NTP/PTP时间同步入门

简介

时间同步是指以中心控制系统的标准时钟作为基准使各分布系统和终设备的时钟与中心控制系统时钟进行同步的过程。随着5G和工业5.0的到来，网络终端设备和网络业务的飞速增长，时间同步已成为现代通信，电力，军事，金融等诸多的领域的重要基础之一。

入门

在计算机网络应用中，时间是网络业务的正常交互的基础，一个完整的业务都有严格的的时间逻辑，不能发生时间错乱，和偏差否则将带来严重的后果。在电力系统等网络中，对各个设备的监控、控制以及管理，各个子系统对故障告警和日志信息同样需要高精度的时间信息，以便进行故障定位和性能分析。总之在在任何的时间“敏感”网络中都需要进行时间同步，以保证系统正常运行。那么通常我们是怎样实现时间同步的呢？

• 时间服务器

要进行时间同步，首先需要获得标准的时钟信号。时间服务器是一种从GNSS（全球卫星导航系统，例如：GPS，北斗…）地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息通过TCP/IP网络传输，为网络设备（用户）提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

• NTP（网络时间协议）

时间服务器获得了标准的参考时间后我们的设备如何进行同步呢？

NTP即网络时间协议（Network Time Protocol），用于通过数据包交换的可变延迟数据网络在计算机系统之间进行时钟同步。NTP从1985年开始运行，是目前使用的最古老，最稳定的Internet协议之一。它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。

通常我们使用PC默认是使用NTP获取标准时间，以win10为例，我们打开internet时间设置就可以查看我们的NTP时间服务器地址了。

• SNTP（简单网络时间协议）

SNTP（简单网络时间协议）是NTP的子集，简化了NTP的许多算法和步骤，得到了效率，但时间的精度不如NTP。 SNTP和NTP描述的网络软件包格式完全相同，不同之处在于系统如何处理这些数据包的内容以同步其时间。它们基本上是两种处理时间同步的不同方式。虽然功能齐全的NTP客户端达到了很高的准确性，但SNTP客户端仅推荐用于简单应用，在这些应用中对准确性和可靠性要求不是很高。

• PTP（精确时间协议）

精确时间协议（PTP）是一种用于在整个计算机网络中同步时钟的协议。在局域网上，它可实现亚微秒级的时钟精度，使其适用于测量和控制系统。IEEE 1588专为要求精度超出使用NTP可获得的精度的本地系统而设计。IEEE 1588标准描述了用于时钟分配的分层主从体系结构。在这种体系结构下，时间分配系统由一个或多个通信媒体（网段）和一个或多个时钟组成。

精确时间协议（PTP）IEEE 1588旨在同步用于电信，电网，金融市场和工业自动化的LAN中的实时时钟，目前特别采用该协议来同步金融HFT交易，移动电话塔传输LTE/ 5G BTS ，海底声波阵列以及任何需要精确定时但无法访问GNSS时间基准的网络。

为什么我们需要时间同步？

• 设置精确的时间

设置计算机设备的准确时间的方式类似于使用手表。文件、数据库、应用程序全部使用并添加时间标记。数十亿人从早晨醒来之后就要使用移动设备正确设置时钟后，日历和提醒就可以正常工作。这就是为什么我们的生活和日常工作需要正在使用的所有分布式电子设备网络的时间准确性。

• 用于稳定频率

为了稳定手表的“滴答"频率，就要确保时钟时间不会漂移。音乐、视频流、通话—所有这些都需要稳定的频率来保证质量。i联网数据传输的性能、50/60Hz的电力频率、"PC硬件的时钟—所有这些都取决于频率的稳定性和同步性。

• 定义通用时域操作

定义通用时域操作可确保多个电子设备同步，即使时钟未设置为正确的本地时间也能同步。

一个很好的例子是，在UTC时域中进行洲际电话会议，呼叫者时区的时间可能会有小时的差异。维护该时间域的最简单方法是为所有同步设备(客户端）共享一个时间源（例如专用PC)。最好的情况是，时域服务器与某个引用源同步，但在很多情况下，如果时钟工作在自由运行模式,也是可以接受的。

• 事件日志年表和时间戳

事件日志年表和时间戳是研究错误逻辑的重要机制。任何可能产生财务问题或涉及安全的地方，时间戳很重要。加密时间戳更为重要。它专用于电子签名和数据密封的长期保存。它有助于保护事件时间顺序、IT系统完整性。

时间同步的应用

• 数据中心

数据中心需要NTP/PTP同步，以确保集群的时域运行。同步对于虚拟机计算是必不可少的。日志事件的时间顺序对于研究错误逻辑很重要。时间和日期对于自动备份和SQL转换回滚至关重要。弱同步使IT/IoT风险不稳定。

• 银行

银行IT使用数据中心集群在需要微秒级精度的同步时域中运行。电子支付系统和信用卡操作都需要：安全和交易注册表（DB）。时间戳用于长期保存签名和数据密封。虽然精度要求仅为秒的十分之一，但对可信时间参考有着很严格的要求。带有时间戳的RFC3161证明了金融交易不可抵赖。银行IT基础架构需要强大的自动隔夜备份系统。

• 智能电网

IEC 61850变电站和IEEE C37.238 PUM要求同步精度高于一个微秒，以保持稳健的配电管理。这强制PTP/IEEE1588在特殊的电源配置文件“或电力应用程序配置文件”中运行。PTP/IEEE1588主站需要确保同步精度优于200纳秒的服务器以太网输出。

• 自动驾驶

自动驾驶车辆同步使用纳秒级和PTP IEEE1588配置文件AES67/IEEE 802.1AS。车辆排队是自动驾驶汽车可能采用的一系列功能的一部分。排队是一组可以非常紧密、安全和高速行驶的车辆。每辆车都能与队列中的其他车辆进行无线通信。此外，同步化对于自主人工智能驱动的车辆来说是至关重要的。它创造了GNSS定位系统的替代品–基于多个激光雷达传感器和物体识别的系统。这种同步化的解决方案可以抵御GNSS的干扰/欺骗攻击。Elproma NTS-pico3是目前自主汽车市场上的领先产品。

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