Résumé des informations NTP et PTP

Liens rapides:

• 1. Introduction
• 2. NTP - Protocole de temps réseau (RFC 1305, 5905)
• 2.1. Principe de synchronisation – NTP Unicast
• 2.2. Principe de synchronisation – NTP Multicast
• 2.3. Définition de la strate dans la synchronisation de l'heure NTP
• 3. PTP - Protocole de temps de précision (IEEE 1588)
• 3.1. Principe de synchronisation – PTP
• 3.1.1. Syntonisation - Ajustez la fréquence des esclaves au maître
• 3.1.2. Synchronisation - Ajuster l'heure des esclaves au maître
• 3.2. Synchronisation d'un client PTP
• 3.3. Possibilités de configuration
• 3.3.1. Mode de mesure du retard – E2E ou P2P
• 3.3.2. Configuration multidiffusion et monodiffusion
• 3.3.3. Couche 2 et Couche 3
• 3.3.4. Configuration en 1 étape et en 2 étapes
• 3.3.5. Intervalles et délais d'attente des messages
• 3.4. Profils
• 4. Comparaison - NTP vs PTP
• 4.1. Trafic réseau
• 4.2. Nombre de clients
• 4.3. Quel est le bon protocole pour votre application ?
• 5. Comment Mobatime peut-il prendre en charge ?

1. Introduction

PTP et NTP fournissent tous deux une synchronisation de l'heure sur un réseau basé sur les paquets. PTP définit les messages de synchronisation utilisés entre une horloge maître et esclave similaire au mode serveur et client utilisé dans le protocole NTP (Network Time Protocol). Néanmoins, les deux protocoles ne sont pas dédiés aux mêmes applications. Cela dépend des besoins du système, lequel des protocoles est préféré.

Cet article explique le principe de fonctionnement des deux protocoles et montre leurs différences. La description fournie ici des deux protocoles permet au lecteur de comprendre les avantages des deux protocoles et l'aide à choisir la bonne solution pour ses besoins.

2. NTP - Protocole de temps réseau (RFC 1305, 5905)

NTP est un ancien protocole Internet, qui est encore largement utilisé pour distribuer le temps. NTP fournit un moyen simple de synchroniser tous les appareils sur un réseau régulier et même sur l'Internet public. Pour garantir une heure fiable dans un réseau local, la meilleure solution consiste à placer un serveur NTP, qui est connecté à une antenne GNSS, dans le réseau. Alors que le temps est nécessaire pour les horloges, les systèmes de contrôle d'accès et autres systèmes similaires, la précision de NTP est suffisante. L'avantage de NTP est sa robustesse et sa capacité à fonctionner sur des équipements informatiques standards.

NTP utilise le protocole de datagramme utilisateur UDP pour transmettre les requêtes et les réponses. NTP prend en charge deux modes différents.

2.1. Principe de synchronisation – NTP Unicast

Pour synchroniser son horloge avec un serveur distant, le client NTP doit calculer la temps de retard aller-retour et le décalage. Le délai aller-retour est calculé comme

l'heure
t₀ est l'horodatage du client de la transmission du paquet de requête,
t₁ est l'horodatage du serveur de la réception du paquet de requête,
t₂ est l'horodatage du serveur de la transmission du paquet de réponse et
t₃ est l'horodatage du client de la réception du paquet de réponse.

Donc
t₃ −t₀ est le temps écoulé côté client entre l'émission du paquet de requête et la réception du paquet de réponse et
t₂ −t₁ est le temps que le serveur a attendu avant d'envoyer la réponse.
Le décalage θ est donné par

La synchronisation NTP est correcte lorsque le trafic entrant et sortant routes entre le client et le serveur ont un délai nominal symétrique.

2.2. Principe de synchronisation – NTP Multicast

La multidiffusion est un type de diffusion, mais uniquement pour un groupe défini d'appareils finaux. Les terminaux enregistrent leur appartenance au groupe avec une adresse IP fictive via IGMP (Internet Group Management Protocol) sur le commutateur ou le routeur. Le commutateur/routeur enregistre à quel port il doit envoyer quels paquets multicast. Ce type de synchronisation temporelle n'impose qu'une charge minimale sur le réseau, car la communication n'a lieu que dans un seul sens et uniquement vers les participants d'un même groupe multicast.

Définitions de multidiffusion:

• les clients rejoignent un groupe et "écoutent" l'adresse du groupe
• les clients n'ont pas besoin d'adresse IP
• le serveur envoie des données à l'adresse du groupe
• communication unidirectionnelle
• l'adresse de groupe est une adresse IP comprise entre 224.0.0.0 et 239.255.255.255

2.3. Définition de strate dans la synchronisation temporelle NTP

NTP utilise un système hiérarchique de niveaux de sources d'horloge. Chaque niveau de cette hiérarchie est appelé une strate et se voit attribuer un numéro de couche commençant par zéro en haut. Le niveau strate définit sa distance par rapport à l'horloge de référence. Il est important de noter que la strate n'est pas une indication de qualité ou de fiabilité. Cette définition de strate est également différente de la notion de strates d'horloge utilisé en télecosystèmes de communication.

Les flèches jaunes indiquent une connexion directe ; les flèches rouges indiquent une connexion réseau.

Horloges GNSS sont généralement considérés comme l'horloge de la strate 0. Cela signifie qu'un serveur NTP, synchronisé par un récepteur de signal horaire GNSS, représente une horloge de strate 1.

3. PTP - Protocole de temps de précision

Precision Time Protocol (PTP) est un protocole utilisé pour synchroniser les horloges sur un réseau basé sur les paquets. Il est utilisé pour fournir une heure très précise et fiable sur des réseaux locaux ou étendus pour divers systèmes et applications. PTP est défini dans la norme IEEE 1588.

3.1. Principe de synchronisation – PTP

Pour adapter son heure à l'heure du maître, l'esclave doit corriger les valeurs. L'esclave corrige d'abord sa dérive d'horloge (Syntonisation) puis adapte son heure en déterminant le décalage en fonction de la durée de la transmission (Synchronisation)

3.1.1. Syntonisation - Ajustez la fréquence des esclaves au maître

Avant la synchronisation temporelle, l'esclave utilise les messages de synchronisation consécutifs pour se syntoniser sur le maître (aligner sa fréquence). La différence entre deux horodatages consécutifs t₁ indique à l'esclave l'intervalle des messages de synchronisation du maître. Avec ses propres horodatages t₂ il est maintenant capable de calculer et de compenser son écart d'horloge. Cette procédure est répétée régulièrement pour compenser les variations de fréquence dans le temps en raison des conditions environnementales ou d'autres changements.

3.1.2. Synchronisation - Ajuster l'heure des esclaves au maître

Pour synchroniser l'heure d'un esclave PTP, le processus illustré ici est utilisé. Le maître le démarre en envoyant un message de synchronisation (et le suit en mode en deux étapes). Ensuite, l'esclave envoie la demande de délai et récupère la réponse de délai. Avec ces messages, l'esclave collecte les quatre horodatages t₁ à t₄, qui lui permettent de calculer son décalage et d'adapter son temps à celui du maître. La clé de la précision de PTP est la précision de ces quatre horodatages, car l'horodatage matériel est requis.

3.2. Synchronisation d'un client PTP

La norme ne définit pas comment l'esclave corrige son horloge interne. Il y a deux options :

• Transition douce : l'esclave accélère ou ralentit son horloge jusqu'à ce qu'elle soit alignée sur l'heure du maître
• Pas immédiat : L'esclave règle l'heure sur l'heure du maître (saut en avant ou en arrière).

Cela dépend de l'application, du comportement utilisé. S'il n'est pas permis d'avoir des sauts de temps (par exemple pour des raisons de journalisation), la transition en douceur est requise. En revanche, si un alignement rapide est important, mieux vaut faire un saut puis immédiatement le bon temps.

3.3. Possibilités de configuration

3.3.1. Mode de mesure du retard – E2E ou P2P

De bout en bout (E2E):

Ce mécanisme de délai nécessite que l'esclave mesure le délai entre lui-même et le maître (donc de bout en bout). Le maître et l'esclave envoient des messages IEEE 1588 appelés DELAY REQUEST et DELAY RESPONSE dans les deux sens entre les deux, permettant de mesurer le retard. Une fois le retard connu, l'Esclave peut ajuster sa fréquence et son temps pour se synchroniser avec le Maître.

Idéalement, le retard entre le maître et l'esclave est constant, par exemple lors de l'utilisation d'un fil. Dans un réseau réel, il existe des périphériques de couche 2 et/ou de couche 3 entre lesquels le délai est variable. Si les périphériques réseau entre le maître et l'esclave fonctionnent comme une horloge transparente, ils ajoutent des valeurs de correction à certains messages PTP, ce qui aide l'esclave à supprimer ce retard variable.

Poste à poste (P2P) :

Ce mécanisme de délai nécessite que chaque élément du réseau mesure le délai entre son port d'entrée et l'appareil connecté à l'autre extrémité du fil de ce port d'entrée (l'appareil pair). Au fur et à mesure que le maître envoie sa vue temporelle (à l'aide de messages SYNC) vers le ou les esclaves, chaque élément de réseau en cours de route reçoit le message SYNC et ajoute une correction au message SYNC. La correction inclut le retard de transmission mesuré du port d'entrée sur lequel le message SYNC a été reçu. Pour les horloges transparentes, la correction inclut également le retard à travers le pont. Cette correction est cumulative car elle traverse les nœuds saut par saut. Comme le message SYNC arrive finalement à un Esclave, la correction cumulative dans le message SYNC contiendra le retard total du Maître à l'Esclave. Cela évite à l'esclave d'avoir à envoyer des messages avec le maître. Peer-to-Peer est une technologie IEEE 1588 plus récente, et tous les appareils déployés aujourd'hui ne prennent pas en charge Peer-to-Peer.

3.3.2. Configuration multidiffusion et monodiffusion

À l'origine, PTP est défini comme multidiffusion. Le BMCA utilise des messages multicast pour trouver le grandmaster et uniquement avec la multidiffusion, l'esclave est capable de trouver le maître par lui-même sans configuration de l'utilisateur.

Dans les grands réseaux, la communication multidiffusion produit beaucoup plus de trafic et certains réseaux ne prennent pas en charge la multidiffusion pour différentes raisons. Dans ces cas, le fonctionnement en monodiffusion est une solution possible. Avec la communication unicast, l'esclave a besoin de connaître l'adresse du maître au préalable (par configuration utilisateur) : l'esclave a besoin d'une liste de maîtres possibles - tableau des maîtres acceptables - à connaître, d'où il peut prendre son temps.

3.3.3. Couche 2 et Couche 3

La couche 2 définit le protocole pour établir et terminer une connexion physique entre deux appareils. En dessous de IEEE 802, la couche 2 peut être divisée en deux sous-couches. Le MAC approuve les appareils pour accéder et transmettre les médias, tandis que la couche de liaison logique (LLC) identifie d'abord les protocoles sur la couche réseau, puis vérifie les erreurs et la synchronisation des trames.

Là où la couche 3 fonctionne avec des adresses IP, la couche 2 fonctionne avec des adresses MAC. Les adresses MAC sont des identifiants uniques pour la carte réseau présente dans chaque appareil. Comme les adresses IP sont une couche d'abstraction plus élevée que les adresses MAC, elles sont nécessairement "plus lentes" (théoriquement - d'après notre expérience humaine, c'est académique). Les adresses IP sont également « louées » ou « attribuées » généralement par un serveur DHCP. Une adresse MAC est une adresse fixe de l'adaptateur réseau et ne peut pas être modifiée sur un périphérique sans changer l'adaptateur matériel.

PTPv2 offre la possibilité de fonctionner avec UDP (ISO/OSI Layer 3, Ethertype : UDP x0800) ou directement sur Ethernet (Layer 2, Ethertype x88F7).

3.3.4. Configuration en 1 étape et en 2 étapes

La clé de la précision de l'IEEE 1588 est la capacité d'horodater les messages PTP aussi près que possible de l'entrée et de la sortie de l'interface physique. Une haute précision n'est possible que si le matériel est utilisé pour capturer les horodatages. Il existe deux types de modes d'horodatage utilisés, 1 étape et 2 étapes :

Mode 1 étape

L'horodatage est capturé en temps réel lorsque le message commence à être transmis par le port physique et lorsque le message est transmis, l'horodatage est ajouté à la volée.

Mode 2 étapes

L'horodatage est capturé en temps réel lorsque le message commence à être transmis par le port physique, mais l'horodatage n'est pas ajouté à la volée à ce message. CommeecoUn message ndaire est utilisé à la place pour transporter l'horodatage capturé.

Les anciennes implémentations d'IEEE 1588v2 utilisaient le mode d'horodatage en 2 étapes, car le matériel n'était pas en mesure d'ajouter l'horodatage à la volée. La plupart des implémentations modernes prennent en charge le mode d'horodatage en 1 étape.

3-meilleur algorithme d'horloge maître :

Dans un domaine PTP, tous les nœuds écoutent ce que l'on appelle le message «Announce» :

An Annoncer le message contient des informations de qualité et de priorité de l'Horloge qui l'envoie

• Quand pas "Annoncer" messages a été reçu pendant un intervalle défini les nœuds becoMe Master et commencent à envoyer leurs propres messages « Annoncer »
• Si un nœud reçoit un message «Announce» qui est meilleur par sa qualité, le nœud arrête d'envoyer des messages «Announce» et becomes esclave
• Si un nœud reçoit un message « Annoncer » qui est moins bon par sa qualité, le nœud reste en maître et continue à envoyer des messages « Annoncer » dans un intervalle défini.
  • Lorsque le réseau a déterminé le meilleur nœud du réseau, celui-ci est le seul à envoyer des messages d'annonce => 1 maître, N esclaves
  • Cet algorithme s'exécute tout le temps, c'est-à-dire si un autre nœud becomes mieux ou le maître actuel devient pire qu'un autre nœud la topologie change
• Cet algorithme est appelé Meilleur algorithme d'horloge maître (BMCA)

3.3.5. Intervalles et délais d'attente des messages

PTP définit trois intervalles différents, qui peuvent être configurés pour les différents types de messages (décrits au chapitre 3.1) :

Annoncer l'intervalle :

L'intervalle pour le message d'annonce est configurable de 2^-7 - 2⁷ secosd.

Avec cette plage, le message d'annonce peut être envoyé 128 fois par second à une fois toutes les 128 secosd.

S'il n'est pas défini autrement, le réglage 1 est utilisé, où toutes les 2 secoles messages d'annonce nds sont envoyés.

Intervalle de synchronisation

Pour l'intervalle de synchronisation, la même plage que pour le message d'annonce est configurable.

Le réglage par défaut 0 est utilisé, où toutes les secoe messages de synchronisation sont envoyés.

Retarder l'intervalle de demande

Pour l'intervalle de demande de délai, la même plage que pour le message d'annonce est configurable.

Le réglage par défaut 0 est utilisé, où toutes les secoe messages de demande de délai sont envoyés.

3.4. Profils

Un profil PTP est une sélection de caractéristiques facultatives et de valeurs d'attributs. Le but d'un profil est de définir des restrictions sur les attributs PTP possibles pour simplifier l'interopérabilité entre différents périphériques PTP dans une certaine application.

IEEE 1588 a défini deux profils PTP par défaut :

E2E par défaut:
Synchronisation de bout en bout sur la couche 3 (voir chapitre 2.3)

P2P par défaut:
Synchronisation Peer-to-Peer sur la couche 2 (voir chapitre 2.4)

D'autres profils sont définis par différentes industries pour leurs applications spécifiques.

Industries énergétiques :
IEEE 61850-9-3 (profil d'alimentation), EEE C37.238 (profil d'alimentation)

Téléphone ecom Profil :
Profil de fréquence défini dans ITU-T G.8265.1, profil de phase défini dans ITU-T G.8275.1 & G.8275.2

Diffusions:
SMPTE ST 2059-2 2015

TSN (Diffusion, Automatisation):
IEEE 802.1AS

4. Comparaison - NTP vs PTP

CLAUSE DE NON-RESPONSABILITÉ : Les informations ci-dessous ne sont généralement pas valables. La comparaison est spécifique aux exigences et peut différer dans les applications réelles ! Une tentative a été faite pour mettre en contraste les facteurs de base. Les facteurs de base ont été comparés les uns aux autres afin de montrer les avantages du protocole respectif. Il est important de comprendre qu'il n'y a pas de ligne de démarcation claire et que l'application détermine en dernier ressort le choix du protocole.

Les serveurs de temps NTP et PTP utilisent des protocoles de temps réseau pour fournir l'heure à d'autres appareils sur le réseau et réaliser la synchronisation de l'heure.

►NTP utilisé pour la synchronisation "au niveau de l'application"

• Granularité de niveau grossier
• L'exigence de garantie de synchronisation n'existe pas
• Exemple : fichiers journaux d'erreurs d'horodatage

►PTP utilisé pour la synchronisation de précision

• Applications critiques
• Matériel dédié pour minimiser les problèmes sur le chemin
• Algorithmes haut de gamme pour éliminer la gigue du réseau et de l'équipement

4.1. Trafic réseau

La charge des deux protocoles dépend principalement des paramètres configurés.

4.2. Nombre de clients

NTP :

En utilisant le mode multidiffusion, il n'y a pratiquement aucune limite pour le nombre de clients. Le paquet de temps NTP est envoyé à tous les clients en même temps, donc le nombre de clients n'est pas pertinent pour le serveur et n'augmente pas sa charge.

En mode Unicast, le serveur NTP doit répondre individuellement à chaque requête d'un client. De puissants serveurs NTP à la pointe de la technologie sont capables de répondre à plusieurs milliers de requêtes par secondeecond sans réduire la précision.

Pour le client lui-même, le nombre d'autres clients dans le réseau n'est pas pertinent.

PTP:

PTP utilise principalement la communication multidiffusion et, par conséquent, la charge du réseau augmente avec chaque appareil connecté. Chaque appareil doit être capable de gérer tous les messages multicast transférés sur le réseau.

Dans cette configuration, le nombre maximum de clients dépend de tous les appareils connectés et pas seulement du maître. Si le mode monodiffusion est utilisé, cette limitation est supprimée et la limite n'est définie que par le Grandmaster. Grandmasters sont capables de répondre à plusieurs milliers de requêtes par second sans réduire la précision. Dans l'ensemble, le nombre de clients pouvant être traités dépend fortement des intervalles configurés.

4.3. Quel est le bon protocole pour votre application ?

CLAUSE DE NON-RESPONSABILITÉ : Les informations ci-dessous ne sont généralement pas valables. Il est important de comprendre qu'il n'y a pas de ligne de démarcation claire et que l'application détermine en dernier ressort le choix du protocole.

PTP et NTP fournissent tous deux une synchronisation de l'heure sur un réseau basé sur les paquets. Mais les deux protocoles ne sont pas dédiés aux mêmes applications. Cela dépend des besoins du système, lequel des protocoles est préféré.

NTP est le choix pour toutes les applications, pour lesquelles une précision de synchronisation de l'ordre de Milliseconds est suffisant. Pour ces applications, NTP est le plus simple et le plus ecosolution nominale. Il est fiable, robuste et simple à configurer. NTP ne nécessite aucune configuration ou équipement spécial dans le réseau sous-jacent.

Les applications NTP typiques sont :

• Synchronisation des horloges
• Fichiers journaux

PTP est nécessaire lorsqu'un niveau de précision plus élevé est requis. Avec sous-micros PTPecond ou même nanosecond précisions sont réalisables. La clé de PTP est l'horodatage matériel. Ce n'est que si l'horodatage se produit à proximité du fil qu'il est possible d'atteindre ce haut niveau de précision. L'inconvénient est la nécessité d'un matériel dédié et d'un réseau technique.

Les applications PTP typiques sont :

• Téléphone ecom – Synchronisation des stations de base
• Contrôle du trafic – synchronisation de différents équipements de contrôle ou de différents sites
• Diffusion – synchronisation des équipements audio et vidéo
• Energie – Synchronisation des sous-stations
• Banque – Synchronisation pour le trading à grande vitesse

5. Comment Mobatime peut-il prendre en charge ?

MOBATIME fournir NTP et de PTP de produits, qui offre des interfaces très précises telles que PRC, PTP IEEE1588 V2, NTP, etc. avec un avantage de précision dans l'exactitude ainsi que la traçabilité. Grandmasters et Time Server sont équipés d'oscillateurs à quartz ou atomiques pour fournir des solutions de temps, d'impulsion, de phase et de fréquence prenant en charge la synchronisation à l'aide du système mondial de navigation par satellite pour un réseau d'infrastructure de moyenne ou grande taille.

Serveurs de temps NTP synchronisez vos réseaux avec une grande précision et fiabilité. Tous les systèmes du réseau informatique disposent de l'heure exacte grâce à la synchronisation via NTP. Les événements peuvent ainsi être classés chronologiquement grâce à des horodatages précis.

• temps de haute précision pour tous les environnements réseau
• Serveur de temps NTP (Network Time Protocol) pour diverses applications
• Horloge maître de serveur de temps combiné pour une utilisation dans des systèmes d'horloge complexes

PTP Grandmasters sont des systèmes combinés de temps et de synchronisation qui garantissent une précision et une disponibilité maximales. Ils peuvent être utilisés comme IEEE-1588 PTP grandmasters et ainsi répondre aux exigences de base pour le respect des spécifications strictes de précision du temps MiFID II dans le domaine du trading haute fréquence, par exemple.

• extrêmement stable et de haute précision grâce aux oscillateurs au rubidium
• très précis en mode roue libre
• Serveur de temps PTP (Precision Time Protocol) pour diverses applications

PTP Slave produit - DTS 4020.timebridge permet de convertir les signaux PTP en signaux hérités.

créé par Félix Mosimann | 21.04.2022