PTP技术分析与应用

程翰林

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

0 引言

随着通信技术的发展，未来的网络和业务（比如移动多媒体，数字化家庭等）将向全IP化趋势发展。在融合的背景下，建网模式逐步统一，电信级以太网/分组传输网（PTN）将会扮演关键的角色。

以太网以其应用领域广、产品丰富和性价比高等优势成为承载网IP化的主要发展方向。但用其承载电信级业务还存在一些问题，高质量的同步便是首先需要解决的关键问题。这种同步需求具体来说有两个方面：一方面新网络要兼容传统的TDM业务，这就需要为TDM业务提供时钟恢复，使其在穿越分组网络后仍满足所需性能指标；另一方面，分组网络也要像TDM网络一样,提供高精度的网络参考时钟,满足网络和终端节点的同步需求。

针对这些技术难题，国际上各个标准化组织都在积极研究新标准的解决方案。其中，IEEE1588标准以其高精度、低成本等特点成为一种有效的解决方案。IEEEl588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，简称为PTP（精密时间协议）。它最初起源于安捷伦公司，后经多次修改，国际电气和电子工程师协会（IEEE）于2002年11月正式发布了其1.0版本。最初IEEE1588标准主要用于工业自动化、精密控制及测量等方面。随着精确定时的广泛应用，PTP技术的应用范围越来越广，逐渐扩大到电信、网络、航空、电力等各个领域，并于2008年4月发布了其2.0版本[1]。新版本提高了精度并降低了实现难度，更具实用性。该协议标准能够运行在所有支持多播的网络上，因此特别适合应用于以太网中，为其提供高精度的时钟同步。

1 同步原理

PTP协议的基本原理是：主从时钟之间周期性的进行同步信息的交换，同时精确捕获信息包的发出和接收时间，并“加盖”时间戳（time stamp）信息。一旦从时钟接收到同步信息包，便可从中提取出时戳信息，并据此计算出自己与主时钟的时差以及网络中的传输延时，从而进行本地时钟校准[2]。

为了描述和管理时间信息，IEEE1588标准定义了4种同步信息报文：同步报文（Sync）、跟随报文（Fol⁃low_Up）、延迟请求报文（Delay_Req）、延迟应答报文（De⁃lay_Resp）。报文有一般报文和事件报文两种类型。跟随报文和延迟应答报文属于一般报文，一般报文本身不进行时戳处理，它可以携带事件报文的准确发送或接收时刻值信息。同步报文和延迟请求报文属于事件报文，事件报文是时间敏感消息，需要加盖精确的时间戳。

PTP协议的同步过程分为偏移测量和延迟测量两个阶段。同步开始时，同步域的所有时钟运行一次最佳主时钟算法（BMC）确定自己的状态，从而确定域中的主时钟。随后，周期得进行主从时钟间的偏移测量和延迟测量，校正时差，实现主从时钟同步。如图1所示，下面详细说明。

1.1 偏移测量阶段

偏移测量阶段用来修正主时钟和从时钟之间的时差。在此过程中，主时钟按照预设的时间间隔（缺省是2 s）周期性地以广播的形式向从时钟发出同步报文（Sync）。其中包含了一个时间戳，这个时间戳并不是同步报文发出的精确时间，而只是一个预计时间。同步报文发出的同时，主时钟测量出发送的准确时刻值T1；从时钟收到同步报文的同时，记录接收的准确时刻值T2。由于同步报文中包含的是发出时刻的估计值而不是真实值，所以主时钟随后发出一个跟随报文（Follow_Up），里面准确地记载了同步报文的真实发出时刻T1。这样，从时钟收到跟随报文后，只需提取出其中的时戳值T1，并结合自己刚才记录的T2，便可计算出与主时钟之间的偏移（Offset）为

式中，Delay指的是主时钟与从时钟之间的传输延迟时间，从时钟通过自身减去Offset以修正时偏。如果此时主从间延迟为0，则主从时钟就已经同步了；如果存在延迟，则需要在下面的延迟测量阶段测出。

1.2 延迟测量阶段

延迟测量阶段用来测量网络传输带来的的延迟时间Delay，并带入式（1）中，在下一次偏移测量阶段进行修正。为了测量网络的传输延迟，IEEE 1588标准定义了一个延迟请求报文（Delay_Req）。从时钟在进行偏移测量后，间隔一个随机时间发出延迟请求报文，同时记录精确的发出时刻值T3。主时钟收到延迟请求报文时，记录精确的接收时刻值T4，并装载在随后的延迟响应报文（Delay_Resp）中发送给从时钟，据此从时钟就可以算出网络延时（Delay）为

从时钟修正了网络延迟后，便完成了与主时钟的同步。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间（缺省值是4～60 s之间的随机值）比偏移测量间隔时间要大。这样减少了网络中用于同步的数据流量，大大减轻了网络设备和终端设备的负担。需要说明的是，在这个测量过程中，假设传输介质均匀，网络延迟时间是对等的。

2 几种同步技术比较

2.1 NTP技术

NTP（Network Time Protocol）标准由美国特拉华州大学的D.L.Mills教授于1985年提出。它采用分组协议数据单元作为时钟或时间信息的载体，实现了Internet上用户与时间服务器之间的同步。最新的版本支持IPv6和服务器动态发现机制。

NTP是从时间协议（Time Protocol）和ICMP时间戳报文（ICMP Timestamp Message）演变而来，主要在准确性和强壮性等方面进行了特殊设计。NTP协议基于IP和UDP，也可以被其他协议组使用。由于采用了分组协议方式，NTP可以运行在以太网中，分享以太网的优势，而不需要额外部署专用时间同步网。同步精度：局域网内为10 μs～10 ms，Internet内为100～1 000 ms，能满足多数应用的同步需求。

2.2 IRIG技术

IRIG（Inter Range Instrumentation Group）标 准 由IRIG组织于1956年开发，分为A，B，D，E，G和H几种，常用的是IRIG－B。其传输介质可用双绞线或同轴电缆。自20世纪50年代以来，基于IRIG标准的技术为很多“同步敏感”应用提供了良好的服务。相对于NTP，IRIG有更高的精度，1～10 μs，能满足更多应用的需求。在IRIG系统中，有一个时间源，它直接从GPS接收机获得精确时间信息，并将其转换成IRIG时间代码分发给系统中各个节点，以实现各个设备之间的精确同步。

IRIG需要利用专用网进行同步消息分发，而不能像NTP那样利用以太网，这就带来了很多弊端。一方面，额外部署IRIG专网势必要增加成本；另一方面，专用网要把现有分组网的拓扑结构再复制一遍，这些电缆会占用额外空间并增加额外重量，不利于部署在舰船等对空间、质量敏感的环境中。

2.3 全球定位系统GPS

GPS（Global Positioning System）全球定位系统由美国历时20年，耗资200亿美元，于1994年建成。具有全能性、全球性、全天候等特点，能提供精密的导航和定时信息。每颗GPS卫星都携带一个铯原子钟，为授时提供了高精度的时钟系统，可以同时解决时钟的频率同步和相位同步，因此，被大量应用在目前的IP RAN（移动接入网）网络中，作为时钟同步源，能够满足精度要求。同时，GPS也可为以太网承载网提供参考时钟源。但GPS的使用存在一些问题:一是成本较高，二是存在军事风险。另外，在室内环境或者某些受到遮蔽的环境接收不到清晰的GPS信号，从而会影响同步精度。

2.4 PTP技术

和NTP类似，PTP同样采用分组协议方式实现，因此能运行在以太网中，保留了NTP的优势。PTP的实现不限于某种网络协议，能运行在任何支持多播的网络中。其同步精度受多方面因素影响，因此在实际网络部署中要综合考虑。目前，在纯以太网交换机组成的测试环境中，可达亚微秒级的精度;在有边界时钟或透明时钟等中间节点支持下，可达到20～100 ns的精度范围。可以满足电信级以太网的时钟同步需求[3－4]。

和IRIG相比，避免了部署专线的额外成本、空间和质量的开支，并且能达到更高的精度——亚微秒级精度。和GPS相比，减少军事风险，降低成本，并且不受环境限制，成为GPS的有效替代。因此，可以看出PTP技术有很大的优势，是电信级以太网时钟同步技术主要的发展方向之一。

3 PTP技术的应用

3.1 应用方案

基于IP的分组传送网，能够胜任传送高质量复杂业务的工作，将成为未来统一承载网的最佳选择。而同步是保证网络性能的必要手段，因此研究分组网络的同步意义非凡。随着通信技术的发展，一些新应用对同步精度的需求不断提高，达到了亚微秒级。比如：民用移动通信中TD－SCDMA系统；军用通信中用于导弹发射的遥控遥测系统和舰船雷达系统等。

这些时间敏感应用目前多采用GPS授时方式，而在上一节中也提到了GPS方案存在一些弊端（成本、安全性、环境），PTP技术的出现，可以很好地解决这一问题。PTP技术协议简单、容易实现，目前逐步在需要高精度时钟同步的领域得到应用，成为GPS的有效替代，为分组网中实现精确时钟同步提供了全新解决方案[5]。

PTP技术特点：1）同步精度高，可达亚微秒级；2）支持时间同步和频率同步；3）有效缓解网络延迟抖动引起的非对称性影响；4）统一的业界标准。

将PTP技术应用于分组网络中，就可以通过现有的地面分组网络传递高精度的时间信息，具体解决思路如图2所示。首先需要在网络的某个节点处部署支持IEEE1588协议的主时钟服务器，然后把网络中所有时间敏感应用设备均配置成PTP从节点。主时钟服务器通过GPS接收器获得精确时间，并在网络中分发带有时间信息的PTP报文，报文经过网络中的边界时钟BC和透明时钟TC达到各个PTP从节点；从节点通过不断与主节点交换同步报文，获得时间信息并校正本地时间，实现与主节点的同步，最终达到所有节点之间的时间同步。

3.2 时钟设备模型

由图2可见，在IEEE1588协议中规定了三种时钟设备模型[6]：普通时钟（OC）和边界时钟（BC）和透明时钟（TC）。

普通时钟（OC）：通常是一个单端口设备，主时钟和从时钟属于普通时钟。它直接和应用相连，为应用提供精确定时。

边界时钟（BC）：通常为多端口设备，运行在网络中的路由器、网桥等网络连接设备中，实现不同PTP网络区域的桥接。其中一个端口作为从端口，与上级主时钟同步；其他端口作为主端口，为下级从时钟分发同步消息。

透明时钟（TC）：也是一个多端口设备，作为执行边界时钟的多端口设备的一种替代。所不同的是，透明时钟没有主从端口之分，不作本地时钟同步，只是转发PTP包，同时对PTP报文进行校正。透明时钟能记录报文通过其传输带来的滞留时间，并累加到报文的“时间修正”字段。因此消除了由设备存储－转发数据包而带来的延时，使消息能在设备上透明传输。

3.3 灵活的PTP部署

在分组网中，PTP包融入普通数据包流中传输，通过各个网络节点。未装载IEEE1588协议的非PTP节点并不会阻断PTP包的传输，这就大大增加了网络设计师部署PTP节点的灵活性，网络设计师可以根据同步需求情况，灵活地部署PTP节点使其达到最优化。

首先，在有同步需求的地方部署PTP主节点（其内置主时钟直接接收GPS的授时），主节点应尽可能接近有同步敏感应用的从结点，以提高精度。

然后，进行PTP中间节点的部署。每个PTP节点一般都带有PPS（秒脉冲信号）输出功能，通过测量主从节点PPS信号的差异就可以得知主从时钟的同步情况。根据同步需求和PPS的测试结果，逐步把网络中的普通节点（没装有IEEE1588协议的路由器、交换机、集线器或网桥等）替换为PTP边界时钟或透明时钟，逐步提高同步精度，最终达到精度要求（精确度均值和标准偏差降到可接受的限度内），就完成了PTP的部署。需要特别注意的是，在某些节点，数据量大，引起了PTP包和普通数据包的激烈竞争，大大增加了PTP包的传输延时抖动，对这些节点要优先进行PTP部署。

另外，当从节点数量增加时，某些远端从节点精度达不到要求时，可考虑在适当的位置部署PTP主节点，同时增加边界时钟和透明时钟。而当某些从节点因应用改变而降低同步需求时，又可把某些PTP节点换回普通节点。可见PTP部署是十分灵活的。

PTP技术基于广播包分发同步的方式，使其非常适用于分组网络应用，能方便灵活地在基于IP的分组传送网中部署。随着通信领域IP化的进程，PTP技术在保留基于IP的分组网本身的低成本灵活性等优势的前提下，能有效减少系统对GPS的依赖，大大降低网络部署成本和地域性限制，同时满足网络对时间同步精度的需求。

4 结语

精确的时间和频率信息对于通信系统各种应用十分重要。IP化是大势所趋，传统的IP网，其物理链路中不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简单的方式恢复高精度的定时信息。阻碍了全网IP化的进程。PTP技术基于分组协议方式实现，可方便地运行在基于IP的分组传输网中。它在提高同步精度上进行了很多改进，降低了网络延迟抖动引起的非对称性影响。并同时提供频率同步和时间同步信息，精度可达亚微秒级，满足网络高质量的同步需求。其应用部署灵活，低成本，成为GPS的有效替代解决方案，为全网IP化扫清了障碍。

[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] 方强 .PTP技术分析[J].无线电工程，2010，40（2）：61－64.

[3] 徐荣，胡昌军.分组网中的IEEE1588v2同步技术及应用[J].电信网技术，2009，8（8）：8－11.

[4] 王相周，陈华婵.IEEE1588精确时间协议的研究与应用[J].计算工程与设计，2009，30（8）：1846－1849.

[5] 刘端锁，龙沪强，归琳，等.铁路电视SFN系统时钟馈送和恢复方法技术研究[J].电视技术，2009，33（1）：16－17.

[6] 于会游，周春晖，许希斌.分组通信网络时钟同步研究及性能仿真[J].计算机仿真，2009，26（5）：173－178.