师为 2）、优先级 1 128、优先级 2 128（对于仅从属时钟为 255）。
路径延迟测量机制：仅限对等延迟（p2p）
建议一步到位
电信配置文件 (ITU G.8265.1)
传输：第 3 层，单播
域：4，宣布超时2
路径延迟测量机制：延迟请求-响应（e2e）
gPTP 默认（IEEE 802.1AS）
这实际上不是一个 1588 配置文件，但基于 IEEE 1588 的 802.1AS 与 1588 配置文件相当。
传输：第 2 层、组播（WLAN 中的单播）
Pdelay_Req 间隔 0
路径延迟测量机制：仅限对等延迟（p2p）
两步