Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP)

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El Protocolo de Tiempo de Precisión o PTP (por sus siglas en inglés Precision Time Protocol) es un protocolo utilizado para sincronizar relojes a través de una red informática. En una red de área local, logra una precisión de reloj en el rango de submicrosegundos, lo que lo hace adecuado para sistemas de medición y control. PTP se emplea actualmente para sincronizar transacciones financieras, transmisiones de torres de telefonía móvil, arreglos acústicos submarinos y redes que requieren sincronización precisa pero carecen de acceso a señales de navegación por satélite.

La versión original de PTP, IEEE 1588-2002, se publicó en 2002. IEEE 1588-2008, también conocida como PTP Versión 2, no es compatible con la versión original de 2002. IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores de la publicación de 2008. IEEE 1588-2008 incluye un concepto de perfil que define las opciones y los parámetros operativos de PTP. Se han definido varios perfiles para aplicaciones que incluyen telecomunicaciones, distribución de energía eléctrica y audiovisual.IEEE 802.1AS es una adaptación de PTP para usar con puentes de audio y video y redes sensibles al tiempo.

Historia

Según John Eidson, quien dirigió el esfuerzo de estandarización de IEEE 1588-2002, "IEEE 1588 está diseñado para llenar un nicho que ninguno de los dos protocolos dominantes, NTP y GPS, IEEE 1588 está bien cubierto. IEEE 1588 está diseñado para sistemas locales que requieren precisiones más allá de las alcanzable usando NTP. También está diseñado para aplicaciones que no pueden asumir el costo de un receptor GPS en cada nodo, o para las cuales las señales GPS son inaccesibles".

PTP se definió originalmente en el estándar IEEE 1588-2002, oficialmente titulado "Estándar para un protocolo de sincronización de reloj de precisión para sistemas de control y medición en red" y se publicó en 2002. En 2008, IEEE 1588-2008 se publicó como un estándar revisado; También conocido como PTP versión 2 (PTPv2), mejora la exactitud, la precisión y la solidez, pero no es compatible con versiones anteriores de la versión original de 2002. IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019, se conoce informalmente como PTPv2.1 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores de la publicación de 2008.

Arquitectura

Los estándares IEEE 1588 describen una arquitectura maestro-esclavo jerárquica para la distribución del reloj. Bajo esta arquitectura, un sistema de distribución de tiempo consta de uno o más medios de comunicación (segmentos de red) y uno o más relojes. Un reloj ordinario es un dispositivo con una única conexión de red y es el origen (maestro o líder) o el destino (esclavo o seguidor) de una referencia de sincronización. Un reloj de límite tiene múltiples conexiones de red y puede sincronizar con precisión un segmento de red con otro. Se selecciona un maestro de sincronización para cada uno de los segmentos de red del sistema. La referencia de temporización raíz se llama gran maestro.El gran maestro transmite información de sincronización a los relojes que residen en su segmento de red. Los relojes de límite con presencia en ese segmento luego transmiten la hora exacta a los otros segmentos a los que también están conectados.

Un sistema PTP simplificado con frecuencia consta de relojes ordinarios conectados a una sola red y no se utilizan relojes de límite. Se elige un gran maestro y todos los demás relojes se sincronizan directamente con él.

IEEE 1588-2008 introduce un reloj asociado con el equipo de red utilizado para transmitir mensajes PTP. El reloj transparente modifica los mensajes PTP a medida que pasan por el dispositivo. Las marcas de tiempo en los mensajes se corrigen por el tiempo empleado en atravesar el equipo de red. Este esquema mejora la precisión de la distribución al compensar la variabilidad de la entrega en toda la red.

PTP generalmente usa la misma época que el tiempo de Unix (comienzo del 1 de enero de 1970). Mientras que el tiempo de Unix se basa en el Tiempo Universal Coordinado (UTC) y está sujeto a segundos bisiestos, el PTP se basa en el Tiempo Atómico Internacional (TAI). El gran maestro de PTP comunica el desplazamiento actual entre UTC y TAI, de modo que se pueda calcular UTC a partir de la hora de PTP recibida.

Detalles del protocolo

La sincronización y gestión de un sistema PTP se logra a través del intercambio de mensajes a través del medio de comunicación. Para ello, PTP utiliza los siguientes tipos de mensajes.

Los mensajes Sync, Follow_Up, Delay_Req y Delay_Resp son utilizados por los relojes ordinarios y de límite y comunican información relacionada con el tiempo que se utiliza para sincronizar los relojes en toda la red.
Los relojes transparentes utilizan Pdelay_Req, Pdelay_Resp y Pdelay_Resp_Follow_Up para medir los retrasos en el medio de comunicación para que el sistema pueda compensarlos. Los relojes transparentes y estos mensajes asociados con ellos no están disponibles en el estándar IEEE 1588-2002 PTPv1 original y se agregaron en PTPv2.
Los mensajes de anuncio son utilizados por el mejor algoritmo de reloj maestro en IEEE 1588-2008 para construir una jerarquía de reloj y seleccionar el gran maestro.
Los mensajes de administración son utilizados por la administración de la red para monitorear, configurar y mantener un sistema PTP.
Los mensajes de señalización se utilizan para comunicaciones no críticas en el tiempo entre relojes. Los mensajes de señalización se introdujeron en IEEE 1588-2008.

Los mensajes se clasifican en eventos y mensajes generales. Los mensajes de eventos son críticos en cuanto al tiempo, ya que la precisión en la transmisión y la precisión del sello de tiempo de recepción afecta directamente la precisión de la distribución del reloj. Sync, Delay_Req, Pdelay_Req y Pdelay_resp son mensajes de eventos. Los mensajes generales son unidades de datos de protocolo más convencionales en las que los datos de estos mensajes son importantes para PTP, pero sus marcas de tiempo de transmisión y recepción no lo son. Anunciar, Seguimiento, Delay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up,Los mensajes de gestión y señalización son miembros de la clase de mensajes generales.

Transporte de mensajes

Los mensajes PTP pueden utilizar el Protocolo de datagramas de usuario sobre el Protocolo de Internet (UDP/IP) para el transporte. IEEE 1588-2002 usa solo transportes IPv4, pero esto se ha ampliado para incluir IPv6 en IEEE 1588-2008. En IEEE 1588-2002, todos los mensajes PTP se envían mediante mensajes de multidifusión, mientras que IEEE 1588-2008 introdujo una opción para que los dispositivos negocien la transmisión de unidifusión puerto por puerto. Las transmisiones de multidifusión utilizan direccionamiento IP de multidifusión, para el cual se definen direcciones de grupo de multidifusión para IPv4 e IPv6 (consulte la tabla). Los mensajes de eventos de tiempo crítico (Sync, Delay_req, Pdelay_Req y Pdelay_Resp) se envían al puerto número 319. Los mensajes generales (Anuncio, Seguimiento, Delay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up, gestión y señalización) utilizan el puerto número 320.

Mensajes	IPv4	IPv6	Ethernet IEEE 802.3	Escribe
Todos excepto los mensajes de retardo de pares	224.0.1.129	FF0x:: 181	01-1B-19-00-00-00	reenviable
Mensajes de retraso de pares: Pdelay_Req, Pdelay_Resp y Pdelay_Resp_Follow_Up	224.0.0.107	FF02::6B	01-80-C2-00-00-0E	no reenviable

En IEEE 1588-2008, la encapsulación también se define para DeviceNet, ControlNet y PROFINET.

Dominios

Un dominio es un conjunto interactivo de relojes que se sincronizan entre sí mediante PTP. Los relojes se asignan a un dominio en virtud del contenido de los campos Nombre de subdominio (IEEE 1588-2002) o Número de dominio (IEEE 1588-2008) en los mensajes PTP que reciben o generan. Los dominios permiten que múltiples sistemas de distribución de relojes compartan el mismo medio de comunicación.

Contenido del campo de nombre de subdominio (IEEE 1588-2002)	Dirección de multidifusión IPv4(IEEE 1588-2002)	número de dominio(IEEE 1588-2008)	notas
_DFLT	224.0.1.129	0	Dominio predeterminado
_ALT1	224.0.1.130	1	Dominio alternativo 1
_ALT2	224.0.1.131	2	Dominio alternativo 2
_ALT3	224.0.1.132	3	Dominio alternativo 3
Aplicación específica hasta 15 octetos	224.0.1.130, 131 o 132 según la función hash en el nombre del subdominio	4 a 127	Dominios definidos por el usuario

Mejor algoritmo de reloj maestro

El algoritmo del mejor reloj maestro (BMC) realiza una selección distribuida del mejor reloj candidato en función de las siguientes propiedades del reloj:

Identificador: un identificador numérico único universal para el reloj. Esto generalmente se construye en función de la dirección MAC de un dispositivo.
Calidad: ambas versiones de IEEE 1588 intentan cuantificar la calidad del reloj en función de la desviación de tiempo esperada, tecnología utilizada para implementar el reloj o la ubicación en un esquema de estrato de reloj, aunque solo V1 (IEEE 1588-2002) conoce un estrato de campo de datos. PTP V2 (IEEE 1588-2008) define la calidad general de un reloj mediante el uso de los campos de datos clockAccuracy y clockClass.
Prioridad: una sugerencia de precedencia asignada administrativamente que utiliza el BMC para ayudar a seleccionar un gran maestro para el dominio PTP. IEEE 1588-2002 utilizó una única variable booleana para indicar la precedencia. IEEE 1588-2008 presenta dos campos de prioridad de 8 bits.
Varianza: la estimación de la estabilidad de un reloj basada en la observación de su rendimiento frente a la referencia PTP.

IEEE 1588-2008 utiliza un algoritmo de selección jerárquica basado en las siguientes propiedades, en el orden indicado:

Prioridad 1: el usuario puede asignar una prioridad específica de diseño estático a cada reloj, definiendo de forma preventiva una prioridad entre ellos. Los valores numéricos más pequeños indican una prioridad más alta.
Clase: cada reloj es miembro de una clase determinada y cada clase tiene su propia prioridad.
Precisión: precisión entre reloj y UTC, en nanosegundos (ns)
Varianza - variabilidad del reloj
Prioridad 2: prioridad final definida, que define el orden de respaldo en caso de que los otros criterios no fueran suficientes. Los valores numéricos más pequeños indican una prioridad más alta.
Identificador único: la selección basada en la dirección MAC se utiliza como desempate cuando todas las demás propiedades son iguales.

IEEE 1588-2002 utiliza un algoritmo de selección basado en propiedades similares.

Las propiedades del reloj se anuncian en los mensajes de sincronización IEEE 1588-2002 y en los mensajes de anuncio IEEE 1588-2008. El reloj maestro actual transmite esta información a intervalos regulares. Un reloj que se considere mejor reloj maestro transmitirá esta información para invocar un cambio de reloj maestro. Una vez que el maestro actual reconoce el mejor reloj, el maestro actual deja de transmitir mensajes de sincronización y propiedades de reloj asociadas (mensajes de anuncio en el caso de IEEE 1588-2008) y el mejor reloj asume la función de maestro. El algoritmo BMC solo considera la calidad autodeclarada de los relojes y no tiene en cuenta la calidad del enlace de red.

Sincronización

Mediante el uso del algoritmo BMC, PTP selecciona una fuente maestra de tiempo para un dominio IEEE 1588 y para cada segmento de red en el dominio.

Los relojes determinan el desplazamiento entre ellos y su maestro. Deje que la variable $t$ represente el tiempo físico. Para un dispositivo seguidor dado, el desplazamiento $Antiguo Testamento)$ en el tiempo $t$ está definido por: $o(t) = s(t) - m(t)$

donde $S t)$ representa el tiempo medido por el reloj seguidor a la hora física $t$ , y $monte)$ representa el tiempo medido por el reloj maestro a la hora física $t$ .

El maestro transmite periódicamente la hora actual como un mensaje a los otros relojes. Según IEEE 1588-2002, las transmisiones son hasta una vez por segundo. Según IEEE 1588-2008, se permiten hasta 10 por segundo.

Mecanismo de sincronización IEEE 1588 y cálculo de retardo

Cada transmisión comienza a la hora $T_{1}$ con un mensaje de sincronización enviado por el maestro a todos los relojes del dominio. Un reloj que recibe este mensaje toma nota de la hora local ${displaystyle T_{1}'}$ cuando se recibe este mensaje.

Posteriormente, el maestro puede enviar un seguimiento de multidifusión con $T_{1}$ una marca de tiempo precisa. No todos los maestros tienen la capacidad de presentar una marca de tiempo precisa en el mensaje de sincronización. Solo después de que se completa la transmisión, pueden recuperar una marca de tiempo precisa para la transmisión de sincronización desde su hardware de red. Los maestros con esta limitación usan el mensaje Follow_Up para transmitir $T_{1}$ . Los maestros con capacidades PTP integradas en su hardware de red pueden presentar una marca de tiempo precisa en el mensaje de sincronización y no necesitan enviar mensajes de seguimiento.

Para sincronizar con precisión con su maestro, los relojes deben determinar individualmente el tiempo de tránsito de la red de los mensajes de sincronización. El tiempo de tránsito se determina indirectamente midiendo el tiempo de ida y vuelta de cada reloj a su maestro. Los relojes inician un intercambio con su maestro diseñado para medir el tiempo de tránsito $d$ . El intercambio comienza con un reloj que envía un mensaje Delay_Req a la vez $T_{2}$ al maestro. El maestro recibe y marca el tiempo de Delay_Req a la hora ${displaystyle T_{2}'}$ y responde con un mensaje Delay_Resp. El maestro incluye la marca de tiempo ${displaystyle T_{2}'}$ en el mensaje Delay_Resp.

A través de estos intercambios, un reloj aprende $T_{1}$ , ${displaystyle T_{1}'}$ y. $T_{2}$ ${displaystyle T_{2}'}$

Si $d$ es el tiempo de tránsito para el mensaje de sincronización $tilde {o}$ y es el desplazamiento constante entre los relojes maestro y seguidor, entonces ${displaystyle T_{1}'-T_{1}={tilde {o}}+d{text{ y }} T_{2}'-T_{2}=-{tilde {o} }+d}$

Combinando las dos ecuaciones anteriores, encontramos que ${displaystyle {tilde {o}}={frac{1}{2}}(T_{1}'-T_{1}-T_{2}'+T_{2})}$

El reloj ahora conoce el desplazamiento $tilde {o}$ durante esta transacción y puede corregirse a sí mismo por esta cantidad para ponerlo de acuerdo con su maestro.

Una suposición es que este intercambio de mensajes ocurre durante un período de tiempo tan pequeño que este desplazamiento puede considerarse constante con seguridad durante ese período. Otra suposición es que el tiempo de tránsito de un mensaje que va del maestro a un seguidor es igual al tiempo de tránsito de un mensaje que va del seguidor al maestro. Finalmente, se supone que tanto el maestro como el seguidor pueden medir con precisión el tiempo que envían o reciben un mensaje. El grado en que estas suposiciones son ciertas determina la precisión del reloj en el dispositivo seguidor.

Características opcionales

El estándar IEEE 1588-2008 enumera el siguiente conjunto de características que las implementaciones pueden optar por admitir:

Escala de tiempo alternativa
Gran cúmulo maestro
Maestros de unidifusión
Maestro Alterno
Seguimiento de ruta

IEEE 1588-2019 agrega funciones adicionales opcionales y compatibles con versiones anteriores:

Relojes transparentes modulares
Puertos PTP especiales para interactuar con transportes con distribución de tiempo incorporada
Mensajes Unicast Delay_Req y Delay_Resp
Configuración de puerto manual anulando BMCA
Calibración de asimetría
Capacidad para utilizar una referencia de frecuencia de capa física (por ejemplo, Ethernet síncrona)
Aislamiento de perfiles
Interacciones entre dominios
TLV de seguridad para verificación de integridad
Métricas de informes de rendimiento estándar
Supervisión del puerto esclavo

Iniciativas relacionadas

El Simposio internacional IEEE sobre sincronización de relojes de precisión para medición, control y comunicación (ISPCS) es un evento anual organizado por IEEE que incluye una prueba de conexión y un programa de conferencias con presentaciones en papel y pósteres, tutoriales y discusiones que cubren varios aspectos de PTP.
El Instituto de Sistemas Embebidos (InES) de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich/ZHAW está abordando la implementación práctica y la aplicación de PTP
IEEE 1588 es una tecnología clave en el estándar LXI para comunicación y control de prueba y medición
IEEE 802.1AS-2011 es parte del grupo de estándares IEEE Audio Video Bridging (AVB), ampliado aún más por el Grupo de trabajo de redes sensibles al tiempo (TSN) IEEE 802.1. Especifica un perfil para el uso de IEEE 1588-2008 para sincronización de tiempo a través de una red de área local con puente virtual (como se define en IEEE 802.1Q). En particular, 802.1AS define cómo IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.11 (Wi-Fi) y MoCA pueden ser partes del mismo dominio de tiempo PTP.
SMPTE 2059-2 es un perfil PTP para usar en la sincronización de sistemas de medios de transmisión
El estándar de interoperabilidad de redes de audio AES67 incluye un perfil PTPv2 compatible con SMPTE ST2059-2.
Dante usa PTPv1 para la sincronización.
Q-LAN y RAVENNA utilizan PTPv2 para la sincronización de tiempo.
El proyecto White Rabbit combina Synchronous Ethernet y PTP
Precision Time Protocol Industry Profile Perfiles PTP (L2P2P y L3E2E) para automatización industrial en IEC 62439-3
IEC/IEEE 61850-9-3 Perfil PTP para automatización de subestaciones adoptado por IEC 61850
Protocolo de Redundancia Paralela Uso de perfiles PTP (L2P2P y L3E2E) para automatización industrial en redes paralelas
PTP está siendo estudiado para ser aplicado como un protocolo seguro de sincronización de tiempo en el Monitoreo de Área Amplia de los sistemas de potencia.

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