Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588 · סנכרון זמן מדויק
Precision Time Protocol (PTP) הוא התקן המרכזי לסנכרון זמן מדויק ברשתות Ethernet.
בעוד ש־NTP מתאים לרוב מערכות ה־IT, ישנם תחומים שבהם סטייה של אפילו מיקרו־שנייה אחת אינה מקובלת.
השוואה בין NTP ל־PTP
| קריטריון | NTP | PTPIEEE 1588 |
|---|---|---|
| דיוק אופייני | כ־1 מילישנייה(10⁻³ שניות) | עד כ־100 ננו־שניות(10⁻⁷ שניות) |
| מקור השגיאה העיקרי | השהיות בנתבים (Routers) | נתבים, מתגים (Switches), עומסי רשת, השהיות במערכת ההפעלה ועוד |
| אופן היישום | שרתים חומרתיים או תוכנתיים ולקוחות תוכנה | Grandmaster חומרתי, לקוחות חומרתיים או תוכנתיים (Slaves) |
| שיטת הפעולה | הלקוחות פונים לשרת ומבקשים את השעה (Client Request) | ה־Grandmaster מפיץ את הזמן באופן יזום אל הלקוחות |
| תמיכה ברכיבי רשת | ללא תמיכת רשת ייעודית | נתמכת באמצעות ו־ (אינה חובה, אך משפרת משמעותית את הדיוק) Boundary Clock שעון המחבר בין מספר תתי־רשתות (VLANs) או מקטעי רשת שונים. הוא משמש כ־Slave במקטע אחד וכ־Master במקטע אחר, ומעביר את הסנכרון הלאה. Transparent Clock מתג תקשורת או נתב המעביר את הודעות ה־PTP, תוך מדידת זמן המעבר ותיקון מדויק של חותמת הזמן. כך נמנעים עיכובים מצטברים ברשת. |
| עלות הפתרון | נמוכה יחסית | גבוהה יותר כאשר נדרש דיוק גבוה ותמיכה חומרתית |
| ניטור וניהול | יכולות בסיסיות | יכולות מתקדמות לניטור, סטטיסטיקות וניהול רשת |
| Hardware Timestamping | לא נתמך | נתמך ומאפשר דיוק מרבי |
ברשת מקומית (LAN), הדיוק יכול להיות מתחת למיקרו־שנייה — מה שהופך את PTP למתאים לרשתות 5G, מערכות מסחר אלגוריתמי, תחנות כוח, מערכות ביטחוניות ותעשייה חכמה, הדורשות סנכרון זמן מדויק ויציב ברמה הגבוהה ביותר.
כדי לענות על דרישות אלו פותח תקן IEEE 1588, הידוע בשם Precision Time Protocol (PTP).
התקן כולל מיפויים ל־UDP/IP, ל־DeviceNet וליישום Ethernet בשכבה 2.
הגרסה הראשונה של PTP, תקן IEEE 1588-2002, פורסמה בשנת 2002.
IEEE 1588-2008, המכונה גם PTPv2, אינה תואמת לאחור לגרסה משנת 2002.
כדי להשיג דיוק מרבי, רצוי שכל רכיב רשת הנמצא בין השרתים ללקוחות יתמוך ב־PTP.
עם זאת, זו אינה דרישה מוחלטת להשגת שיפור משמעותי בדיוק.
ל־PTP הוגדרו מספר פרופילים עבור יישומים כמו:
שירותי חשמל, אוטומציה, בקרה,
טלקומוניקציה, אוטומוטיב, שידורי אודיו/וידאו ופרויקטים לשימוש חופשי ומסחרי.
במאמר זה נסקור בקצרה את הפרופילים המרכזיים, היישומים והפרויקטים המעניינים שהתפתחו סביב פרוטוקול PTP.
ITU-T PTP Telecom Profiles
PTP profiles for 5G networks
סנכרון תדרים
פרופיל תקשורת של פרוטוקול זמן מדויק לסנכרון תדרים.
הוא שימש בתחילה לצורך אספקת סנכרון תדר מדויק, אך לא סנכרון זמן, לתחנות בסיס סלולריות.
סנכרון פאזה וזמן עם תמיכה מלאה מהרשת
הפרופיל נועד לספק סנכרון תדר מדויק במיוחד, סנכרון פאזה וסנכרון שעת היום (ToD), תוך תמיכה בסנכרון תדר מדויק מהשכבה הפיזית של הרשת.
סנכרון זמן ופאזה עם תמיכה חלקית מהרשת
הפרופיל נועד לספק סנכרון תדר, פאזה ו־ToD גם כאשר התמיכה ברשת חלקית, וכאשר קיימים בנתיב צמתים שאינם תומכים ב־PTP.
AVB / TSN
gPTP לרשתות רגישות לזמן
IEEE 802.1AS מיועד ליישומי אודיו/וידאו, אוטומציה תעשייתית ורכב.
הוא מגדיר פרופיל שונה עבור PTP, המכונה generalized PTP או בקיצור gPTP.
בדומה לפרופילי ITU-T Telecom, גם gPTP מבוסס על שידור Multicast בשכבה 2.
במקום להתייחס רק לשעונים רגילים,
ו־
,
התקן מתייחס לגשרים מודעי־זמן ולתחנות קצה מודעות־זמן.
Boundary Clock
שעון המחבר בין מספר תתי־רשתות או מקטעי רשת. הוא משמש כ־Slave במקטע אחד וכ־Master
במקטע אחר, ומעביר את הסנכרון הלאה.
Transparent Clock
מתג או נתב המעביר הודעות PTP, מודד את זמן השהייה שהצטבר בעת המעבר דרכו
ומעדכן את חותמת הזמן בהתאם.
גשר מודע־זמן דומה לשעון גבול, אך פעולתו מוגדרת כך שבמובנים רבים הוא פועל באופן הדומה יותר לשעון שקוף.
TSN עבור Mobile Fronthaul
IEEE 802.1CM הוא פרופיל Ethernet TSN לרשתות Fronthaul סלולריות, כולל רשתות 5G.
מנקודת מבט של סנכרון זמן, התקן מניח שימוש ב־IEEE 802.1AS וכולל דרישות השהייה
שיש להביא בחשבון בעת תכנון הרשת.
Automotive Profile
AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture)
הוא שיתוף פעולה עולמי של יצרני רכב,
ספקים וחברות מתעשיות האלקטרוניקה, המוליכים למחצה והתוכנה.
מאז 2003 פועלים חברי הארגון לפיתוח ולהטמעה של ארכיטקטורת תוכנה פתוחה וסטנדרטית
עבור תעשיית הרכב.
תקני AUTOSAR אינם משתמשים ישירות ב־IEEE 1588 PTP,
אלא ב־IEEE 802.1AS gPTP.
Open Source
LinuxPTP הוא פרויקט קוד פתוח המיישם את תקן IEEE 1588 Precision Time Protocol עבור מערכות Linux.
ptp4l הוא היישום המרכזי בפרויקט. הוא מאפשר סנכרון זמן מדויק במיוחד בין התקנים ברשת, עם תמיכה ב־Hardware Timestamping לקבלת דיוק ברמת מיקרו־שניות ואף ננו־שניות.
הפרויקט תומך במצבי פעולה כמו:
Ordinary Clock, Boundary Clock ו־Transparent Clock,
ומשמש בתעשייה, תקשורת, אוטומציה, מרכזי נתונים ומערכות Embedded.
Open Hardware
שיפור תזמון וסנכרון PTP עם פרוטוקול White Rabbit
פרוטוקול White Rabbit, הזמין באופן פתוח על ידי CERN, מבוסס על IEEE 1588 PTP
ומיועד לספק דיוק של פחות מננו־שנייה.
הוא פותח על ידי CERN ושותפי מחקר,
כולל מרכז GSI Helmholtz לחקר יונים כבדים.
White Rabbit משלב טכניקות מבוססות מנות עם Ethernet סינכרוני (SyncE)
ומדידות פאזה מדויקות.
גישה היברידית זו מצמצמת השהיות ושומרת על שעוני הרשת
בסנכרון כמעט מושלם.
הפרוטוקול משמש חברות טכנולוגיה, מוסדות פיננסיים וגופי מחקר המבצעים ניסויים בקנה מידה גדול, שבהם גם אי־התאמה קטנה בתזמון עלולה להשפיע על שלמות הנתונים.
White Rabbit מבטיח שכל צומתי הרשת חולקים את אותו תדר שעון ומשתמש במדידות חומרה
בזמן אמת לצורך מעקב אחר קיזוזי פאזה.
הוא מכייל באופן רציף את עיכובי הקישורים
ומתאים את עצמו לשינויים בטמפרטורה ובמאפייני הכבל.
בתחומים קריטיים כמו פיזיקת חלקיקים, שבהם מרווח הטעות קטן במיוחד, הדיוק התת־ננו־שנייתי חיוני לתיאום תהליכים ואירועים מורכבים על פני מרחקים גדולים. גם מעבדות מטרולוגיה לאומיות משתמשות בפרוטוקול לצורך הפצת אותות תזמון מדויקים.
White Rabbit פותח בהתאם לפילוסופיית חומרה פתוחה.
הודות לרישיון החומרה הפתוח של CERN
ולתאימות לתקני התעשייה, הטכנולוגיה משמשת כיום גם מחוץ לעולם הפיזיקה עתירת האנרגיה,
באקדמיה ובתעשייה, לרבות בסנכרון זמן מתקדם עבור Deutsche Börse Group.
קיימים פרופילים נוספים של PTP, כמו IEC/IEEE 61850-9-3 עבור תעשיית החשמל, IEEE 802.1AS TSN/AV עבור רשתות שידור (Broadcast)
אך במאמר זה בחרנו להתמקד בפרופילים ובפרויקטים המרכזיים והמעניינים ביותר.