Zeitsynchronisation mit PTP

04.04.2023

Das Precision Time Protocol (PTP) wurde entwickelt, um anspruchsvollen Anwendungen gerecht zu werden. In der Netzwerküberwachung werden hochpräzise Zeitstempel benötigt, um die Anzahl an gesendeten oder empfangenen Paketen bei hohen Übertragungsraten (Gbit) zu erfassen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Hochfrequenzhandel mit Aktien. Hier führen Algorithmen in kürzester Zeit, teilweise im Mikrosekundenbereich, selbstständig Kauf- und Verkaufsoperationen durch, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist.

PTP ist ein auf Paketen und dem Leader-Follower-Prinzip basierendes Protokoll, das bei Bedarf zur hochgenauen Synchronisation von Geräten in einem Netzwerk dient. Mit dem Standard PTPv1 kann eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich erreicht werden, während die neueste Revision v2.1 sogar eine Genauigkeit bis in den Sub-Nanosekundenbereich ermöglicht.

Die Ursprünge

IEEE 1588-2002, auch PTPv1 genannt, ist die erste Version des Standards und definiert das Basisprotokoll. Im Vergleich zu seinen Nachfolgern bietet PTPv1 eine geringere Genauigkeit und Funktionalität. Dies liegt
daran, dass PTPv1 bei der Berechnung der Zeitstempel im Protokoll ausschließlich von einem symmetrischen Delay (Round-Trip-Time/2) ausgeht und asymmetrische oder hardwarebedingte Verzögerungen und andere Effekte nicht berücksichtigt.

… wie v1, nur besser

IEEE 1588-2008 (PTPv2) enthält gegenüber der Version 1 eine Reihe von Verbesserungen, die nun theoretisch Genauigkeiten im Nanosekundenbereich ermöglichen. Neben einer generellen Erhöhung der Genauigkeit der Zeitsynchronisation können nun durch zusätzliche Optionen im Bereich Fehlertoleranz und Redundanz robustere Systeme aufgebaut werden. Aufgrund dieser umfassenden Verbesserungen des Protokolls ist PTPv2 allerdings nicht mehr mit dem Vorgängerstandard kompatibel.

Ein weiterer Fortschritt der zweiten Version ist die Einführung bzw. Unterstützung von transparenten Uhren und höheren Abtastraten. Transparente Uhren sind Netzwerkgeräte, die die Synchronisation der Uhren innerhalb einer PTP-Domäne verbessern, indem sie die durch das Netzwerk verursachte Verzögerung messen. Diese Verzögerung wird in den Zeitstempeln der PTP-Nachrichten berücksichtigt und ermöglicht so eine präzisere Synchronisation zwischen den Uhren.

Zeitsynchronisation mit Profil

Eine weitere wichtige Neuerung ist die offizielle Einführung von Profilen. Ein Profil definiert die Anforderungen und Konfigurationsoptionen für die Anwendung des Standards in einem bestimmten Bereich, wie beispielsweise der Telekommunikation, der industriellen Automatisierung oder bei Test- und Messsystemen. Dadurch kann der Standard besser an Anwendungen angepasst werden. Im besten Fall sind solche Profile bereits in der verwendeten Hardware integriert, sodass Anwendende das Protokoll ohne größere Anpassungen direkt einsetzen können.

Ein solches Profil wurde unter dem Namen High Accuracy Profile als drittes IEEE 1588-2019 Standard-PTP-Profil eingeführt. Dabei handelt es sich um White-Rabbit-Technologie, die ursprünglich als Idee am Schweizer Forschungszentrum CERN entstanden ist. Die Technologie wurde im Rahmen der Erneuerung und Verbesserung des bisher dort eingesetzten Timing-und-Controlling-Systems entwickelt. Das Profil ermöglicht
eine präzise Phasendetektion, Kalibrierung und Onlineschätzung von Asymmetrien sowie eine Angleichung der Frequenz der lokalen PTP-Uhr. Die Uhr weist eine Genauigkeit im Sub-Nanosekundenbereich und eine Präzision im Pikosekundenbereich auf.

Das Prinzip PTP

Egal welche Revision wir betrachten, das Grundprinzip bleibt gleich: Zum Zeitpunkt t1 sendet der Leader eine Sync-Message mit der ihm bekannten Zeit an den Follower. Dieser verfügt beim Empfang der Nachricht zum Zeitpunkt t2 bereits über die Zeitstempel t1 und t2 und kann somit berechnen, inwiefern seine eigene Zeit abgewichen ist. Da jedoch bei Empfang der Nachricht um t2 bereits wieder Zeit vergangen ist, kann diese Zeitreferenz nicht als exakt bezeichnet werden. Um den Netzwerkdelay angemessen zu berücksichtigen, wird vom Follower ein Delay_Req an den Leader versendet, der wiederum mit einem Zeitstempel antwortet, woraus der Follower die Verzögerung errechnen kann, welche durch das Netzwerk entstanden ist. Wie zu erwarten, können hier nur gute Genauigkeiten erreicht werden, wenn die Kommunikationswege symmetrisch sind.

Taktsyntonisierungs-SyncE

Synchronous Ethernet ist eine Technologie zur Synchronisation mittels eines gemeinsamen Taktsignals, d.h. die Frequenz (125MHz) wird auf dem physikalischen Kanal mitgeliefert. Die Taktableitung aus dem Nutzsignal ist jederzeit möglich, selbst wenn keine Datenübertragung stattfindet. Die Angleichung der Frequenz zweier Uhren wird als Syntonisierung bezeichnet. Da White-Rabbit-PTP auf SyncE angewiesen ist, muss gewährleistet werden, dass jedes Gerät im Netzwerk SyncE-fähig ist und damit eine durchgehende SyncE-Verbindung im Netz besteht. Analog zu PTP wird der Roundtrip Delay anhand von vier Zeitstempeln ermittelt, jedoch werden unterschiedliche Laufzeiten (link asymmetry) für den Hin- bzw. Rückweg mitberücksichtigt. Link-Asymmetrien treten unter anderem auf, wenn für das Senden bzw. Empfangen unterschiedliche Wellenlängen (Glasfaser) verwendet werden.

Phasenmessung

Das Kernstück von White Rabbit sind die Bestimmung der Phase ph_S und der Abgleich der Roundtripphase ph_MM. Dadurch wird zusammen mit SyncE und der Bestimmung des asymmetrischen Delays eine Verbesserung der Präzision bei der Zeitsynchronisation gegenüber PTPv2 ermöglicht. Die vollständige Funktionsweise von White Rabbit ist jedoch sehr komplex, sie wird in der White-Rabbit-Spezifikation beschrieben (Link im Quellenkasten).

Die SyncE-Technologie sorgt für eine Kopplung der Frequenzen von Follower- und Leaderclock. Die steigenden oder fallenden Flanken des Taktsignals (Frequenz) werden dafür verwendet, Signale auf der Sender- und Empfängerseite zu detektieren:

In Abbildung 2 werden der Effekt der Frequenzanpassung (Syntonisierung) mit SyncE (Taktsignale 1–3) und des Phasenangleichs auf das Taktsignal der Follower-Clock dargestellt (Taktsignale 4–7). Wie aus der Abbildung zu entnehmen ist, stimmen die Periode (T_M) der Leader- (Signalform 1) und die Follower-clock (T_S, Signalform 2) nicht überein. Durch Anwendung des SyncE-Verfahrens wird das Taktsignal des Followers an das Leaderclock-Signal gekoppelt und die Periodendauer ist danach bei beiden Takten gleich (T_S=T_M, Signalform 3).

Die Laufzeit des Leader-Taktsignals – also die Zeit, die das Leader-Taktsignal zum Erreichen der Followerclock benötigt – ist in Signalform 4 durch Ziffern in den Taktperioden gekennzeichnet: Demnach vergehen drei Taktzyklen, bevor das Taktsignal den Follower erreicht. Der Follower kann das Signal des Leaders jedoch nur mit einer steigenden oder fallenden Flanke detektieren. Werden die Signalform 4 und 5 (Taktsignal Follower) übereinander gelegt, so erkennt man, dass der Follower das Signal des Leaders nicht sofort bei Eintreffen des Signals, sondern erst mit der nächsten steigenden Flanke detektiert. Dieser Unterschied wird als Phasenversatz ph_MS bezeichnet. Wird zur Laufzeit des Leadersignals der Phasenversatz phase_MS addiert, ergibt sich die Gesamtverzögerung delay_MS. Signalform 6 ist das vom Follower ausgehende Taktsignal an den Leader, das mittels eines Phasenschiebers (siehe Abbildung 3) um die frei einstellbare Phase ph_S verzögert wurde. Dieses Signal wird wiederum vom Leader detektiert, um die sogenannte Roundtripphase ph_MM, die den Phasenunterschied zwischen dem vom Leader ausgesendeten und empfangenen Signal angibt, zu erfassen.

Wobei T_ref die Frequenzperiode der Leaderclock ist. Bei 125 MHz sind dies 8 Nanosekunden. Damit wird deutlich, dass mit White Rabbit eine Präzision bis in den Sub-Nanosekundenbereich möglich ist. Die Abkürzung mod steht für Modulo Operator, der als Ergebnis den Rest einer Division liefert, zum Beispiel 3 mod 2 = 1

Ist der Phasenversatz ausgeglichen, lassen sich wiederum präzisere Zeitstempel für den Roundtrip-delay ermitteln, und der Offset zwischen der Leader- und der Followerclock wird weiter verringert. Durch einen Vergleich von Signalform 4 und 7 in Abbildung 2 wird deutlich, dass das vom Leader ausgehende Signal jetzt derart phasenverschoben ist, dass das Signal bei Ankunft am Follower eine steigende Flanke hat und das Signal dadurch sofort detektiert wird, d.h. der Phasenversatz phase_MS ist jetzt eliminiert.

Zusammenfassend zeigt PTP exemplarisch die rasante Entwicklung in der Zeitmesstechnologie und den wachsenden Bedarf nach immer präziseren und genauer synchronisierten Zeitmessungen in modernen Netzwerken und Anwendungen, sei es in den Bereichen Telekommunikation, Wissenschaft oder Wirtschaft. Das Network Time Protocol (NTP) bietet eine bewährte und weitverbreitete Methode zur Synchronisation von Uhren über das Internet, während das Precision Time Protocol (PTP) in seinen verschiedenen Versionen und Ausprägungen als präzisere und robustere Option für lokale Netzwerke gilt. Besonders bemerkenswert ist die hochgenaue Zeitverteilung mit dem White-Rabbit-Projekt, welches es mit SyncE und PTPv2 als Grundlage geschafft hat, als Standardprofil in die Revision 2.1 von PTP integriert zu werden. Dadurch wird eine hochpräzise Zeitmessung zugänglicher.

Text: Susanne Naegele-Jackson, Sascha Schweiger, Martin Seidel (WiN-Labor der Universität Erlangen-Nürnberg)