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1 PTP

1.1 PTP简介

1.1.1 PTP基本概念

1.1.2 PTP同步原理

1.1.3 协议规范

1.2 配置时钟节点

1.2.1 配置任务简介

1.2.2 配置时钟节点类型

1.2.3 配置OC的工作模式为Slave-only

1.2.4 配置BC或OC的延时测量机制

1.2.5 配置TC+OC的接口类型为OC

1.2.6 使能接口的PTP功能

1.2.7 配置非对称延迟校正时间

1.2.8 配置时间戳的携带模式

1.2.9 配置非Pdelay报文的目的MAC地址

1.2.10 配置PTP协议报文的时间参数

1.3 配置最优时钟

1.3.1 配置任务简介

1.3.2 配置准备

1.3.3 配置时钟相关参数

1.3.4 强制配置PTP端口角色

1.3.5 配置UTC属性

1.4 PTP显示和维护

1.5 PTP典型配置举例

1 PTP

1.1  PTP简介

在通信网络中，许多业务的正常运行都要求网络时钟同步，即整个网络各设备之间的时间或频率差保持在合理的误差水平内。网络时钟同步包括以下两个概念：

·     时间同步：也叫相位同步（Phase synchronization），是指信号之间的频率和相位都保持一致，即信号之间的相位差恒为零。

·     频率同步（Frequency synchronization）：也叫时钟同步，是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系，信号在其对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以保证通信网络中的所有设备都以相同的速率运行，即信号之间保持恒定的相位差。

图1-1 时间同步和频率同步示意图

如图1-1所示，有两个表Clock A与Clock B，如果这两个表的时间每时每刻都保持一致，这个状态就是时间同步；如果这两个表的时间不一致，但保持一个恒定的差值（如图中的Clock B总比Clock A晚6个小时），这个状态就是频率同步。

PTP（Precision Time Protocol，精确时间协议）是一种时间同步的协议，其本身只是用于设备之间的高精度时间同步，但也可被借用于设备之间的频率同步。相比现有的各种时间同步机制，PTP具备以下优势：

·     相比NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），PTP能够满足更高精度的时间同步要求：NTP一般只能达到亚秒级的时间同步精度，而PTP则可达到亚微秒级。

·     相比GPS（Global Positioning System，全球定位系统），PTP具备更低的建设和维护成本，并且由于可以摆脱对GPS的依赖，在国家安全方面也具备特殊的意义。

1.1.1  PTP基本概念

1. PTP域

我们将应用了PTP协议的网络称为PTP域。PTP域内有且只有一个同步时钟，域内的所有设备都与该时钟保持同步。

2. 时钟节点和PTP端口

PTP域中的节点称为时钟节点，而时钟节点上运行了PTP协议的端口则称为PTP端口。PTP协议定义了以下三种类型的基本时钟节点：

(1)     OC（Ordinary Clock，普通时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内只有一个PTP端口参与时间同步，并通过该端口从上游时钟节点同步时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以只通过一个PTP端口向下游时钟节点发布时间，我们也称其为OC。

(2)     BC（Boundary Clock，边界时钟）：该时钟节点在同一个PTP域内拥有多个PTP端口参与时间同步。它通过其中一个端口从上游时钟节点同步时间，并通过其余端口向下游时钟节点发布时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以通过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间的，我们也称其为BC，如图1-2中的BC 1。

(3)     TC（Transparent Clock，透明时钟）：与BC/OC相比，BC/OC需要与其它时钟节点保持时间同步，而TC则不与其它时钟节点保持时间同步。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。TC包括以下两种类型：

·     E2ETC（End-to-End Transparent Clock，端到端透明时钟）：直接转发网络中非P2P（Peer-to-Peer，对等）类型的协议报文，参与计算整条链路的延时。

·     P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，对等透明时钟）：只直接转发Sync报文、Follow_Up报文和Announce报文，而终结其它PTP协议报文，参与计算整条链路上每一段链路的延时。

如图1-2所示，是上述三种基本时钟节点在PTP域中的位置。

图1-2 基本时钟节点示意图

除了上述三种基本时钟节点以外，还有一些混合时钟节点，譬如融合了TC和OC各自特点的TC+OC：它在同一个PTP域内拥有多个PTP端口，其中一个端口为OC类型，其它端口则为TC类型。一方面，它通过TC类型的端口转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正；另一方面，它通过OC类型的端口进行时间的同步。与TC的分类类似，TC+OC也包括两种类型：E2ETC+OC和P2PTC+OC。

3. 主从关系

主从关系（Master-Slave）是相对而言的，对于相互同步的一对时钟节点来说，存在如下主从关系：

·     主/从节点：发布同步时间的时钟节点称为主节点（Master Node），而接收同步时间的时钟节点则称为从节点（Slave Node）。

·     主/从时钟：主节点上的时钟称为主时钟（Master Clock），而从节点上的时钟则称为从时钟（Slave Clock）。

·     主/从端口：时钟节点上发布同步时间的PTP端口称为主端口（Master Port），而接收同步时间的PTP端口则称为从端口（Slave Port），主端口和从端口均可存在于BC或OC上。此外，还存在一种既不发布也不接收同步时间的PTP端口，称为被动端口（Passive Port）。

4. 最优时钟

如图1-2所示，PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起，整个域的参考时间就是最优时钟（Grandmaster Clock，GM），即最高层次的时钟。通过各时钟节点间PTP协议报文的交互，最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中，因此也称其为时钟源。

最优时钟可以通过手工配置静态指定，也可以通过BMC（Best Master Clock，最佳主时钟）协议动态选举，动态选举的过程如下：

(1)     各时钟节点之间通过交互的Announce报文中所携带的最优时钟优先级、时间等级、时间精度等信息，最终选出一个节点作为PTP域的最优时钟，与此同时，各节点之间的主从关系以及各节点上的主从端口也确定了下来。通过这个过程，整个PTP域中建立起了一棵无环路、全连通，并以最优时钟为根的生成树。

(2)     此后，主节点会定期发送Announce报文给从节点，如果在一段时间内，从节点没有收到主节点发来的Announce报文，便认为该主节点失效，于是重新进行最优时钟的选择。

5. 时钟源类型

时钟节点使用设备内部的本地时钟作为备选时钟源。

时钟节点根据内部特定的算法决定使用哪一种时钟源作为它的设备时钟源。

1.1.2  PTP同步原理

PTP同步的基本原理如下：主、从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间，通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时，如果网络是对称的（即两个方向的传输延时相同），则往返总延时的一半就是单向延时，这个单向延时便是主、从时钟之间的时钟偏差，从时钟按照该偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟的同步。

PTP协议定义了两种传播延时测量机制：请求应答（Requset_Response）机制和端延时（Peer Delay）机制，且这两种机制都以网络对称为前提。

1. 请求应答机制

图1-3 请求应答机制实现过程

请求应答方式只能用于端到端的延时测量。如图1-3所示，其实现过程如下：

(1)     主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

(2)     主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

(3)     从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

(4)     主时钟收到Delay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。

此时，从时钟便拥有了t1～t4这四个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[(t2 – t1) + (t4 – t3)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset = (t2 – t1) - [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2 = [(t2 – t1) - (t4 – t3) ] / 2。

此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，请求应答机制又分为单步模式和双步模式两种：

·     在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文。

·     在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带。

2. 端延时机制

图1-4 端延时机制实现过程

与请求应答机制不同，端延时机制采用Pdelay报文来计算链路延时，该机制只能用于点到点的延时测量。如图1-4所示，其实现过程如下：

(1)     主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1；从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。

(2)     主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

(3)     从时钟向主时钟发送Pdelay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3；主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。

(4)     主时钟收到Pdelay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Pdelay_Resp报文，并记录发送时间t5；从时钟收到该报文后，记录接收时间t6。

(5)     主时钟回复Pdelay_Resp报文之后，紧接着发送一个携带有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

此时，从时钟便拥有了t1～t6这六个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[(t4 – t3) + (t6 – t5)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为：Offset = (t2 – t1) - [(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。

此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，端延时机制也分为单步模式和双步模式两种：

·     在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文；而t5和t4的差值由Pdelay_Resp报文携带，不发送Pdelay_Resp_Follow_Up报文。

·     在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带，而t4和t5则分别由Pdelay_Resp报文和Pdelay_Resp_Follow_Up报文携带。

1.1.3  协议规范

与PTP相关的协议规范有：

·     IEEE 1588-2008：IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

·     IEEE P802.1AS：Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks

1.2  配置时钟节点

1.2.1  配置任务简介

请规划好PTP域的范围以及域中各设备的时钟节点角色，然后对这些设备进行相应的配置。

表1-1 时钟节点配置任务简介

1.2.2  配置时钟节点类型

在OC、BC、E2ETC、P2PTC、E2ETC+OC和P2PTC+OC这六种时钟节点类型中，每台设备只能配置为其中的一种。

1. 配置时钟节点类型为OC

请在欲配置为OC的设备上进行如下配置。

表1-2 配置时钟节点类型为OC

2. 配置时钟节点类型为BC

请在欲配置为BC的设备上进行如下配置。

表1-3 配置时钟节点类型为BC

3. 配置时钟节点类型为TC

请在欲配置为E2ETC或P2PTC的设备上进行如下配置。

表1-4 配置时钟节点类型为TC

4. 配置时钟节点类型为TC+OC

请在欲配置为E2ETC+OC或P2PTC+OC的设备上进行如下配置。

表1-5 配置时钟节点类型为TC+OC

1.2.3  配置OC的工作模式为Slave-only

通常，OC既可作为主时钟发布同步时间，也可作为从时钟接收同步时间。但当OC的工作模式为Slave-only时，OC将只能作为从时钟接收同步时间。

请在OC上进行如下配置。

表1-6 配置OC的工作模式为Slave-only

1.2.4  配置BC或OC的延时测量机制

延时测量机制分为请求应答机制和端延时机制两种，处于同一链路上的接口必须具备相同的延时测量机制，否则无法互通。由于BC和OC都没有缺省的延时测量机制，因此必须为其指定延时测量机制；而E2ETC和E2ETC+OC的延时测量机制为请求应答机制，P2PTC和P2PTC+OC的延时测量机制为端延时机制，且不允许改变其延时测量机制。

请在BC或OC上进行如下配置。

表1-7 配置BC或OC的延时测量机制

1.2.5  配置TC+OC的接口类型为OC

由于TC+OC（包括E2ETC+OC和P2PTC+OC这两种）上所有接口的类型默认都为TC，因此需要通过本配置来指定其中一个接口的类型为OC。

请在E2ETC+OC或P2PTC+OC上进行如下配置。

表1-8 配置TC+OC的接口类型为OC

1.2.6  使能接口的PTP功能

在接口上使能了PTP功能之后，该接口就成为了PTP端口。

请在各时钟节点上进行如下配置。

表1-9 使能接口的PTP功能

1.2.7  配置非对称延迟校正时间

PTP协议进行时间同步计算时认为网络延时是对称的，即报文的发送和接收延迟相同，并以此来进行时间同步计算。但实际中的网络延时可能是不对称的，因此，如果知道了报文发送和接收的延迟之差，就可以通过本配置进行非对称延迟的校正，从而更精确地进行时间同步。

请在各时钟节点上进行如下配置。

表1-10 配置非对称延迟校正时间

1.2.8  配置时间戳的携带模式

时间戳的携带模式分为以下两种：

·     单步模式：即请求应答机制和端延时机制下的Sync报文，以及端延时机制下的Pdelay_Resp报文，都带有本报文被发送时刻的时间戳。

·     双步模式：即请求应答机制和端延时机制下的Sync报文，以及端延时机制下的Pdelay_Resp报文，都不携带本报文被发送时刻的时间戳，而是由后续的其它报文来携带。

请在各时钟节点上进行如下配置。

表1-11 配置时间戳的携带模式

1.2.9  配置非Pdelay报文的目的MAC地址

Pdelay报文（包括Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up等）的目的MAC地址为0180-C200-000E，不可通过配置进行更改；而非Pdelay报文的目的MAC地址可以是0180-C200-000E，也可以是011B-1900-0000，可以通过本配置进行更改。

当处于同一链路上的接口所发送的同类型PTP协议报文的目的MAC地址不同时，请通过本配置将其修改为相同的目的MAC地址，否则将无法互通。

请在各时钟节点上进行如下配置。

表1-12 配置非Pdelay报文的目的MAC地址

1.2.10  配置PTP协议报文的时间参数

通过本配置可以调整PTP端口上Announce报文、Pdelay_Req报文和Sync报文的发送周期，Delay_Req报文的最小发送间隔，以及Announce报文的接收超时倍数。

请在各时钟节点上进行如下配置。

表1-13 配置PTP协议报文的时间参数

1.3  配置最优时钟

1.3.1  配置任务简介

最优时钟的配置方式有以下三种：

·     动态选举的配置方式：在整个PTP域中如果不进行任何最优时钟的相关配置，所有时钟节点将按照各自的时钟相关参数通过BMC协议动态选举出一个最优时钟；也可以通过调整各时钟节点的优先级参数（包括优先级一和优先级二）来控制选举结果。当参与选举的时钟为外接Bits时钟时，还需要配置外接时钟的相关参数。

·     静态指定的配置方式：通过事先规划好整个PTP域中所有时钟节点（包括OC、BC、E2ETC+OC和P2PTC+OC）间的主从关系，然后在这些时钟节点上强制配置PTP端口角色，从而达到静态指定最优时钟的目的。

·     动态选举和静态指定相结合的配置方式：通过结合上述两种配置方式，只在PTP域中的部分时钟节点上强制配置PTP端口角色，可以更加灵活地控制动态选举的结果。

表1-14 最优时钟配置任务简介

1.3.2  配置准备

在配置最优时钟之前，需完成以下任务：

·     完成PTP域内各时钟节点的配置

1.3.3  配置时钟相关参数

PTP域中的各时钟节点在通过BMC协议动态选举最优时钟时，会依据Announce报文中所携带的时钟的优先级一、时间等级、时间精度和优先级二的次序依次进行比较，获胜者将成为最优时钟。比较规则如下：

(1)     优先级一较高者获胜；

(2)     如果优先级一相同，则时间等级较高者获胜；

(3)     如果时间等级也相同，则时间精度较高者获胜；

(4)     如果时间精度还相同，则优先级二较高者获胜；

(5)     如果优先级二依然相同，则端口标识（由时钟编号和端口号共同构成）较小者获胜。

表1-15 配置时钟相关参数

1.3.4  强制配置PTP端口角色

一般情况下，各时钟节点之间的主从关系都是通过BMC协议自动产生的。用户可以通过本配置人为地指定各时钟节点间的主从关系。

请在OC、BC、E2ETC+OC或P2PTC+OC上进行如下配置。

表1-16 强制配置PTP端口角色

1.3.5  配置UTC属性

UTC（Coordinated Universal Time，国际协调时间）即格林威治天文台的标准太阳时间，设备上显示的时间与UTC保持一致。UTC与TAI（International Atomic Time，国际原子时间，其法语为Temps Atomique International）之间会产生固定的偏差，相关的国际时间组织会定期公布该偏差值。通过本配置可以调整设备当前的UTC与TAI之间的偏差。

请在最优时钟上进行如下配置。

表1-17 配置UTC属性

1.4  PTP显示和维护

在完成上述配置后，在任意视图下执行display命令可以显示配置后PTP的运行情况，通过查看显示信息验证配置的效果。

在用户视图下执行reset命令可以清除PTP的统计信息。

表1-18 PTP显示和维护

1.5  PTP典型配置举例

1. 组网需求

·     在由Device A、Device B和Device C组成的PTP域中，Device A和Device C的时钟节点类型都为OC，Device B的时钟节点类型为P2PTC。所有时钟节点都按照各自默认的最优时钟属性通过BMC协议动态选举最优时钟。

·     Device A和Device C的延时测量机制都采用端延时机制。

2. 组网图

图1-5 PTP典型配置组网图

3. 配置步骤

(1)     配置Device A

# 配置时钟节点类型为OC。

<DeviceA> system-view

[DeviceA] ptp mode oc

# 在接口FortyGigE1/0/1上配置延时测量机制为端延时机制，并使能PTP功能。

[DeviceA] interface fortygige 1/0/1

[DeviceA-FortyGigE1/0/1] ptp delay-mechanism p2p

[DeviceA-FortyGigE1/0/1] ptp enable

[DeviceA-FortyGigE1/0/1] quit

(2)     配置Device B

# 配置时钟节点类型为P2PTC。

<DeviceB> system-view

[DeviceB] ptp mode p2ptc

# 在接口FortyGigE1/0/1上使能PTP功能。

[DeviceB] interface fortygige 1/0/1

[DeviceB-FortyGigE1/0/1] ptp enable

[DeviceB-FortyGigE1/0/1] quit

# 在接口FortyGigE1/0/2上使能PTP功能。

[DeviceB] interface fortygige 1/0/2

[DeviceB-FortyGigE1/0/2] ptp enable

[DeviceB-FortyGigE1/0/2] quit

(3)     配置Device C

# 配置时钟节点类型为OC。

<DeviceC> system-view

[DeviceC] ptp mode oc

# 在接口FortyGigE1/0/1上配置延时测量机制为端延时机制，并使能PTP功能。

[DeviceC] interface fortygige 1/0/1

[DeviceC-FortyGigE1/0/1] ptp delay-mechanism p2p

[DeviceC-FortyGigE1/0/1] ptp enable

[DeviceC-FortyGigE1/0/1] quit

(4)     检验配置效果

当网络拓扑稳定后，通过使用display ptp命令可以查看设备上PTP的统计信息。例如：

# 在Device A上显示PTP的简要统计信息。

[DeviceA] display ptp brief

Port info

Name         Role      Delay-mech  Clock-step  Port-enable Asym-corr

FGE1/0/1       Master    P2P         Two         Enabled     0

# 在Device B上显示PTP的简要统计信息。

[DeviceB] display ptp brief

Port info

Name         Role      Delay-mech  Clock-step  Port-enable Asym-corr

FGE1/0/1       -         P2P         Two         Enabled     0

FGE1/0/2       -         P2P         Two         Enabled     0