PTP

PTP nach IEEE-1588

Das Precision Time Protocol (PTP) – IEEE 1588 Standard – ist ein auf Paketen und dem Master-Slave Prinzip basierendes Protokoll, das bei Bedarf zur hochgenauen Synchronisation von Geräten in einem Netzwerk dient.
Bereits Standard PTP kann eine Genauigkeit im Submikrosekundenbereich erreichen. Neben dem Standardprofil, welches bereits in der PTP-Spezifikationen selbst definiert ist, existieren weitere Profile, welche den Anwendungsbereich erweitern und größtenteils außerhalb von IEEE 1588 gepflegt werden. In den neuesten Versionen von PTP sind jedoch auch Profile, sowie ein Profilsystem in die Spezifikation selbst eingeflossen.

Im Folgenden ein kurzer Überblick über die Versionierungsgeschichte:

Bei IEEE 1588-2002 bzw. „v1“ handelt es sich um die ursprüngliche Form des PTP-Protokolls, welches durch IEEE 1588-2008, auch bekannt als v2 abgelöst wurde. Zu diesem Zeitpunkt war keine Rückwärtskompatibilität zu v1 gegeben. In der neuesten Revision IEEE1588-2019, welche ebenfalls als PTP v2.1 bezeichnet wird, wurde die Kompatibilität im Vergleich zur Revision 2008 verbessert, indem ein Mischbetrieb aus v2 und v2.1 ermöglicht wird. D.h. es ermöglicht den Betrieb von 1588-2008 (PTP v2.0)-Systemen zusammen mit IEEE 1588-2019 (PTP v2.1)-Systemen unter bestimmten Einschränkungen, wie in IEEE 1588-2019, Kapitel 19 beschrieben. IEEE 1588-2019 (PTP v2.1) stellt die Kompatibilität mit 1588-2002 (PTP v1.0) ein.

PTP IEEE-1588 (2002)

PTP IEEE 1588-2002 ist die erste Version des Standards und definiert das grundlegende Protokoll. Im Vergleich zu seinen Nachfolgern, bietet PTPv1 eine geringere Genauigkeit und Funktionalität. Es unterstützt ebenfalls nur Unicast-und keine Multicast-Kommunikation, was bedeutet, dass es für größere Netzwerke mit vielen Geräten ungeeignet ist. Es unterstützt auch keine asynchrone Übertragung von Signalen und bietet keine Unterstützung für die Erkennung von fehlerhaften Verbindungen. Dennoch besitzt PTPv1 eine höhere Genauigkeit als NTP und kann dort eingesetzt werden wo der Funktionsumfang von PTPv2 nicht benötigt wird.

Die Synchronisation der Zeit zwischen Master und Slave erfolgt über „Event Messages“. Diese Messages werden vom Master über UDP verteilt und von den Slaves beantwortet. Zunächst werden sogenannte Sync-Messages ausgetauscht, die konkrete Zeitstempel enthalten und es dem Slave erlauben, seinen Offset gegenüber dem Master zu korrigieren. Da diese Sync-Messages eine gewisse Laufzeit im Netzwerk benötigen, sind sie in der Regel nicht ausreichend, um einen genauen Abgleich durchzuführen. In darauf folgenden Schritten wird der Delay, also die Verzögerung durch das Netzwerk, korrigiert, indem die Roundtrip-Zeit berücksichtigt wird, also die Zeit, die eine Anfrage benötigt, um als Antwort zurückzukommen.

PTP IEEE-1588 (2008)

Ein Fortschritt von IEEE 1588-2008 ist die Einführung bzw. Unterstützung transparenter Uhren. Diese Uhren sind in der Lage, eine Zeitstempelung innerhalb einer festgelegten Zeitgrenze zuverlässig auszuführen, was eine verbesserte Genauigkeit bei der Synchronisation ermöglicht.

Eine weitere Neuerung ist die offizielle Einführung von Profilen. Ein Profil definiert spezifische Anforderungen und Konfigurationsoptionen für die Anwendung des Standards in einem bestimmten Bereich, wie z.B. Telekommunikation, industrielle Automatisierung oder Test- und Messsysteme. Dies hilft, den Standard besser an Anwendungen anzupassen.

Verbesserte Leistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit: IEEE 1588-2008 enthält eine Reihe von Verbesserungen in Bezug auf die Leistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit des Standards im Vergleich zu IEEE 1588-2002. Zum Beispiel wurden Verbesserungen in der allgemeinen Genauigkeit der Zeitsynchronisation und der Handhabung von Netzwerkstörungen vorgenommen.

WRPTP

White Rabbit (WR) ist der Name eines kollaborierenden Projektes, das eine gleichnamige Open-Source Technologie hervorgebracht hat, welche zur Zeitanpassung (-synchronisation) zwischen verschiedenen Knoten in einem Netzwerk dient und dabei eine Präzision im Nanosekundenbereich erzielt. Gedacht ist diese für zeitsensitive, verteilte Anwendungen. Hervorgegangen ist dieses Protokoll, vereinfacht ausgedrückt, aus einer Kombination des IEEE1588 Standards zu PTP (Precision Time Protokoll) und SyncE.

Vor White Rabbit war allgemein eine Synchronisationsgenauigkeit im Sub-Nanosekundenbereich nur dedizierter und fest verdrahteter Zeitmesssysteme vorenthalten, welche sich auch durch ihre komplexe „Verkabelung“ auszeichnen. Zusammen mit Real-Time Ethernet Technologie lassen sich nun auch flexible Netzwerke bauen, die entweder Timing und Synchronisation einer verteilten Infrastruktur zur Verfügung stellen oder Datentransfers und Zeit gleichzeitig im Gigabit-Bereich.
Tatsächlich war es das CERN, das den Anstoß für das WR-Projekt gab, da es eine starke Nachfrage nach einem Zeitmessungssystem gab, das die strengen Anforderungen der Anwendungsfälle des CERN erfüllen konnte.

In WR wird diese genaue Verbindungsverzögerung durch die Verwendung von Hardware-Zeitstempeln, durch die Berechnung des für die Kalibrierung erforderlichen Faserasymmetriekoeffizienten und durch die Berücksichtigung fester hardwareabhängiger Schaltkreisverzögerungen erreicht. Die White Rabbit Technologie war bis zur Veröffentlichung von IEEE 1588-2019 eine eigenständige Technologie, welche sich PTP zu Nutze gemacht hat.

PTP IEEE-1588 (2019)

WR-Standardisierung

Im Juni 2020 wurde es als Generalized White Rabbit (High Accuracy) in den Standard IEEE1588-2019 im dritten Default PTP Profile in Annex I integriert.

gPTP nach IEEE 802.1AS

Neben PTP nach IEEE 1588 existiert ebenfalls eine Protokollvariante namens gPTP (Generalized Precision Time Protocol) nach IEEE 802.1AS, welches ebenfalls zur hochgenauen Zeitsynchronisation über verschiedene Übertragungsmedien eignet. gPTP schränkt einige Optionen von PTP ein, definiert jedoch einige Besonderheiten. Es wurde von der Audio-Video Bridging (heute Time Sensitive Networking) Task Group des IEEE 802.1 in einer ersten Version 2011 und in einer neuen Version als IEEE 802.1AS-2020 standardisiert. Somit ist gPTP ein wichtiger Teil von Audio Video Bridging (AVB), eine gängige Bezeichnung für eine Gruppe  technischer Spezifikationen.