目前在做一些車載多傳感器時間同步方面的工作，以此記錄總結(jié)一下學(xué)習(xí)過程中碰到的一些概念和問題。文中大部分知識源于網(wǎng)絡(luò)，且均標(biāo)明了文章來源，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我刪除，謝謝。

內(nèi)容來源

linux時鐘概述：https://blog.csdn.net/yuki5233/article/details/82220078

suse(Linux發(fā)行版之一，類似Ubuntu或Centos)操作系統(tǒng)中關(guān)于PTP簡介及操作*：https://documentation.suse.com/zh-cn/sled/15-SP2/html/SLED-all/cha-tuning-ptp.html#id-1.8.9.2.8.6

Red Hat手冊中關(guān)于PTP的簡介及操作：https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/6/html/deployment_guide/s1-starting_ptp4l

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)：https://standards.ieee.org/standard/1588-2019.html

PTP服務(wù)器產(chǎn)品手冊中關(guān)于PTP的介紹：http://www.h3c.com/cn/d_201008/686476_30003_0.htm

NTP與PTP的比較*：https://www.redhat.com/en/blog/combining-ptp-ntp-get-best-both-worlds

PTP一些補(bǔ)充知識*：https://www.techplayon.com/ieee-1588-precision-time-protocol-ptp-for-telecom-networks/

PTP延遲測量原理：https://www.perle.com/supportfiles/precision-time-protocol.shtml

標(biāo)*的是我認(rèn)為需要仔細(xì)閱讀的文章。

一、主機(jī)上的時間

以Linux（Ubuntu）操作系統(tǒng)為例，主要包含兩個時鐘：系統(tǒng)時鐘和硬件時鐘。硬件時鐘，即BIOS時間；系統(tǒng)時鐘，即linux系統(tǒng)Kernel（內(nèi)核）時間。每次Linux啟動時，系統(tǒng)Kernel（內(nèi)核）會先去讀取硬件時鐘的設(shè)置（但是此時的硬件時間不一定是準(zhǔn)確的），然后系統(tǒng)時鐘就會獨(dú)立于硬件繼續(xù)運(yùn)作。在linux系統(tǒng)上程序運(yùn)行時讀取的時間都是系統(tǒng)Kernel（內(nèi)核）時間。

綜上所述，想要永久修改linux時間并使得時間準(zhǔn)確，就需要永久修改硬件時間，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時間對硬件時間的同步。不然要么每次重新啟動linux時，系統(tǒng)時間又變回之前錯誤的硬件時間，要么硬件時間同步完成，但系統(tǒng)時間未同步到硬件時間，導(dǎo)致程序獲取到的時間（系統(tǒng)時間）仍是錯誤的。但這里我還有個問題，在我使用PTP的過程中，發(fā)現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)接口控制器 (NIC) 自身帶有時鐘，那么這個時鐘與主機(jī)自身的硬件時鐘又有什么關(guān)系呢？

二、同步的概念

時鐘同步包含三個概念：

????????頻率同步（Frequency Sync）：指單位時間內(nèi)產(chǎn)生時鐘脈沖的次數(shù)保持一致，與具體的時間值無關(guān)。

????????相位同步（Phase Sync）：除包含頻率同步外，還指產(chǎn)生的時鐘脈沖邊界保持一致，即在同一時刻觸發(fā)時鐘脈沖的上升沿或下降沿，與具體時間值無關(guān)。

????????時間同步（Time of Day Sync）：除包含相位同步外，還要求具體時間一致。這也是PTP同步的要求。

三、PTP中的概念

PTP
Precision Time Protocol，共有三版，分別為IEEE1588-2002，IEEE1588-2008，IEEE1588-2019，具體可參考參考4。目前市面上大多數(shù)的PTP設(shè)備應(yīng)該都支持到了第二版即IEEE1588-2008。冷知識：該標(biāo)準(zhǔn)的pdf售價為280美元。

Linuxptp
PTP協(xié)議在Linux系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)，具體包含ptp4l和phc2sys兩個軟件，具體使用可參看我另一篇文章鏈接。

PTP中的設(shè)備類型
PTP作用的對象是時鐘，主要分為全局主時鐘（GrandMaster），主時鐘（MasterClock），透明時鐘（TransparentClock），邊界時鐘（BoundaryClock）和普通時鐘（OrdinaryClock）。
全局主時鐘（GM），全局唯一，為PTP域中的所有設(shè)備提供時間基準(zhǔn)。
主時鐘（MC），OC和BC的基準(zhǔn)時鐘稱為主時鐘。
邊界時鐘 (BC) ， 指在兩個或多個通信路徑中具有端口的設(shè)備（即它可以是從設(shè)備，也可以同時是其他從設(shè)備的主設(shè)備）。
普通時鐘（OC），指只有一個端口的時鐘（即只能作為從設(shè)備進(jìn)行時間同步）。
透明時鐘（TC），指不與其它時鐘節(jié)點(diǎn)保持時間同步的時鐘，如交換機(jī)。

PTP中的端口類型
時鐘通過端口進(jìn)行通信，這些端口按類型可分為主端口（Master Port），從端口（Slave Port），被動端口（Passive Port）。
主端口（Master Port）指發(fā)布同步時間的端口。
從端口（Slave Port）指接收同步時間的端口。
被動端口（Passive Port）指既不接收同步時間、也不對外發(fā)布同步時間的端口。

PTP中的角色
Master 提供同步時間。
Slave 以Master時間為基準(zhǔn)進(jìn)行同步。

PTP中的同步
PTP 中Master定期發(fā)送同步消息，由Slave接收。這給了Slave兩個時間戳，Master發(fā)送消息時的遠(yuǎn)程時間t1和Slave接收消息時的本地時間t2。t2與t1的關(guān)系可表示為
????????????????????????????????????????????????????????????????????????t2 = t1 + offset + RTT/2，
因此只有t1和t2兩個時間戳不足以計算時鐘偏移offset。必須首先測量Master和Slave之間的網(wǎng)絡(luò)延遲RTT。測試網(wǎng)絡(luò)延遲的方法有兩種：延遲請求/響應(yīng)的端到端方法(E2E) 和對等延遲請求/響應(yīng)的點(diǎn)對點(diǎn)方法 (P2P)，原理詳見參考5及參考8。簡單來說就是前者（E2E）使用了上述的兩個時間戳來計算往返時延RTT，后者（P2P）不使用t1和t2，而是重新獲得四個時間戳來計算往返時延RTT?？偠灾?#xff0c;二者都以某種方式獲得了往返時延RTT，之后利用往返時延RTT結(jié)合t1和t2即可得到時鐘偏移offset，從而實(shí)現(xiàn)時鐘同步。

其它
PTP消息類型，PTP時鐘等級規(guī)格可參考參考7。
PTP的配置文件及方式可參考參考2，參考7。
PTP與NTP的關(guān)系詳見參考6，這是很棒的一篇文章。

四、PTP的優(yōu)勢

PTP本身用于設(shè)備之間的高精度時間同步，但也可用于頻率同步。相比現(xiàn)有的各種時間同步機(jī)制，PTP具備以下優(yōu)勢：

????????相比NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），PTP能夠滿足更高精度的時間同步要求：NTP一般只能達(dá)到亞秒級的時間同步精度，而PTP則可達(dá)到亞微秒級。關(guān)于NTP和PTP的詳細(xì)討論，參見文章*Combining PTP with NTP to Get the Best of Both Worlds*

????????相比GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)），PTP具備更低的建設(shè)和維護(hù)成本，并且由于可以擺脫對GPS的依賴，在國家安全方面也具備特殊的意義。

五、PTP精度誤差及故障來源

網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱
PTP測量誤差的假設(shè)前提就是報文在Master和Slave之間的傳輸延遲是相同的。由于該因素導(dǎo)致的誤差上限值為±RTT（往返時延），此時報文往返的一端時延為0，另一端時延為RTT，進(jìn)一步的討論見參考6。

時間戳錯誤
在 Linux 機(jī)器上，基本上可以在三個不同的地方生成時間戳：
????????在用戶空間（即 NTP/PTP 守護(hù)進(jìn)程）中，通常在進(jìn)行 send()系統(tǒng)調(diào)用之前和 select() 或 poll() 系統(tǒng)調(diào)用之后。
????????在內(nèi)核中，在將數(shù)據(jù)包復(fù)制到網(wǎng)卡環(huán)形緩沖區(qū)之前以及網(wǎng)卡在收到數(shù)據(jù)包后發(fā)出中斷時。這稱為軟件時間戳。
????????在網(wǎng)絡(luò)接口控制器 NIC 本身中，當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入和離開鏈路或物理層時。這稱為硬件時間戳。
軟件時間戳比用戶空間時間戳更準(zhǔn)確，因為它不包括上下文切換、內(nèi)核中數(shù)據(jù)包的處理和網(wǎng)絡(luò)堆棧中的等待。硬件時間戳比軟件時間戳更準(zhǔn)確，因為它不包括在 NIC 中等待。但是，硬件和軟件時間戳存在一些問題，使它們比用戶空間時間戳更難使用。進(jìn)一步的討論見參考6。

閏秒
PTP 按國際原子時 (TAI) 運(yùn)行，而系統(tǒng)時鐘使用的是協(xié)調(diào)世界時 (UTC)，來源于參考2。
按照百度百科的說法，閏秒是指為保持協(xié)調(diào)世界時（UTC）接近于世界時（TAI）時刻，由國際計量局統(tǒng)一規(guī)定在年底或年中（也可能在季末）對協(xié)調(diào)世界時（UTC）增加或減少1秒的調(diào)整。由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性和長期變慢性（主要由潮汐摩擦引起的）使世界時（UTC）和原子時（TAI）之間相差超過到±0.9秒時，就把協(xié)調(diào)世界時向前撥1秒（負(fù)閏秒，最后一分鐘為59秒）或向后撥1秒（正閏秒，最后一分鐘為61秒）； 閏秒一般加在公歷年末或公歷六月末。截至2017年1月2日，全球已經(jīng)進(jìn)行了27次閏秒，均為正閏秒。最近一次閏秒在北京時間2017年1月1日7時59分59秒（時鐘顯示07:59:60）出現(xiàn)。這也是本世紀(jì)的第五次閏秒。至于是否會出現(xiàn)該問題取決于PPT服務(wù)器中的GPS接收機(jī)。

GPS周翻轉(zhuǎn)
全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GPS的時間是通過“周數(shù)”+“周內(nèi)秒”的方式編碼的。而GPS系統(tǒng)設(shè)計之初分配給“周數(shù)”的字長為10比特位，即GPS系統(tǒng)只能表示0~1023周，GPS系統(tǒng)運(yùn)行時間超出1023周后，“周數(shù)”會發(fā)生溢出翻轉(zhuǎn)，即從0開始計數(shù)，從而導(dǎo)致接收機(jī)直接解算出來的時間會回退到1024周之前。第一個GPS系統(tǒng)時間起點(diǎn)為1980年1月6日00:00:00，結(jié)束時間為1999年的8月21日23:59:47。第二次GPS系統(tǒng)時間于2019年4月6日23:59:41結(jié)束。在這一天，GPS周翻轉(zhuǎn)可能會造成一些GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)和時間功能發(fā)生故障，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這一問題是由GPS系統(tǒng)本身的設(shè)計決定的，在GPS系統(tǒng)整體升級之前，每經(jīng)過19.7年便會發(fā)生一次周翻轉(zhuǎn)事件，無法避免。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用13比特的周數(shù)信息，157年內(nèi)不會出現(xiàn)這一問題，無需擔(dān)心。至于是否會出現(xiàn)該問題取決于PPT服務(wù)器中的GPS接收機(jī)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PTP时间同步概念简介的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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