le Protocole de temps de précision (PTP)

Illustration numérique du protocole de temps de précision (PTP)

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

LIENS RAPIDES

1. Principe de synchronisation – PTP
1.2 Syntonisation – Ajustez la fréquence des esclaves à celle du maître
1.3 Synchronisation – Ajustez la fréquence des esclaves au maître
1.4 Synchronisation d'un client PTP
2. Possibilités de configuration
2.1 Mode de mesure du retard – De bout en bout (E2E)
2.2 Mode de mesure de retard – Peer to Peer (P2P)
2.3 Configuration multidiffusion et monodiffusion
2.4 Couche 2 et Couche 3
2.5 Configuration en 1 et 2 étapes
2.6 Intervalles et délais d'attente des messages
3. Profils
4. FAQ sur le PTP

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)

1.2 Syntonisation – Ajuster la fréquence des esclaves à celle du 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.

1.3 Synchronisation – Ajuster la fréquence 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.

Capture d'écran détaillant les informations sur le protocole NTP (Network Time Protocol) et le protocole PTP (Precision Time Protocol).

1.4 Synchronisation d'un client PTP

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

1. Transition en douceur : L'esclave accélère ou ralentit son horloge jusqu'à ce qu'elle soit alignée sur l'heure du maître.
2. Étape immédiate : L'esclave règle l'heure sur celle 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.

2. Possibilités de configuration

2.1 Mode de mesure du retard – 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.

2.2 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.

2.3 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.

Multicast

✅ Auto-configuration avec BMCA
❌ Certains réseaux bloquent la multidiffusion

Unicast

✅ moins de trafic réseau
❌ pré configuration des maîtres nécessaires

2.4 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 aux médias et les transmettre, 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).

2.5 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 étape :
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. CommeecoLe message secondaire est utilisé à la place pour porter l'horodatage capturé. Les anciennes implémentations de la norme 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)

2.6 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 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. 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. FAQ sur PTP

Quelle est la différence entre l’horodatage matériel et logiciel PTP ?

La principale différence réside dans la précision réalisable de la synchronisation. Lors de l'utilisation d'horodatages logiciels, comme c'est généralement le cas en mode logiciel uniquement, la précision de synchronisation pour les appareils esclaves est comprise entre 10 et 100 microns.ecodes résultats peuvent être obtenus. Cette précision est réalisable avec des périphériques réseau standards tels que des commutateurs conventionnels et des ordinateurs agissant comme esclaves logiciels PTP.

Le PTP peut-il fonctionner sur un WAN ?

PTP version 2 est spécialement conçu pour être utilisé dans les réseaux WAN. Cependant, l'efficacité de ce protocole est fortement influencée par la configuration du réseau respectif. Par exemple, un commutateur réseau doit être configuré comme une horloge transparente ou une horloge limite afin de permettre les performances de synchronisation élevées de PTP. Sans cette configuration spécifique, les performances de synchronisation de PTP seraient comparables à celles de NTP.

Quelle est la différence entre PTPv1 et PTPv2 ?

PTPv2 étend la norme IEEE 1588 avec de nombreuses fonctionnalités qui la rendent à la fois plus flexible et plus précis. Cette version se caractérise par une résolution améliorée dans la transmission des horodatages et apporte une polyvalence supplémentaire dans la communication grâce à l'introduction de messages Unicast et de fréquences adaptables pour les messages de synchronisation. De plus, PTPv2 ajoute la fonctionnalité d'une horloge transparente, permettant à deux appareils d'obtenir une synchronisation précise même entre les éléments de réseau intermédiaires.

Que sont les horloges transparentes ?

L'horloge transparente est généralement intégrée à un interrupteur. Sa tâche principale est de corriger toute latence provoquée par le switch. Cela se fait grâce à l'horloge transparente qui ajuste l'horodatage envoyé par le grand maître à l'heure réelle. Pour une horloge esclave, cela crée l’impression d’une connexion directe avec le grand maître. Ce mode de fonctionnement, en combinaison avec l'algorithme Best Master Clock, garantit que deux grands maîtres n'agissent pas en tant que maîtres en même temps au sein du même réseau.

IEEE 1588 fonctionne-t-il sans matériel spécial ?

L’objectif est d’atteindre des sous-microsecoet précision sur un réseau Ethernet. Si des appareils qui ne prennent pas en charge les horodatages matériels sont utilisés, la précision sera compromise, compromettant l’objectif principal et l’essence du protocole. Pour maximiser l'efficacité du PTP, il est nécessaire que l'ensemble du réseau, de l'horloge maître à l'horloge esclave, ait une implémentation conforme à la norme IEEE 1588, idéalement avec une implémentation proche du matériel.