PTPv2 時刻同期プロトコルの実装の詳細

導入

電力業界における「デジタル変電所」の構築のコンセプトでは、1 μs の精度での同期が必要です。 金融取引にはマイクロ秒の精度も必要です。 これらのアプリケーションでは、NTP 時間の精度はもはや十分ではありません。

IEEE 2v1588 標準で規定されている PTPv2 同期プロトコルでは、数十ナノ秒の同期精度が可能です。 PTPv2 を使用すると、L2 および L3 ネットワーク経由で同期パケットを送信できます。

PTPv2 が使用される主な分野は次のとおりです。

• エネルギー;
• 制御および測定機器。
• 軍産複合体。
• 電気通信;
• 金融部門。

この投稿では、PTPv2 同期プロトコルがどのように機能するかについて説明します。

私たちは業界でより多くの経験を持っており、エネルギーアプリケーションでこのプロトコルをよく目にします。 したがって、慎重にレビューを行っていきます エネルギーのために.

なぜ必要なのでしょうか?

現時点では、PJSC Rosseti の STO 34.01-21-004-2019 と PJSC FGC UES の STO 56947007-29.240.10.302-2020 には、PTPv2 経由で時刻同期を行うプロセス バスを編成するための要件が​​含まれています。

これは、リレー保護端子と測定デバイスがプロセス バスに接続されており、いわゆる SV ストリーム (マルチキャスト ストリーム) を使用して、プロセス バスを通じて瞬時の電流値と電圧値を送信するためです。

リレー保護端子はこれらの値を使用してベイ保護を実装します。 時間測定の精度が低い場合、一部の保護機能が誤って動作する可能性があります。

たとえば、絶対的な選択性の防御は、「弱い」時刻同期の犠牲になる可能性があります。 多くの場合、そのような防御のロジックは 1 つの量の比較に基づいています。 値が十分に大きな値で乖離すると、保護がトリガーされます。 これらの値が 1 ms の時間精度で測定された場合、XNUMX μs の精度で測定された場合は実際には値が正常であるところに、大きな差が得られます。

PTP バージョン

PTP プロトコルは、もともと 2002 年に IEEE 1588-2002 標準で記述され、「ネットワーク化された測定および制御システムのための高精度クロック同期プロトコルの標準」と呼ばれていました。 2008 年に、PTP バージョン 1588 を記述する更新された IEEE 2008-2 標準がリリースされました。このバージョンのプロトコルでは精度と安定性が向上しましたが、プロトコルの最初のバージョンとの下位互換性は維持されていませんでした。 また、2019 年には、PTP v1588 について説明した IEEE 2019-2.1 標準のバージョンがリリースされました。 このバージョンでは、PTPv2 に若干の改良が加えられており、PTPv2 との下位互換性があります。

つまり、バージョンを含めると次のような図になります。

PTPv1
(IEEE 1588-2002)

PTPv2
(IEEE 1588-2008)

PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)

PTPv1 (IEEE 1588-2002)

-
互換性がない

互換性がない

PTPv2 (IEEE 1588-2008)

互換性がない

-
互換性

PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)

互換性がない

互換性

-

しかし、いつものように、ニュアンスがあります。

PTPv1 と PTPv2 の間に互換性がないということは、PTPv1 対応デバイスが PTPv2 で実行されている正確なクロックと同期できないことを意味します。 同期には異なるメッセージ形式が使用されます。

ただし、同じネットワーク上で PTPv1 を備えたデバイスと PTPv2 を備えたデバイスを組み合わせることができます。 これを実現するために、一部のメーカーではエッジ クロック ポートでプロトコル バージョンを選択できるようにしています。 つまり、境界クロックは PTPv2 を使用して同期でき、さらに、境界クロックに接続されている他のクロックも PTPv1 と PTPv2 の両方を使用して同期できます。

PTP デバイス。 それらは何で、どのように違うのでしょうか?

IEEE 1588v2 標準では、いくつかのタイプのデバイスが説明されています。 それらはすべて表に示されています。

デバイスは、PTP を使用して LAN 経由で相互に通信します。

PTP デバイスはクロックと呼ばれます。 すべての時計はグランドマスター ウォッチから正確な時間を取得します。

時計の種類は5種類あります。

グランドマスタークロック

正確な時間の主な情報源。 GPS接続用のインターフェースを備えている場合が多い。

普通の時計

マスター (マスター クロック) またはスレーブ (スレーブ クロック) になることができるシングル ポート デバイス

マスタークロック（マスター）

これらは、他の時計を同期させるための正確な時刻のソースとなります。

スレーブクロック

マスタークロックから同期されるエンドデバイス

境界時計

マスターまたはスレーブとなることができる複数のポートを持つデバイス。

つまり、これらのクロックは上位のマスター クロックから同期することも、下位のスレーブ クロックから同期することもできます。

エンドツーエンドの透過的なクロック

マスター クロックでもスレーブでもない、複数のポートを持つデバイス。 XNUMX つの時計間で PTP データを送信します。

データを送信するとき、トランスペアレント クロックはすべての PTP メッセージを修正します。

補正は、送信されるメッセージのヘッダーの補正フィールドにこのデバイスの遅延時間を追加することによって行われます。

ピアツーピア透過クロック

マスター クロックでもスレーブでもない、複数のポートを持つデバイス。
XNUMX つの時計間で PTP データを送信します。

データを送信するとき、トランスペアレント クロックはすべての PTP メッセージ Sync および Follow_Up を修正します (詳細は以下を参照)。

補正は、送信パケットの補正フィールドに送信装置の遅延とデータ伝送路の遅延を加算することで実現されます。

管理ノード

他の時計を設定および診断するデバイス

マスター クロックとスレーブ クロックは、PTP メッセージのタイムスタンプを使用して同期されます。 PTP プロトコルには XNUMX 種類のメッセージがあります。

• イベント メッセージは、メッセージの送信時と受信時のタイムスタンプの生成を伴う同期メッセージです。
• 一般メッセージ - これらのメッセージにはタイムスタンプは必要ありませんが、関連メッセージのタイムスタンプが含まれる場合があります。

イベントメッセージ

一般的なメッセージ

同期
遅延要求
P遅延要求
P遅延_応答

アナウンス
フォローアップ
遅延応答
Pdelay_Resp_Follow_Up
マネジメント
シグナル伝達

すべてのタイプのメッセージについては、以下で詳しく説明します。

基本的な同期の問題

同期パケットがローカル ネットワーク上で送信されると、スイッチとデータ リンクで遅延が発生します。 どのスイッチでも約 10 マイクロ秒の遅延が発生しますが、これは PTPv2 では許容できません。 結局のところ、最終デバイスでは 1 μs の精度を達成する必要があります。 (これはエネルギーについて話している場合です。他のアプリケーションではより高い精度が必要になる場合があります。)

IEEE 1588v2 では、時間遅延を記録して修正できるようにするいくつかの動作アルゴリズムについて説明しています。

作業アルゴリズム
通常の動作中、プロトコルは XNUMX つのフェーズで動作します。

• フェーズ 1 - 「マスター クロック – スレーブ クロック」階層を確立します。
• フェーズ 2 - エンドツーエンドまたはピアツーピアのメカニズムを使用したクロック同期。

フェーズ 1 - マスター/スレーブ階層の確立

通常またはエッジ クロックの各ポートには、特定の数の状態 (スレーブ クロックとマスター クロック) があります。 この規格では、これらの状態間の遷移アルゴリズムが説明されています。 プログラミングでは、このようなアルゴリズムは有限状態マシンまたはステート マシンと呼ばれます (詳しくは Wiki を参照)。

このステート マシンは、ベスト マスター クロック アルゴリズム (BMCA) を使用して、XNUMX つのクロックを接続するときにマスターを設定します。

このアルゴリズムにより、上流のグランドマスター ウォッチが GPS 信号を失ったり、オフラインになったりした場合に、ウォッチがグランドマスター ウォッチの責任を引き継ぐことができます。

BMCA に従った状態遷移を次の図にまとめます。


「ワイヤー」の相手側の時計に関する情報は、特別なメッセージ (アナウンス メッセージ) で送信されます。 この情報が受信されると、ステート マシン アルゴリズムが実行され、どちらのクロックが優れているかを比較します。 最も優れたウォッチのポートがマスター ウォッチになります。

単純な階層を以下の図に示します。 パス 1、2、3、4、5 にはトランスペアレント クロックが含まれる場合がありますが、マスター クロック - スレーブ クロック階層の確立には関与しません。

フェーズ 2 - 通常のクロックとエッジ クロックを同期する

「マスター クロック – スレーブ クロック」階層を確立した直後に、通常クロックと境界クロックの同期フェーズが始まります。

同期するために、マスター クロックはタイムスタンプを含むメッセージをスレーブ クロックに送信します。

マスター クロックは次のとおりです。

• 単段;
• 二段階。

シングルステージクロックは、同期するために XNUMX つの Sync メッセージを送信します。

XNUMX 段階クロックは、同期に XNUMX つのメッセージ (Sync と Follow_Up) を使用します。

同期フェーズでは XNUMX つのメカニズムを使用できます。

• 遅延要求応答メカニズム。
• ピア遅延測定メカニズム。

まず、最も単純なケース、つまり透明な時計が使用されていない場合のこれらのメカニズムを見てみましょう。

遅延要求応答メカニズム

このメカニズムには次の XNUMX つのステップが含まれます。

1. マスター クロックとスレーブ クロックの間でメッセージを送信する際の遅延を測定します。 遅延要求/応答メカニズムを使用して実行されます。
2. 正確なタイムシフトの補正が行われます。

レイテンシ測定


t1 – マスタークロックによる同期メッセージの送信時間。 t2 – スレーブクロックによる同期メッセージの受信時刻。 t3 – スレーブクロックによる遅延要求 (Delay_Req)​​ の送信時間。 t4 – マスタークロックによる Delay_Req 受信時間。

スレーブ クロックが時刻 t1、t2、t3、t4 を知っている場合、同期メッセージ (tmpd) を送信するときの平均遅延を計算できます。 次のように計算されます。

Sync および Follow_Up メッセージを送信するとき、マスターからスレーブへの遅延時間 (t-ms) が計算されます。

Delay_Req および Delay_Resp メッセージを送信するとき、スレーブからマスターまでの時間遅延 (t-sm) が計算されます。

これら XNUMX つの値の間に何らかの非対称が発生すると、正確な時間の偏差を補正する際にエラーが発生します。 この誤差は、計算された遅延が t-ms 遅延と t-sm 遅延の平均であるために発生します。 遅延が互いに等しくない場合、時刻は正確に調整されません。

タイムシフト修正

マスター クロックとスレーブ クロック間の遅延が判明すると、スレーブ クロックは時刻補正を実行します。

スレーブ クロックは、パケットをマスターからスレーブ クロックに送信するときに、Sync メッセージとオプションの Follow_Up メッセージを使用して正確な時間オフセットを計算します。 シフトは次の式を使用して計算されます。

ピア遅延測定メカニズム

このメカニズムでは、同期のために次の XNUMX つの手順も使用します。

1. デバイスは、すべてのポートを介してすべてのネイバーへの時間遅延を測定します。 これを行うために、ピア遅延メカニズムを使用します。
2. 正確なタイムシフトを修正します。

ピアツーピア モードをサポートするデバイス間の遅延の測定

ピアツーピア メカニズムをサポートするポート間の遅延は、次のメッセージを使用して測定されます。

ポート 1 が時間 t1、t2、t3、および t4 を知っている場合、平均遅延 (tmld) を計算できます。 次の式を使用して計算されます。

次に、ポートは、デバイスを通過する各 Sync メッセージまたはオプションの Follow_Up メッセージの調整フィールドを計算するときにこの値を使用します。

合計遅延は、このデバイスを介した送信中の遅延、データ チャネルを介した送信中の平均遅延、およびアップストリーム デバイスで有効になっているこのメッセージにすでに含まれている遅延の合計に等しくなります。

メッセージ Pdelay_Req、Pdelay_Resp、およびオプションの Pdelay_Resp_Follow_Up を使用すると、マスターからスレーブ、およびスレーブからマスター (循環) までの遅延を取得できます。

これら XNUMX つの値の間に非対称があると、時間オフセット補正エラーが発生します。

正確なタイムシフトを調整する

スレーブ クロックは、パケットをマスターからスレーブ クロックに送信するときに、Sync メッセージとオプションの Follow_Up メッセージを使用して正確な時間オフセットを計算します。 シフトは次の式を使用して計算されます。

利点 ピアツーピア メカニズムの調整 - 各 Sync または Follow_Up メッセージの遅延時間は、ネットワーク内で送信されるときに計算されます。 したがって、伝送路を変更しても調整の精度には一切影響しません。

このメカニズムを使用する場合、時刻同期では、基本的な交換で行われるように、同期パケットが通過するパスに沿った時間遅延を計算する必要がありません。 それらの。 Delay_Req および Delay_Resp メッセージは送信されません。 この方法では、マスター クロックとスレーブ クロック間の遅延が各 Sync または Follow_Up メッセージの調整フィールドに単純に合計されます。

もう XNUMX つの利点は、マスター クロックが Delay_Req メッセージを処理する必要がなくなることです。

トランスペアレント クロックの動作モード

したがって、これらは単純な例でした。 ここで、同期パス上にスイッチが出現すると仮定します。

PTPv2 をサポートしていないスイッチを使用している場合、スイッチ上での同期パケットは約 10 µs 遅延します。

PTPv2 をサポートするスイッチは、IEEE 1588v2 用語ではトランスペアレント クロックと呼ばれます。 トランスペアレント クロックはマスター クロックから同期されず、「マスター クロック - スレーブ クロック」階層には参加しませんが、同期メッセージを送信するときに、メッセージがクロックによって遅延された時間を記憶します。 これにより、遅延時間を調整できます。

トランスペアレント クロックは XNUMX つのモードで動作できます。

• 端から端まで。
• ピアツーピア。

エンドツーエンド (E2E)

E2E トランスペアレント クロックは、すべてのポートで Sync メッセージと付随する Follow_Up メッセージをブロードキャストします。 一部のプロトコル (RSTP など) によってブロックされているものも含みます。

スイッチは、同期パケット (Follow_Up) がポートで受信されたときと、ポートから送信されたときのタイムスタンプを記憶しています。 これら XNUMX つのタイムスタンプに基づいて、スイッチがメッセージを処理するのにかかる時間が計算されます。 規格では、この時間を滞留時間と呼びます。

処理時間は、Sync (XNUMX ステップ クロック) または Follow_Up (XNUMX ステップ クロック) メッセージのcorrectionField フィールドに追加されます。

E2E トランスペアレント クロックは、スイッチを通過する Sync および Delay_Req メッセージの処理時間を測定します。 ただし、マスター クロックとスレーブ クロック間の時間遅延は、遅延要求/応答メカニズムを使用して計算されることを理解することが重要です。 マスター クロックが変更されるか、マスター クロックからスレーブ クロックへのパスが変更されると、遅延が再度測定されます。 これにより、ネットワークが変更された場合の移行時間が長くなります。

P2P トランスペアレント クロックは、スイッチがメッセージを処理するのにかかる時間を測定することに加えて、近隣遅延メカニズムを使用して最も近い近隣へのデータ リンク上の遅延を測定します。

遅延は、一部のプロトコル (RSTP など) によってブロックされているリンクを含む、双方向のすべてのリンクで測定されます。 これにより、グランドマスター クロックまたはネットワーク トポロジが変更された場合に、同期パスの新しい遅延を即座に計算できます。

Sync または Follow_Up メッセージを送信すると、スイッチによるメッセージの処理時間と遅延が蓄積されます。

スイッチによる PTPv2 サポートの種類

スイッチは PTPv2 をサポートできます。

• プログラム的に;
• ハードウェア。

ソフトウェアで PTPv2 プロトコルを実装する場合、スイッチはファームウェアにタイムスタンプを要求します。 問題は、ファームウェアが周期的に動作するため、ファームウェアが現在のサイクルを終了し、処理要求を受け取り、次のサイクル後にタイムスタンプを発行するまで待たなければならないことです。 これにも時間がかかり、PTPv2 のソフトウェア サポートがない場合ほど重大ではありませんが、遅延が発生します。

必要な精度を維持できるのは、PTPv2 のハードウェア サポートのみです。 この場合、タイムスタンプはポートにインストールされた特別な ASIC によって発行されます。

メッセージフォーマット

すべての PTP メッセージは次のフィールドで構成されます。

• ヘッダー – 34 バイト。
• 本文 – サイズはメッセージの種類によって異なります。
• サフィックスはオプションです。

ヘッダ

ヘッダー フィールドはすべての PTP メッセージで同じです。 サイズは 34 バイトです。

ヘッダーフィールドの形式:

メッセージタイプ – 送信されるメッセージのタイプ (Sync、Delay_Req、PDelay_Req など) が含まれます。

メッセージの長さ – ヘッダー、本文、サフィックスを含む PTP メッセージのフル サイズが含まれます (ただし、パディング バイトは除きます)。

ドメイン番号 – メッセージがどの PTP ドメインに属するかを決定します。

Домен - これらは XNUMX つの論理グループに収集され、XNUMX つのマスター クロックから同期される複数の異なるクロックですが、別のドメインに属するクロックと必ずしも同期するとは限りません。

フラグ – このフィールドには、メッセージのステータスを識別するためのさまざまなフラグが含まれています。

修正フィールド – 遅延時間がナノ秒単位で含まれます。 遅延時間には、トランスペアレント クロックを介して送信するときの遅延と、ピアツーピア モードを使用するときにチャネルを介して送信するときの遅延が含まれます。

ソースポートID – このフィールドには、このメッセージが最初に送信されたポートに関する情報が含まれています。

シーケンスID – 個々のメッセージの識別番号が含まれます。

コントロールフィールド – アーティファクト フィールド =) これは標準の最初のバージョンから残り、このメッセージのタイプに関する情報が含まれています。 基本的に messageType と同じですが、オプションが少なくなります。

ログメッセージ間隔 – このフィールドはメッセージ タイプによって決まります。

ボディ

上で説明したように、メッセージにはいくつかの種類があります。 これらのタイプについては以下で説明します。

お知らせメッセージ
Announce メッセージは、同じドメイン内の他のクロックにそのパラメータを「伝える」ために使用されます。 このメッセージにより、マスター クロック - スレーブ クロック階層を設定できます。


同期メッセージ
同期メッセージはマスター クロックによって送信され、同期メッセージが生成された時点のマスター クロックの時間が含まれます。 マスター クロックが 0 段階の場合、Sync メッセージのタイムスタンプは XNUMX に設定され、現在のタイムスタンプが関連する Follow_Up メッセージで送信されます。 同期メッセージは両方の遅延測定メカニズムに使用されます。

メッセージはマルチキャストを使用して送信されます。 オプションでユニキャストを使用できます。

Delay_Req メッセージ

Delay_Req メッセージのフォーマットは Sync メッセージと同じです。 スレーブ クロックは Delay_Req を送信します。 これには、Delay_Req がスレーブ クロックによって送信された時間が含まれます。 このメッセージは、遅延要求/応答メカニズムにのみ使用されます。

メッセージはマルチキャストを使用して送信されます。 オプションでユニキャストを使用できます。

フォローアップメッセージ

Follow_Up メッセージはマスター クロックによってオプションで送信され、送信時刻が含まれます。 メッセージを同期する マスター。 XNUMX ステージのマスター クロックのみが Follow_Up メッセージを送信します。

Follow_Up メッセージは、両方の遅延測定メカニズムに使用されます。

メッセージはマルチキャストを使用して送信されます。 オプションでユニキャストを使用できます。

Delay_Resp メッセージ

Delay_Resp メッセージはマスター クロックによって送信されます。 これには、Delay_Req がマスター クロックによって受信された時間が含まれます。 このメッセージは、遅延要求/応答メカニズムにのみ使用されます。

メッセージはマルチキャストを使用して送信されます。 オプションでユニキャストを使用できます。

Pdelay_Req メッセージ

Pdelay_Req メッセージは、遅延を要求するデバイスによって送信されます。 これには、メッセージがこのデバイスのポートから送信された時間が含まれます。 Pdelay_Req は、隣接遅延測定メカニズムにのみ使用されます。

Pdelay_Resp メッセージ

Pdelay_Resp メッセージは、遅延要求を受信したデバイスによって送信されます。 これには、このデバイスが Play_Req メッセージを受信した時間が含まれます。 Pdelay_Resp メッセージは、近隣遅延測定メカニズムにのみ使用されます。

メッセージ Pdelay_Resp_Follow_Up

Pdelay_Resp_Follow_Up メッセージは、遅延要求を受信したデバイスによってオプションで送信されます。 これには、このデバイスが Play_Req メッセージを受信した時間が含まれます。 Play_Resp_Follow_Up メッセージは XNUMX 段階のマスター クロックによってのみ送信されます。

このメッセージは、タイムスタンプの代わりに実行時間にも使用できます。 実行時間は、Pdelay-Req を受信した瞬間から Pdelay_Resp が送信されるまでの時間です。

Pdelay_Resp_Follow_Up は、近隣遅延測定メカニズムにのみ使用されます。

管理メッセージ

PTP 制御メッセージは、XNUMX つ以上のクロックと制御ノードの間で情報を転送するために必要です。

LVに転送

PTP メッセージは、次の XNUMX つのレベルで送信できます。

• ネットワーク – IP データの一部として。
• チャネル – イーサネット フレームの一部として。

UDP over IP over Ethernet を介した PTP メッセージ送信

PTP over UDP over Ethernet

プロファイル

PTP には、設定が必要な柔軟なパラメータが多数あります。 例えば：

• BMCA オプション。
• レイテンシ測定メカニズム。
• 設定可能な全パラメータの間隔や初期値など

また、以前に PTPv2 デバイスは相互に互換性があると述べたにもかかわらず、これは真実ではありません。 通信するには、デバイスの設定が同じである必要があります。

そのため、いわゆる PTPv2 プロファイルが存在します。 プロファイルは、特定のアプリケーションに対して時刻同期を実装できるように構成された設定と定義されたプロトコル制限のグループです。

IEEE 1588v2 標準自体は、「デフォルト プロファイル」という XNUMX つのプロファイルのみを記述しています。 他のすべてのプロファイルは、さまざまな組織や団体によって作成され、説明されています。

たとえば、電力プロファイル (PTPv2 電力プロファイル) は、IEEE 電力エネルギー協会の電力システム中継委員会と変電所委員会によって作成されました。 プロファイル自体は IEEE C37.238-2011 と呼ばれます。

プロファイルには、PTP が転送できることが記載されています。

• L2 ネットワーク経由のみ (つまり、イーサネット、HSR、PRP、非 IP)。
• メッセージはマルチキャスト ブロードキャストによってのみ送信されます。
• 遅延測定メカニズムとしてピア遅延測定メカニズムが使用されます。

デフォルトのドメインは 0、推奨ドメインは 93 です。

C37.238-2011 の背後にある設計哲学は、オプション機能の数を減らし、デバイス間の信頼性の高い相互作用とシステムの安定性の向上に必要な機能のみを保持することでした。

また、メッセージ送信の頻度も次のように決定されます。

実際、選択できるパラメータはマスター クロックのタイプ (シングル ステージまたは XNUMX ステージ) の XNUMX つだけです。

精度は 1 μs 以下である必要があります。 つまり、15 つの同期パスには最大 XNUMX 個のトランスペアレント クロックまたは XNUMX 個の境界クロックを含めることができます。

出所： habr.com