-
6.1.1
总体概述
PTP
标准规定了时钟同步协议，<
/p>
该协议应用于包含一个或多个节点的分布式系统，
在若
干套通信媒介上传达信息。
节点看作是包含一个实时时钟的模型，
实时时钟可以用于产生日
期时间戳或处理该节点管理的事件。
PTP
协议提供种机制来使各参与节点的时钟达到高精度
< br>同步。如何设计和使用支持
PTP
的系统参见附录
A
。
该标准规范了以下内容：
——
PTP
协议
——支
持
PTP
协议的节点和必需的通信属性
一个
PTP
系统是一个包含普通时钟，
有可能包含边界时钟和管理节点（
administrative
nodes
）的分布式系统。边界时钟是这样一种时钟：它带有一个时钟端口，此端
口提供给两
个或多个不同的
PTP
通信
通道之一。
PTP
协议有两个方面：同步和管理（
administrative
）
。
表面上，
所有的普通时钟在该协议的两个方面上都是
相同的。
此外，
边界时钟的每个
PTP
端口外表上看就相当于一个普通时钟。一个管理节点对于实现该协议的同步方面是不需要
的，除非它同时也是一个时钟节点。
6.1.2
操作概述
PTP
通信通道支持一套普通时钟的
各
PTP
端口之间的直接通信，也支持任意访问通信
通道的边界时钟的各
PTP
端口间的通信。访问一
个给定的通信通道的各时钟的一般特性也
遵从这个规则。术语“
ports
”包含访问通信通道的任意边界时钟们的端口。
<
/p>
包含这些端口之一的一个时钟会被选择作为这个通道上的主时钟。每个端口检测包含
同步报文的信息，
然后决定主时钟。
同步报文
由一个自称为主时钟的任何一个端口周期性地
发出。所有的端口都采用“最佳时钟算法”
。如果一个主时钟端口收到一个更好的时钟的同
步报文，那么此
时钟停止声明其为主时钟，并且接收端口将假定其身份为“从”
。类似的，
如果一个含有一个作为从的端口的时钟比当前主时钟还要好，则将其身份假定为“主”
，并
开始发送同步报文。
当一个时钟刚上线
comes on line
时，为了提供更规则的行为，该时钟将在系统特定时间
内监听主时钟发出的同步
报文，
如果在这段时间内没有接收到同步报文，
该时钟将假定其
为
主时钟，
直到更好的时钟出现。
当时
钟加入或被删除时，
有一种额外的机制来支持更规则的
系统调整
，时钟特性改变或连接拓扑改变都包含在了
PTP_PRE_MASTER
状态中。在这个状
态下，如果时钟端口为
PTP_M
ASTER
状态，那么它会像预期的那样精确运行，除非没有在
端口通信通道上设置特定的报文类。时钟端口保持在
PRE_MASTER
状态足够长的时间，以
使得变化可以发生在系统的某些点上，
而这些点存在于本地时钟和从端口可以看到的可能的
主时钟之间。
In this state a clock port behaves exactly as
it would if it were in the PTP_MASTER
state except that it does not place
certain classes of messages on the port
communication path. A clock
port
remains in this premaster state long enough to
allow changes to occur at points in the system
between the local clock and possible
master clocks visible from the port.
来自
主时钟端口的同步报文也包含该步报文放到
PTP
通信通道上的
一个时间估计值，
此估计值取决于本地（
local
）主时钟保持的时间。
主时钟端口也可发送随后
报文，随后报文常与同步报文相关联，并且包含一个同步报
文放在
PTP
通信通道上的更精确的时间估计值。
从端口根据同步或随后报文中的信息修正本地时钟，用这种方式使本地时钟与主时钟
同步。
这种修正可以通过计算主时钟到从时钟的报文传输
延时得到提高。这种额外的修正可
以通过对前一过程的逆转来估计。
也就是，
从时钟向主时钟发出延迟请求报文。
这个过程没<
/p>
有随后报文。
主时钟随后返回延迟响应报文。
这个过程一般很少用到，
这样来降低网络流量。
（加上这个
过程会增加网络流量）
除了布同步报文，主时钟
（也只有主时钟）也可以提供一个外部定时信号。
这个外部定
时信号发送给本地时钟的秒级转换
the
sec
onds’ transition of the local clock<
/p>
。外部定时信号只能
发送给同一子域内的从时钟，而且优先选同一
个
PTP
通信通道，在传递同步报文的媒介之外
的媒介上传播。当外部定时信号传播给与主时钟端口不相关的
PTP
通信通道上的时钟时，这
种情况下系统的特性不在本标准研究范围之内。<
/p>
边界时钟应用于时间分布树。当变换阻塞了同步、随后、延迟请
求或延迟应答报文的
通信技术或网络元件时，
需要用到边界时钟
。
建议边界时钟用在会引起大的延迟波动的网络
元件中。
边界时钟对于它能看到的包含最佳时钟的通道来说是从时钟，
而对其他
访问通道则
声明为主时钟。
The boundary
clock is a slave to the path containing the best
clock it can see and
asserts that it is
the master for all other accessed paths.
因为边界时钟和普通时钟一样都含有一个
内部时钟（
int
ernal
clock
），有可能这个内部时钟就是它所能看
到的最佳时钟。这种情况
下，边界时钟本身就是所有访问通道的主时钟。因此，在包含边
界时钟的系统中，
可能会有
几个主时钟，每个通信通道一个。其
中所有时钟中的最佳时钟被指定为
grandmaster
。在
每
个同步报文中都包含足够的信息来允许最佳主时钟算法生成全部系统的正确配置和行为
。
即
是说，只有包含边界时钟的系统才有可能有
grandmaster
。
6.1.3
假定条件
PTP
标准对其运行的环境作了几个
假定，
以下几个假定必须满足以保证协议的正确运行：
——网络必须支持多播通信方式（参见
6.2.2.2
）。
——必须有可能防止多播报文传播超出子网。
——每个应用该协议的时钟必须满足
7.10
中的性能
要求。
——每个时钟所规定的属性，
包括它的级别
（参见
6.2.4.3
）
和标志符
（参见
6.2.4.5
）
，
必须正确地描述该时钟。
以下各条件必须满足以完成最佳的时钟同步性能：
——一个子网中的主时钟和从时钟之间的网络延迟必须对称（参见
7.8.1.2
）
——一个时钟在
其时间戳生成机制或协议通道中可能会包含不对称的延迟。
如果这些不
< br>对称不可以忽略，它们必须被正确计算考虑（参见
6.2.4.9
）。
——一个子网内的主从之间的网络延迟必须为<
/p>
（
over
）
在
PTP_DELAY_REQ_INTERVAL
之上
的常数。
——边界时钟必须用于使跨越子网（
across
subnet
）同步。
——由网络元
件和时钟内的协议栈所引起的延迟波动必须通过两种技术来降低：
1
）
对一个
给定的时钟实现来说，
PTP
中使用的时间戳在尽可能接近物理
层的地方
产生。
只有当报文被实际传递之后，
< br>才能产生最精确的时间戳，
在这种情况下，
实际值在随后
报文中由主时钟传出（
参见
8.4.1
和附录
A
）。在参考文献
[B4]
、
[B7]
、
[B
8]
中可以参考产生这些时间戳的机制。
2
）
不能通
过边界时钟隔离的那些由协议栈和网络设备引入的延迟波动可以通过
求平均值
(averaging)
来降低
（参见
A.5.2
）
。
平均值算
法超出了本标准的范围。
—
—实现该协议的时钟计算能力必须足够大，
每个子网中的时钟数量必须足够小，
以满
足
7.11
中的限
制。
——时钟振荡器必需有足够的内部稳定性。（参见
A.4
和
A.5.4
）。
6.2
PTP
系统
包含时钟的节点典型分布式系统图如图
2
所示。
图
2
< br>中，矩形框代表的各节点每个都包含一个时钟；圆角矩形框代表的节点都包含一个
边界时钟。这些时钟通过通信通道互相传递
PTP
报文，通信通
道在图中用实线表示。
6.2.1
时钟类型
一个
PTP
系统中有两种类型的时钟：
——普通时钟：普通时钟通过单一通信通道与其他时钟通信。如图
2
所示，
1
到
4
节点的各时
钟通过单一通信通道
A
互相通信。
——边界时钟：如图
2
中的节点
13
，
边界时钟可以与多组时钟通信（例如，节点组
1
、
2
、
3
和
< br>4
通过
A
通道，节点组
5
、
6
、
7
、
8
和
< br>14
通过
B
通道，节点
15
通过
D
通道）。每
组可以既有
普通时钟也有边界时钟。
一个边界时钟可以通过一个
独特的
（
distinct
）
通信通道和每
组进行通信。
在不相交
disjoint
的各组中的时钟之间
（如
9
和
5
）
的通信只能通过本协议
中指定的边界时钟机制来实现。
边界时钟和边界时钟间的通信通过边界时钟
13
和
14
之间
的通道
B
和
13
和
15
之间的通道
D
来实现。
一个时钟对一个
PTP
通信通道的逻辑通信访问点被定义为一个
PTP
端口。
普通时钟只有唯
一的一个
PTP
端口，而边界时钟有两个或两个以上的
PTP
端口。
6.2.2
PTP
通信
6.2.2.1 PTP
通信拓扑结构
PTP
协议运行
operat
ion
产生的
PTP
通信通道拓扑图形
成一个非循环的结构，也就是，在
任何一对
PTP
时钟之间都不存在交替（
alternate
）的<
/p>
PTP
通信通道。举例来说，图三中
包含
13
、
14
、
15
节点的循环通道是被禁止的通道拓扑。同样，
矩形框代表的各节点每个
都包含一个时钟；圆角矩形框代表的节点都包含一个
边界时钟。
PTP
协议检测这样的
PTP
循环通信通道，
PTP
协议通过改变所包含的边界时钟上的端口的
状态来将循环图改为非循环图。
在此例中，
该协议已经禁止
了
14
和
15
节点之间的通信
（更精
确来说，该协议已经将
< br>14
或
15
节点上适合的端口状
态置为
PTP_PASSIVE
。具体将哪个节点改
为该状态，
这取决于网络配置的详细资料和时钟的属性而并不由这个简化的
例子所决定。
）
。
这些状态的改变使实
际的通信在非循环拓扑中进行，尽管在物理上的连接拓扑是循环的。
产生这种拓扑的
PTP
协议的运行遵从
Perlman
在参考文献<
/p>
[B2]
中所阐述的技术。
并不要求所有的
PTP
通信通道都使用同一种下面
所提到的通信媒介或技术。但是，如果
存在不同的通信媒介和技术，
那么使用一种给定的通信媒介或技术来互相通信的一组时钟会
被一个边界时钟从使用
一种不同通信媒介或技术的组中分离出来。
边界时钟将
PTP
子域分成各个
PTP
< br>通信通道，包含边界是中的通信应该受如下限制：
——
同步、延迟请求、随后和延迟应答报文不能在由边界时钟分隔开的各
PTP
通信通道
之间传播，
这种限制应用在边界时钟和所有
通信技术特殊设备中，
这些设备能够使位于分隔
的
PTP
通道各设备之间的普通通信得以进行。
——
PTP
管理报文可以在由边界时钟分隔
开的各
PTP
通信通道之间传播。这些
PTP
管理报
文只能通过边界时钟传播，
但不能通过通信技术特殊设备传播。
在转发报文之前，
管理报
文
的边界跳变字段（
boundaryHops
）的绝对值通过边界时钟减
1
。如果边界跳变字段的值
为
0
，
管理报文不再转发，如果跳变字
段的值为正数，管理报文只通过不在
PTP_INITIALIZING
，
PTP_FAULTY
，
P
TP_DISABLED
这些状态的边界时钟端口来转发。
在任
何情况下，
报文都不由接
收端口转发。普通时钟不能转发管理报
文。
注意——管理报文将通过在
PT
P_PASSIVE
状态的时钟端口转发，并且因此可以多次传到
某些时钟（见图
8
）。管理应用应该考虑这种情况。
6.2.2.2
PTP
通信协议
所有的非管理
PTP
报文都应以多播方式传播。<
/p>
多播通信导致一个
PTP
非管理报文的单
一传
输，该报文被所有分享同一
PTP
通信通道的时钟接收。管理报文可以通过多播方式或点对点
方式通信，所有时钟都能够通
过多播通信接受管理报文。
推荐所有的实现都采用一个真正的
多播实现作为实际的通信协议。
在点对点传输上扩建
的多播传输
的系统行为将会：
——不会随着时钟数目的增加而成比例的变化。
——要求时钟具备更复杂的逻辑来实现协议的要求。
发生在
PTP
域内的
P
TP
通信由一个子域名和一个端口类型来表征
（见
6.2.3
，
6.2.5.1
，
6.2.5.3
）。每个报文都包含该信息并且每个时钟都
保持这些从属于它的量的值。只有与报
文相关的子域名和端口类型与接收时钟的相应值一
致，时钟才会接受并处理该报文。
6.2.2.3 PTP
报文格式，报文时间戳点
point,
和时钟时间戳点
PTP
通信通过
PTP
报文来实现，在所有的通信技术中，
PTP
通信通道包含有区别的特定
区域称之为时钟时间戳点
clock timestamp points
，某些特定报文包含有区别的特征
称之
为报文时间戳点
message
timestamp
points
（
见
6.2.4.9
）。
PTP
communication
paths
are
modeled to contain
distinguishing locations known as the clock
timestamp points,
and certain messages
are modeled to contain a distinguishing feature
known as the
message timestamp point
。这些术语的精确定义会在本标准中定义或者在其支持
PTP
的各
网络协议的修订本中定义。
所有的
PTP
时间戳都是指同步或延迟请求报文的报文时间戳点经
过一个时钟时间戳点的时间。
这个时间应该做等待时间
(latency)
的校正
（见
7.
8.1.3
）
this
time
shall be corrected for latency
6.2.3 PTP
域（
domain
s
）
一个
PTP
域，以后只简写为域，是指一组或多组
< br>PTP
子域（
subdomains
）。一个
PTP
子域，以后只简写为子域，包括一个或多个
为了同步而互相通信的时钟。除了确定的
（
certain
）
PTP
管理报文，一个子域内的节点不能
够出于与
PTP
相关的原因与另一个子域
中的节点通信。
多个子域可以用来建立共享
PTP
通信通道的同步时钟的独立集合。
一个子域
内的时
钟之间互相同步但是不要求一个子域中的时钟与另一个子域中的时钟同步。
子域的目
的是为了允许用户建立局部的时钟组，
尤其是共享同一个通信通道的
时钟组，
该局部时钟组
包含一个独立于域中其他部分的时间基准
。
本标准中定义了四种子域，它们是：
——默认
PTP
域
DefaultPT
Pdomain
：如果一个域只包括唯一一个子域，该子域就是默认的子
域。它可能是一个包含一个或多个子域的域中的一个子域，除非被
PTP
管理报文或超出
本标准范围的特殊时钟方法修改（例如，
a switch on the clock
），时钟会使用这个
子域。
It may be a subdomain in a
domain consisting of one or more subdomains.
Unless
modified by a PTP Management
message or clock-specific means outside the scope
of this
standard (e.g., a switch on the
clock), the clock shall use this subdomain.
——
交替
PTP
域
1AlternatePTPdomain1
：
可能是一个包含一个或多个子域的域中的一个子域
。
This
may be a subdomain in a domain consisting of one
or more subdomains.
——交替
PTP<
/p>
域
2AlternatePTPdomain2
< br>：
可能是一个包含一个或多个子域的域中的一个子域。
——交替
PTP
域
3AlternatePTPdomain3
：
可能是一个
包含一个或多个子域的域中的一个子域。
除了前边给出的子域
，
一个域可能包含所谓的可选择子域
（任意子域？）
optional subdomains
。
可选
择子域要实现本标准中所有其他
all other
的要求。对
包含可选择子域的域的管理不在本
标准讨论范围之内。
举例来说：
——在图
2
中，如果边界时钟
14
和其
连接被删除，就包含了两个
PTP
域，一个包括组
9
，
10
，
11
，
12
，另一个包括组
1
，
2
，
3
，
4
，
5
，
6
，
7
，
8
，
< br>13
，
15
。
< br>
——如果节点
14
和
15
存在，就只有一个
PTP
< br>域，包含了所有的节点。
——如果节点
14
和
15
存在并且节点
1
，
2
，
3
被指定为属于
AlternatePTPdo
mani1
，
而剩下
的节点属于
DefaultPTPdomain
，那么，该系统就包含两个子域。
不要求一个子域内只存在唯一的通信媒介或通信技术。但是，
根据
6.2.2
，如果一个子
域中存在
多种通信媒介或通信技术，
该子域中的时钟必须包含两个或多个不相交的组，
每个
使用自己的
PTP
通
信通道，通过一个或多个边界时钟通信。
边界时钟应该能够实
现
PTP
协议关于
DefaultPT
Pdomain
的所有方面的要求。除此之外，
边界时钟可能能
够实现
PTP
协议关于另外的
PTP<
/p>
子域的要求（
AlternatePTPdomain1-3
）。
一个子域中的主时钟，除了发送同步
报文，还要向该子域内所有有端口在
PTP_SLAVE
状态的
时钟
（从时钟）
发送外部定时信号。<
/p>
该外部定时信号应该在除传递同步报文的媒体之外的一
种媒体上传
送。该外部定时型号还要在本地时钟的秒跃迁时发送
on the
seco
nds’ transition of
the local clock?????
接收外部定时型号的从时钟可以根据这个信息来与主时钟同步。
推荐从
时钟配置成只从与从时钟共享
PTP
通信通道的
主时钟接收外部定时信号
。因为外部定时信号
的通信媒介不是用
于
PTP
通信的媒介，这种配置不在本标准讨论范围之内。系统
也允许外部
定时信号被传递给子域之外的时钟或者与主时钟不在同一个
< br>PTP
通信通道上的时钟，这种情
况下系统的性能不在本
标准讨论范围之内。
6.2.4
时钟属性
PTP
系统中的时钟的特性由以下各节表述。
6.2.4.1 UUID
在一个
PTP
系统中的每个时钟和每个端口
都应该有一个标识符，称之为
UUID
。端口的标
识符称为
Port-
UUID
，时钟的标识符称为
Clock-UUID
。
UUIDs
应该在以下三个字段中描述：
——
communication_tec
hnology_field
通信技术字段：该字段描述该端口在
PTP
通信中
使用的通信媒体和技术。它的值从枚举变量
CommunicationId
中选择。（见表
< br>2
）
——
uuid_field
uuid
字段：该字段包含长度应该为
PTP_UUID_LENGTH
的八位数组。给定
时钟的该字段的值是在由
communication_technology_field
的值所决定的通
信技
术中是唯一的。
在所有的通信技术中，
都预留了一个该字段的各位全为零的值，
作
为
PTP
协议使用的一个特殊的值。如果该唯一标识符的长度小于
PTP_UUID_LENGTH
，
这种情况下的通
信技术应该由该字段左侧决定，不用的位补零。也就是说，
uuid_field
的最有效位应该在所有的通信技术中是有效的。不允许
UUIDs
的长度大
于
PTP_UUID_LENGT
H
。
——
port_id_field
端
口
id
字段：
该字段的数据类型应该是
16
位无符号整数。
普通时钟
上的一个端口的该字段的值应该为
1
，
带有
N
个端口的边界时钟上该字段的值应该是<
/p>
1
，
2
，??，
N
。当作为
Clock-UUID
的一部分时，该字段的值应该为
0
。要注意
的是
该字段的类型将边界时钟的端口数量限制在
65535
之内。
不要求在内存
in-memory
中设
置
layout
这些字段，它们针对以太网的在线
on-the-wire
设置由附录
D.1
给出。本节将给出比较两个
UUIDs
的算法。
任何
UUID
的默认值都是以下字段值：
——
c
ommunication_technology_field:PTP_DEFAULT
< br>——
uuid_field
：每个八位数各位都为
0
——
port_id_field
：
0
一个域中不能有两个带有相同
Port-
UUID
值的端口。
对普通时钟来说，
Clock-UUID
就是其唯一
PTP
端口的
Port-
UUID,
但是
Clock-UUID
的
port_id_field
的值必须为零。
对于一个边界时钟
C
来说，
Clock-
UUID
应该按如下构建：
——找出
C
的端口中最小的
Port-UUID
，
采用本节中的比较算法
（要注意的是
这些端口允
许有不同的
communication_tech
nology_fields
）。称这个最小的
Port-UU
ID
为
S
。
——
C
的
Cl
ock-UUID
应该包括：
1
）
一个<
/p>
communication_technology_field
字段，其值与
S
的值一样。
2
）
一个<
/p>
uuid_field
字段，其值与
S<
/p>
的值一样
3
）
一个<
/p>
port_id_field
字段，值为零
建议在一个应用给定通信技术的
PTP
域中的所有时钟使用相同的规范来决定
Clock-
UUID
，不遵从该建议的不在本标准范围内。
期望负责标准化各个网络技术的组织提供选择
uuid_field
字段的方法来满足本节的需
要。关于以太网的方法在附录
D.2
中给出了。如果满足本节要求的
UUID
没有被负责标准化一
种网络技术的组织所详细说明，那么对
uuid_field
字段的规范应该如
D.2<
/p>
中所规定的那样，
并且
communic
ation_technology_field
字段应为
PT
P_ETHER
。
IDL
：枚举量
CommunicationId
：
a: The IEEE
products referred to in Table 2 are trademarks
owned by the Institute of Electrical
and Electronics Engineers,
Incorporated.
b
：
LonTalk is a
registered trademark of Echelon Corporation.
c
：
SmartDistributedSyst
em is a trademark owned by Honeywell, Inc.
d
：
ControlNet is a
trademark owned by ControlNet International, Ltd.
e
：
InfiniBand is a
trademark owned by the InfiniBand Trade
Association.
f
：
Bluetooth is a
trademark owned by Bluetooth SIG, Inc.
以下算法定义了所有
UUIDs
的排序
属性：
——
communicati
on_technology_field
和
port_id_
field
的值看作是无符号整数。
——
uuid_fields
按如下比较：
1
）
设
X
和
Y
为两
个
uuid_fields
字段
2
）
如果<
/p>
X
中的每个八位字节与
Y
中相应的八位字节相等，则
X=Y
。
< br>
3
）
否则，考虑八位字节组
octets
的最有效位，将在此位置
上的八位字节组
octets
看作是无符号整数。如果属于
X
的八位字节比属于
Y
的八位字节小，则
X
，否
则<
/p>
X>Y
。
现在，给出
UUIDs
A
和
B
：
<
/p>
——如果
A
的
c
ommunication_technology_field
字段小于
B
的
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