PTP技術分析與應用

程翰林

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著通信技術的發展，未來的網絡和業務（比如移動多媒體，數字化家庭等）將向全IP化趨勢發展。在融合的背景下，建網模式逐步統一，電信級以太網/分組傳輸網（PTN）將會扮演關鍵的角色。

以太網以其應用領域廣、產品豐富和性價比高等優勢成為承載網IP化的主要發展方向。但用其承載電信級業務還存在一些問題，高質量的同步便是首先需要解決的關鍵問題。這種同步需求具體來說有兩個方面：一方面新網絡要兼容傳統的TDM業務，這就需要為TDM業務提供時鐘恢復，使其在穿越分組網絡后仍滿足所需性能指標；另一方面，分組網絡也要像TDM網絡一樣,提供高精度的網絡參考時鐘,滿足網絡和終端節點的同步需求。

針對這些技術難題，國際上各個標準化組織都在積極研究新標準的解決方案。其中，IEEE1588標準以其高精度、低成本等特點成為一種有效的解決方案。IEEEl588標準的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”，簡稱為PTP（精密時間協議）。它最初起源于安捷倫公司，后經多次修改，國際電氣和電子工程師協會（IEEE）于2002年11月正式發布了其1.0版本。最初IEEE1588標準主要用于工業自動化、精密控制及測量等方面。隨著精確定時的廣泛應用，PTP技術的應用范圍越來越廣，逐漸擴大到電信、網絡、航空、電力等各個領域，并于2008年4月發布了其2.0版本[1]。新版本提高了精度并降低了實現難度，更具實用性。該協議標準能夠運行在所有支持多播的網絡上，因此特別適合應用于以太網中，為其提供高精度的時鐘同步。

1 同步原理

PTP協議的基本原理是：主從時鐘之間周期性的進行同步信息的交換，同時精確捕獲信息包的發出和接收時間，并“加蓋”時間戳（time stamp）信息。一旦從時鐘接收到同步信息包，便可從中提取出時戳信息，并據此計算出自己與主時鐘的時差以及網絡中的傳輸延時，從而進行本地時鐘校準[2]。

為了描述和管理時間信息，IEEE1588標準定義了4種同步信息報文：同步報文（Sync）、跟隨報文（Fol?low_Up）、延遲請求報文（Delay_Req）、延遲應答報文（De?lay_Resp）。報文有一般報文和事件報文兩種類型。跟隨報文和延遲應答報文屬于一般報文，一般報文本身不進行時戳處理，它可以攜帶事件報文的準確發送或接收時刻值信息。同步報文和延遲請求報文屬于事件報文，事件報文是時間敏感消息，需要加蓋精確的時間戳。

PTP協議的同步過程分為偏移測量和延遲測量兩個階段。同步開始時，同步域的所有時鐘運行一次最佳主時鐘算法（BMC）確定自己的狀態，從而確定域中的主時鐘。隨后，周期得進行主從時鐘間的偏移測量和延遲測量，校正時差，實現主從時鐘同步。如圖1所示，下面詳細說明。

1.1 偏移測量階段

偏移測量階段用來修正主時鐘和從時鐘之間的時差。在此過程中，主時鐘按照預設的時間間隔（缺省是2 s）周期性地以廣播的形式向從時鐘發出同步報文（Sync）。其中包含了一個時間戳，這個時間戳并不是同步報文發出的精確時間，而只是一個預計時間。同步報文發出的同時，主時鐘測量出發送的準確時刻值T1；從時鐘收到同步報文的同時，記錄接收的準確時刻值T2。由于同步報文中包含的是發出時刻的估計值而不是真實值，所以主時鐘隨后發出一個跟隨報文（Follow_Up），里面準確地記載了同步報文的真實發出時刻T1。這樣，從時鐘收到跟隨報文后，只需提取出其中的時戳值T1，并結合自己剛才記錄的T2，便可計算出與主時鐘之間的偏移（Offset）為

式中，Delay指的是主時鐘與從時鐘之間的傳輸延遲時間，從時鐘通過自身減去Offset以修正時偏。如果此時主從間延遲為0，則主從時鐘就已經同步了；如果存在延遲，則需要在下面的延遲測量階段測出。

1.2 延遲測量階段

延遲測量階段用來測量網絡傳輸帶來的的延遲時間Delay，并帶入式（1）中，在下一次偏移測量階段進行修正。為了測量網絡的傳輸延遲，IEEE 1588標準定義了一個延遲請求報文（Delay_Req）。從時鐘在進行偏移測量后，間隔一個隨機時間發出延遲請求報文，同時記錄精確的發出時刻值T3。主時鐘收到延遲請求報文時，記錄精確的接收時刻值T4，并裝載在隨后的延遲響應報文（Delay_Resp）中發送給從時鐘，據此從時鐘就可以算出網絡延時（Delay）為

從時鐘修正了網絡延遲后，便完成了與主時鐘的同步。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進行的，其測量間隔時間（缺省值是4～60 s之間的隨機值）比偏移測量間隔時間要大。這樣減少了網絡中用于同步的數據流量，大大減輕了網絡設備和終端設備的負擔。需要說明的是，在這個測量過程中，假設傳輸介質均勻，網絡延遲時間是對等的。

2 幾種同步技術比較

2.1 NTP技術

NTP（Network Time Protocol）標準由美國特拉華州大學的D.L.Mills教授于1985年提出。它采用分組協議數據單元作為時鐘或時間信息的載體，實現了Internet上用戶與時間服務器之間的同步。最新的版本支持IPv6和服務器動態發現機制。

NTP是從時間協議（Time Protocol）和ICMP時間戳報文（ICMP Timestamp Message）演變而來，主要在準確性和強壯性等方面進行了特殊設計。NTP協議基于IP和UDP，也可以被其他協議組使用。由于采用了分組協議方式，NTP可以運行在以太網中，分享以太網的優勢，而不需要額外部署專用時間同步網。同步精度：局域網內為10 μs～10 ms，Internet內為100～1 000 ms，能滿足多數應用的同步需求。

2.2 IRIG技術

IRIG（Inter Range Instrumentation Group）標 準 由IRIG組織于1956年開發，分為A，B，D，E，G和H幾種，常用的是IRIG－B。其傳輸介質可用雙絞線或同軸電纜。自20世紀50年代以來，基于IRIG標準的技術為很多“同步敏感”應用提供了良好的服務。相對于NTP，IRIG有更高的精度，1～10 μs，能滿足更多應用的需求。在IRIG系統中，有一個時間源，它直接從GPS接收機獲得精確時間信息，并將其轉換成IRIG時間代碼分發給系統中各個節點，以實現各個設備之間的精確同步。

IRIG需要利用專用網進行同步消息分發，而不能像NTP那樣利用以太網，這就帶來了很多弊端。一方面，額外部署IRIG專網勢必要增加成本；另一方面，專用網要把現有分組網的拓撲結構再復制一遍，這些電纜會占用額外空間并增加額外重量，不利于部署在艦船等對空間、質量敏感的環境中。

2.3 全球定位系統GPS

GPS（Global Positioning System）全球定位系統由美國歷時20年，耗資200億美元，于1994年建成。具有全能性、全球性、全天候等特點，能提供精密的導航和定時信息。每顆GPS衛星都攜帶一個銫原子鐘，為授時提供了高精度的時鐘系統，可以同時解決時鐘的頻率同步和相位同步，因此，被大量應用在目前的IP RAN（移動接入網）網絡中，作為時鐘同步源，能夠滿足精度要求。同時，GPS也可為以太網承載網提供參考時鐘源。但GPS的使用存在一些問題:一是成本較高，二是存在軍事風險。另外，在室內環境或者某些受到遮蔽的環境接收不到清晰的GPS信號，從而會影響同步精度。

2.4 PTP技術

和NTP類似，PTP同樣采用分組協議方式實現，因此能運行在以太網中，保留了NTP的優勢。PTP的實現不限于某種網絡協議，能運行在任何支持多播的網絡中。其同步精度受多方面因素影響，因此在實際網絡部署中要綜合考慮。目前，在純以太網交換機組成的測試環境中，可達亞微秒級的精度;在有邊界時鐘或透明時鐘等中間節點支持下，可達到20～100 ns的精度范圍。可以滿足電信級以太網的時鐘同步需求[3－4]。

和IRIG相比，避免了部署專線的額外成本、空間和質量的開支，并且能達到更高的精度——亞微秒級精度。和GPS相比，減少軍事風險，降低成本，并且不受環境限制，成為GPS的有效替代。因此，可以看出PTP技術有很大的優勢，是電信級以太網時鐘同步技術主要的發展方向之一。

3 PTP技術的應用

3.1 應用方案

基于IP的分組傳送網，能夠勝任傳送高質量復雜業務的工作，將成為未來統一承載網的最佳選擇。而同步是保證網絡性能的必要手段，因此研究分組網絡的同步意義非凡。隨著通信技術的發展，一些新應用對同步精度的需求不斷提高，達到了亞微秒級。比如：民用移動通信中TD－SCDMA系統；軍用通信中用于導彈發射的遙控遙測系統和艦船雷達系統等。

這些時間敏感應用目前多采用GPS授時方式，而在上一節中也提到了GPS方案存在一些弊端（成本、安全性、環境），PTP技術的出現，可以很好地解決這一問題。PTP技術協議簡單、容易實現，目前逐步在需要高精度時鐘同步的領域得到應用，成為GPS的有效替代，為分組網中實現精確時鐘同步提供了全新解決方案[5]。

PTP技術特點：1）同步精度高，可達亞微秒級；2）支持時間同步和頻率同步；3）有效緩解網絡延遲抖動引起的非對稱性影響；4）統一的業界標準。

將PTP技術應用于分組網絡中，就可以通過現有的地面分組網絡傳遞高精度的時間信息，具體解決思路如圖2所示。首先需要在網絡的某個節點處部署支持IEEE1588協議的主時鐘服務器，然后把網絡中所有時間敏感應用設備均配置成PTP從節點。主時鐘服務器通過GPS接收器獲得精確時間，并在網絡中分發帶有時間信息的PTP報文，報文經過網絡中的邊界時鐘BC和透明時鐘TC達到各個PTP從節點；從節點通過不斷與主節點交換同步報文，獲得時間信息并校正本地時間，實現與主節點的同步，最終達到所有節點之間的時間同步。

3.2 時鐘設備模型

由圖2可見，在IEEE1588協議中規定了三種時鐘設備模型[6]：普通時鐘（OC）和邊界時鐘（BC）和透明時鐘（TC）。

普通時鐘（OC）：通常是一個單端口設備，主時鐘和從時鐘屬于普通時鐘。它直接和應用相連，為應用提供精確定時。

邊界時鐘（BC）：通常為多端口設備，運行在網絡中的路由器、網橋等網絡連接設備中，實現不同PTP網絡區域的橋接。其中一個端口作為從端口，與上級主時鐘同步；其他端口作為主端口，為下級從時鐘分發同步消息。

透明時鐘（TC）：也是一個多端口設備，作為執行邊界時鐘的多端口設備的一種替代。所不同的是，透明時鐘沒有主從端口之分，不作本地時鐘同步，只是轉發PTP包，同時對PTP報文進行校正。透明時鐘能記錄報文通過其傳輸帶來的滯留時間，并累加到報文的“時間修正”字段。因此消除了由設備存儲－轉發數據包而帶來的延時，使消息能在設備上透明傳輸。

3.3 靈活的PTP部署

在分組網中，PTP包融入普通數據包流中傳輸，通過各個網絡節點。未裝載IEEE1588協議的非PTP節點并不會阻斷PTP包的傳輸，這就大大增加了網絡設計師部署PTP節點的靈活性，網絡設計師可以根據同步需求情況，靈活地部署PTP節點使其達到最優化。

首先，在有同步需求的地方部署PTP主節點（其內置主時鐘直接接收GPS的授時），主節點應盡可能接近有同步敏感應用的從結點，以提高精度。

然后，進行PTP中間節點的部署。每個PTP節點一般都帶有PPS（秒脈沖信號）輸出功能，通過測量主從節點PPS信號的差異就可以得知主從時鐘的同步情況。根據同步需求和PPS的測試結果，逐步把網絡中的普通節點（沒裝有IEEE1588協議的路由器、交換機、集線器或網橋等）替換為PTP邊界時鐘或透明時鐘，逐步提高同步精度，最終達到精度要求（精確度均值和標準偏差降到可接受的限度內），就完成了PTP的部署。需要特別注意的是，在某些節點，數據量大，引起了PTP包和普通數據包的激烈競爭，大大增加了PTP包的傳輸延時抖動，對這些節點要優先進行PTP部署。

另外，當從節點數量增加時，某些遠端從節點精度達不到要求時，可考慮在適當的位置部署PTP主節點，同時增加邊界時鐘和透明時鐘。而當某些從節點因應用改變而降低同步需求時，又可把某些PTP節點換回普通節點。可見PTP部署是十分靈活的。

PTP技術基于廣播包分發同步的方式，使其非常適用于分組網絡應用，能方便靈活地在基于IP的分組傳送網中部署。隨著通信領域IP化的進程，PTP技術在保留基于IP的分組網本身的低成本靈活性等優勢的前提下，能有效減少系統對GPS的依賴，大大降低網絡部署成本和地域性限制，同時滿足網絡對時間同步精度的需求。

4 結語

精確的時間和頻率信息對于通信系統各種應用十分重要。IP化是大勢所趨，傳統的IP網，其物理鏈路中不具備有效的定時傳送機制，無法直接通過簡單的方式恢復高精度的定時信息。阻礙了全網IP化的進程。PTP技術基于分組協議方式實現，可方便地運行在基于IP的分組傳輸網中。它在提高同步精度上進行了很多改進，降低了網絡延遲抖動引起的非對稱性影響。并同時提供頻率同步和時間同步信息，精度可達亞微秒級，滿足網絡高質量的同步需求。其應用部署靈活，低成本，成為GPS的有效替代解決方案，為全網IP化掃清了障礙。

[1] IEEE 1588－2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].[S.l.]：IEEE Press，2008.

[2] 方強 .PTP技術分析[J].無線電工程，2010，40（2）：61－64.

[3] 徐榮，胡昌軍.分組網中的IEEE1588v2同步技術及應用[J].電信網技術，2009，8（8）：8－11.

[4] 王相周，陳華嬋.IEEE1588精確時間協議的研究與應用[J].計算工程與設計，2009，30（8）：1846－1849.

[5] 劉端鎖，龍滬強，歸琳，等.鐵路電視SFN系統時鐘饋送和恢復方法技術研究[J].電視技術，2009，33（1）：16－17.

[6] 于會游，周春暉，許希斌.分組通信網絡時鐘同步研究及性能仿真[J].計算機仿真，2009，26（5）：173－178.