Precision Time Protocol (PTP) ist ein Protokoll zur Zeitsynchronisation, das sicherstellt, dass alle Uhren in einem Netzwerk mit geringstmöglicher Zeitverschiebung synchronisiert werden. Dazu verbreitet das PTP-Protokoll die Zeit einer Referenzuhr, bei welcher es sich meist um eine Atomuhr oder ein GPS handelt.
Das PTP-Protokoll ist unter dem Namen IEEE-1588 standardisiert. Seine erste Version stammt aus dem Jahr 2002. Das Protokoll wurde entwickelt, um eine höhere Genauigkeit als bestehende Protokolle (hier ist insbesondere das NTP (Network Time Protocol) zu nennen) zu bieten. PTP sorgt in LANs für eine theoretische Genauigkeit im Nanosekundenbereich.
Im Gegensatz zu NTP basiert es auf Hardware-Zeitstempeln. Das erfordert eine spezielle Ausrüstung bei der Einrichtung, aber ermöglicht auch ein sehr hohes Maß an Genauigkeit. Die Norm IEEE-1588 wurde bereits mehrere Male überarbeitet. Im Jahr 2008 kam die Version 2 des Precision Time Protocol heraus und sie ist heute das am häufigsten genutzte Protokoll.
Diese Version 2 ist nicht mit der ersten Version des Protokolls kompatibel. Die neueste Version der Norm IEEE 1588 stammt aus dem Jahr 2019. Es handelt sich nicht um keine Hauptversion, weshalb sie mit der Version von 2008 kompatibel ist. Diese Version enthält Verbesserungen wie die Verwaltung von mehreren Domänen.
Die unterschiedlichen Uhrtypen
Innerhalb einer PTP-Domäne haben die verschiedenen Uhren, die sich untereinander synchronisieren, unterschiedliche Rollen. Das PTP-Protokoll funktioniert nämlich nach dem Master-Slave-Prinzip. Das heißt, die Uhren richten sich nicht nach einer Netzwerkzeit, sondern identifizieren eine Master-Uhr. Die Master-Uhr (Master Clock oder Grand Master Clock) sendet dabei ihren Zeitstempel an die Slave-Uhren (Slave Clock). Die Einheiten in einer PTP-Domäne wählen also zunächst eine Master-Uhr aus. Diese Auswahl erfolgt anhand des BMCA-Algorithmus (Best Master Clock Algorithm). Die Bestimmung einer Master-Uhr innerhalb einer PTP-Domäne kann in regelmäßigen Abständen erneut durchgeführt werden, entweder nach einem Ausfall der Master-Uhr oder wenn eine Slave-Uhr glaubt, besser für diese Rolle qualifiziert zu sein.
Zusätzlich zu diesen beiden Rollen, Master und Slave, erfordert ein PTP-Netzwerk in der Regel den Einsatz von Routern, Switches oder Gateways, von denen es zwei Typen gibt. Der erste Typ ist die transparente Uhr (Transparent Clock). Bei der transparenten Uhr handelt es sich in der Regel um ein Netzwerkgerät, das sich zwischen einer Master- und einer Slave-Uhr befindet. Diese speziellen Zeitserver dienen nicht dazu, PTP-Pakete zu empfangen und zu versenden, sondern sie berechnen, wie lange diese Pakete benötigen, sie zu durchqueren, und passen die Zeitstempel entsprechend an. So wird eine bessere Berechnung der Verzögerungen und eine höhere Genauigkeit erreicht.
Der zweite Typ ist die Grenzuhr (Boundary Clock). Eine Grenzuhr ist eine Uhr, die gleichzeitig die Rolle des Masters und des Slaves übernehmen kann. Sie synchronisiert sich mit einer anderen Master-Uhr und fungiert ihrerseits als Master, um eine Reihe von Slave-Uhren im Netzwerk zu synchronisieren. Dadurch wird die Distanz zwischen den Slave-Uhren und der Master-Uhr verringert sowie die Anzahl der Anfragen von den Slave-Uhren reduziert. Durch die Verringerung der Distanz zwischen den Slaves und dem Master können Grenzuhren die Verzögerungen verringern und somit die Genauigkeit der Zeitsynchronisation des Netzwerks insgesamt verbessern.
Die unterschiedlichen Funktionsweisen
Seit der Version 2 des PTP-Protokolls gibt es zwei Funktionsweisen zur Berechnung von Verzögerungen: End-to-End oder Peer-to-Peer.
Im End-to-End-Modus werden die Verzögerungen zwischen den Slave- und Master-Uhren global berechnet, während im Peer-to-Peer-Modus die Verzögerungen für jede Verbindung einzeln berechnet werden. Der Peer-to-Peer-Modus ermöglicht eine feinere und genauere Einschätzung der Verzögerungen, erfordert jedoch eine spezielle Hardware. Der End-to-End-Modus hingegen funktioniert unabhängig von der im PTP-Netzwerk verwendeten Hardware. Er ist daher robuster.
Es gibt noch eine weitere Unterscheidung: den One-Step- und den Two-Step-Modus.
Diese beiden Modi hängen davon ab, welche Hardware die Uhren verwenden, um ihre Nachrichten mit einem Zeitstempel zu versehen. Im One-Step-Modus ist es möglich, die Nachricht, einschließlich des Zeitstempels des Sendezeitpunkts, nach Bedarf zu bearbeiten. Wenn die Hardware dies nicht zulässt, dann befinden sich die Uhren im Two-Step-Modus. Der One-Step- und der Two-Step-Modus können innerhalb eines PTP-Netzwerks gemischt werden.
Die unterschiedlichen Nachrichtentypen
Um eine hochpräzise Zeitsynchronisation zu erreichen, übertragen Uhren verschiedene Arten von Synchronisationsnachrichten. Im Folgenden finden Sie eine Liste der wichtigsten Nachrichten, die Geräte in einem PTP-Netzwerk, das der Zeitsynchronisation dient, austauschen können:
- Announce: Diese Nachrichten werden ausgetauscht, um eine Master-Uhr auszuwählen. Die Netzwerkteilnehmer verbreiten ihre Eigenschaften an ihre Nachbarn und wählen die beste Uhr als Master aus.
- Sync: Diese Nachrichten werden von der Master-Uhr an die Slave-Uhren gesendet, damit diese sich synchronisieren.
- Follow_Up: Diese Nachricht kann auf eine Sync-Nachricht folgen, wenn die Master-Uhr nicht in der Lage ist, den Zeitstempel der Nachricht in die Nachricht selbst einzubauen. In diesem Fall enthält die Follow_Up-Nachricht den Zeitstempel der Synchronisationsnachricht.
- Delay_Req: Diese Nachricht wird von einer Slave-Uhr gesendet, damit sie die Zeit für die Hin- und Rückkommunikation berechnen kann, um sich mit der Master-Uhr synchronisieren zu können. Diese Nachricht wird im End-to-End-Modus verwendet.
- Delay_Resp: Das ist die Antwort der Master-Uhr an die Slave-Uhr, damit diese die Verzögerung effektiv berechnen kann. Diese Nachricht wird im End-to-End-Modus verwendet.
- PDelay_Req: Diese Nachricht wird gesendet, um die Verzögerung einer Verbindung zu berechnen. Sie wird im Peer-to-Peer-Modus verwendet.
- PDelay_Resp: Diese Nachricht wird als Antwort auf eine PDelay_Req-Nachricht gesendet, um die Verzögerung einer Verbindung zu berechnen. Sie wird im Peer-to-Peer-Modus verwendet.
Die Domänen
Die PTP-Domänen sind eine Sammlung von miteinander synchronisierten Uhren. Sie werden oft von PTP-Darstellungen ausgeschlossen, da die meisten Organisationen nur eine Domäne verwenden. Die Domänen schließen sich nicht unbedingt gegenseitig aus. Eine Uhr kann mehreren Domänen angehören, und eine Uhr, die mehreren Domänen angehört, muss nicht gezwungenermaßen in jeder Domäne die gleiche Rolle übernehmen. So kann eine Uhr in einer Domäne als Slave und an anderer Stelle als Master fungieren. Die Verwaltung eines PTP-Netzwerks mit mehreren Domänen bleibt komplex, ermöglicht aber eine Zeitsynchronisation, die für jeden Zweck geeignet ist.
PTP in der Industrie
PTP bietet ausgezeichnete Präzisionsgarantien für die Zeitsynchronisation und wird daher in Branchen mit hohem Synchronisationsbedarf eingesetzt: Audio-/Videonetzwerke, Finanztransaktionen, Mobilfunknetzwerke usw.
Für den bestmöglichen Einsatz von PTP haben einige Branchen Profile (Konfigurationen) definiert, um ihren spezifischen Bedürfnissen gerecht zu werden:
- Die Telekommunikationsbranche hat zum Beispiel 3 Standards mit den Namen G.8265.1 (Frequenzprofil), G.8275.1 und G.8275.2 (Zeit/Phasenprofil) definiert. Jedes Profil ist auf einen bestimmten Bedarf dieser Netzwerke ausgerichtet.
- Der Energiesektor hat die folgenden 3 Profile spezifiziert: C37.238: 2011 und C37.238: 2017 (Power Profil) und IEC 61850 9-3 (Utility Profil)
- Die Industrie hat die Profile IEEE 1588v2 (Standardprofil) und IEEE802.1AS (TSN-Profil: Time Sensitive Network) definiert.
- Die Profile SMPTE ST2059-2 und Media AES67 werden in professionellen Rundfunknetzen verwendet. Das SMPTE-Profil gemäß Norm ST 2110 definiert die Einstellungen des PTP-Netzwerks so, dass eine Genauigkeit von unter einem Frame erreicht wird, was einen optimalen Schutz vor Synchronisationsproblemen bei der Übertragung von Video- oder Audioinhalten bietet.
Mit über 150 Jahren Erfahrung in der Zeiterfassung und im Zeitmanagement und einer Präsenz in über 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz. Die Netsilon PTP-Zeitserver liefern eine zuverlässige, genaue Referenzzeit, die auf die Anforderungen der Sektoren Luftfahrt, Bahn, Industrie, Energiewirtschaft und Radio/Funk abgestimmt ist.