EndRun Technologies IEEE1588 PTP グランドマスタークロック

• 時刻源としてGPS衛星を使用します
  
• Sonoma D12 1Gbpsポート2つにそれぞれハードウェアタイムスタンプのグランドマスタークロックを設定可､ 8nsのタイムスタンプ精度
  
  
• Sonoma の基準発振器は GPS 同期の場合 <30ns，CDMA 同期の場合は <10usの時刻精度を持ちます （注： IEEE1588 PTP には Premium OCXO オプションをお奨めします）
• Sonoma のタイムスタンプ精度と分解能は 8ナノ秒 と業界最高水準を誇ります
  
• IEEE-1588-2008 V2 IPv4 Multicast に対応し、高速低遅延サーバーやクラスターシステムの時刻同期に対応します
  
• スレーブとして、高精度同期には各社 PTP 対応スイッチやPTP対応ハードウェア，高精度を必要としない同期には手軽に利用できる Linux 用 ptpdソフトウェア(PTPv1 PTPv2対応) が使用できます
  
• EndRunのPTPサーバは､PTP と同時に NTP サーバとしても運用できます
  

• IEEE-1588-2008 の詳細については元文書を参照ください．また Geoffrey Garner による こちら も参照ください．
  

クライエント・スレーブの同期精度は時刻サーバのタイムスタンプ精度だけでなく，配信ネットワークのトポロジと受信側の同期能力に依存します． Sonoma のように、高い精度の基準発振器を持つグランドマスターと、高いタイムスタンプ精度と分解能を持つ機器を使いネットワークを構成することで、総合的に高い同期精度を確保できます．

証券業界では，PTPのほかにも IRIG や NTP + 1PPS なども時刻同期に使われています．

• LAN内の機器をマイクロ秒の精度で時刻同期させる手段がほしい
  
• どのクロックを親にするか決めるルールがほしい
  
• マスタークロックにスレーブクロックを頻繁に時刻合わせすることで同期精度を向上させたい
  
• 伝達経路（遅延に方向性なく，常に一定＝例えばネットワークケーブルを想定）で生ずる遅延を補正したい
  

• ネットワークケーブルだけでなくスイッチングハブなど能動機器の遅延も補正したい(遅延に方向性があり且つ変化することに対応する）
  
• 経路の切り替えが起こる前に経路毎の遅延を知っておきたい
  
• クロックデバイスの状況を知りたい(SNMPのごとく)

• NTPはLANでもWANでも使える（大規模に展開できる）
  
• NTPはミリ秒から数十ミリ秒RMSの同期を実現（PTPに比べて数桁同期精度が悪い）
  
• NTPサーバーと時刻問い合わせやブロードキャストの間隔が比較的長い（トラフィックが少ない）
  
• NTPクライエントの時刻保持能力に依存する
  
• NTPは伝達経路上（遅延に方向性なく，あまり変化しないと想定）で生ずる遅延を補正する
  
• NTPは主にソフトウェアで構成する
  

• オフセット Offset
  
  オフセット Offset(ｔ) その時刻 t におけるマスタークロックの持つ時刻 Tm(t) とスレーブクロックの持つ時刻 Ts(t) の差を言います．式にするとこんな感じです．
  
  Offset(t)=Ts(t)-Tm(t)
  ならべかえると
  Tm(t)=Ts(t)-Offset(t)
  すなわち，スレーブの時刻からオフセットを引き算するとマスターの時刻になります
  
  マスタークロックに比べてスレーブクロックが遅れると負に，逆になると正になります．正の数字だったらスレーブが進んでいます．スレーブの立場で考えると，なんとなく直感的に理解できます．
  
  
• 遅延時間 Delay
  
  遅延時間 d はマスタークロックからスレーブクロック方向に，あるいはスレーブクロックからマスタークロック方向に送ったメッセージが相手に達するのにかかる時間です．もし，マスターとスレーブが電線だけで接続されているのであればこの時間は電線の長さに比例した方向性を持たないマイクロ秒以下のものになるのですが，実際LANにはL2やL3ネットワークスイッチが介在して蓄積伝送をしますので，最大数十マイクロ秒ものダイナミックに変化する遅延が発生します．さらに，メッセージの流れる方向により到達にかかる時間が異なります．
  でも，まずあまり深く考えずに，遅延時間はメッセージが相手に伝わるのにかかる時間と考えます．
  
  

1. マスタークロックからドメインに対してSYNCメッセージがマルチキャストされる
   
   SYNCメッセージにはメッセージがマスターを離れた時のマスタークロックの時刻 T1 が書き込まれています．それがタイムスタンプです．0時0分10秒というタイムスタンプが打たれていたとします．1stepではここまでですが、2stepではFOLLOW_UPメッセージに，正確に測り直した T1 を書き込んで相手に通知します．
   
   
2. スレーブクロックはSYNCメッセージを受け取った時刻を記録します
   
   0時0分10秒 のタイムスタンプを持つSYNCメッセージがスレーブに届きますが，スレーブの時計は2秒遅れているのでスレーブの時計では0時0分8秒にマスターを離れたことになります．それが遅延時間1秒をかけてスレーブに届くのですから，到達した時刻 t2 はスレーブの時計では0時0分9秒になります．
   
   
3. スレーブクロックからマスターに DELAY_REQ を送ります
   
   DELAY_REQ メッセージにはこのメッセージがスレーブを離れた時のスレーブクロックの時刻 t3 がタイムスタンプとして書き込まれています．0時0分20秒というタイムスタンプが打たれていたとします．
   
   
4. マスタークロックは DELAY_REQ メッセージを受け取った時刻を記録します
   
   0時0分20秒 のタイムスタンプを持つDELAY_REQメッセージがマスターに届きますが，マスターの時計はスレーブに比べて2秒進んでいるので，マスターの時計では0時0分22秒にスレーブを離れたことになります．それが遅延時間1秒をかけてスレーブに届くのですから，到達した時刻 T4 はマスターの時計では0時0分23秒になります．
   
   
5. マスタークロックは DELAY_RESP メッセージをドメインに対してマルチキャストで送信します
   
   マスターはスレーブに T4 を伝える目的で DELAY_RESP メッセージを送信します．
   
   
6. スレーブクロックは DELAY_RESP メッセージを受信し，T4 を記録します．
   
   これで遅延時間とオフセットを計算するのに必要な，4つの時刻がスレーブクロックにそろいました．
   

   マスターの時計	スタンプ		PTP メッセージ		スタンプ	スレーブの時計	時刻
   0時0分10秒	T1	→	SYNC			0時0分8秒
   0時0分11秒				→	t2	0時0分9秒	T1 t2
   0時0分22秒			DELAY_REQ	←	t3	0時0分20秒	T1 t2 t3
   0時0分23秒	T4	←				0時0分21秒
   0時0分24秒		→	DELAY_RESP			0時0分22秒
   0時0分25秒				→		0時0分23秒	T1 t2 t3 T4

   
   ここでマスターとスレーブは同期していると仮定して，伝送にかかった時間（遅延時間を計算してみます．
   
   T1 にマスターを出たメッセージが t2 にスレーブに届いたのですから届くのにかかった時間(遅延時間)は到達した時刻から出発した時刻を引き算します．でも，スレーブの時計はマスターの時計に対して2秒遅れている，すなわちオフセットが-2秒ありますので，引き算をする前に時刻をそろえておかねばなりません．ではオフセットを考慮して時刻をそろえてみます．スレーブの時刻からオフセット分を引くとマスターの時計と同じになりますから，この方法でスレーブの時計を調整します．
   t2 をマスターの時刻に読みかえると (t2-オフセット)
   t3 をマスターの時刻に読みかえると (t3-オフセット)
   になります．
   
   T1にマスターを出たメッセージが(t2-オフセット)にスレーブに届くのにかかった時間(遅延時間)は
   (t2-オフセット)-T1 = (0時0分9秒-(-2秒)) - 0時0分10秒 = 1秒 = 遅延時間
   
   (t3-オフセット)にスレーブを出たメッセージが T4 にマスターに届くのにかかった時間(遅延時間)は
   T4-(t3-オフセット) = 0時0分23秒 - (0時0分20秒-(-2秒)) = 1秒 = 遅延時間
   
   この2つの関係から次のことがわかります．
   遅延時間 = ((t2-T1)+(T4-t3))/2
   オフセット = ((t2-T1)-(T4-t3))/2
   

• ナノ秒級の誤差の同期が可能に
  
• V1ではSYNC送出間隔は1秒以上だったが、V2では10回/秒も可能
  
• それを可能にする短いメッセージ
  
• 新たに規定されたメッセージ (アナウンスメッセージ, PDelay_Req, PDelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up と シグナリングメッセージとマネージメントメッセージ)
  
• one-step-mode の導入 (follow-up メッセージ不要)
  
• トランスペアレントクロックの導入 (E2E と P2P) による連接されたトポロジーでの誤差の累積の排除
  
• プロファイルの導入 (機能と設定を定義 e.g P802.1AS や PROFInet)
  
• DeviceNet, PROFInet, ControlNet へのマッピングと IEEE802.3/Ethernet
  
• TLV の導入 (将来に向けた新機能やオプションによるプロトコルの拡張)
  
• (オプション) ユニキャスト対応 （EndRunは対応しません）
  
• (オプション) パストレース
  
• (オプション) 代替タイムスケール
  
• (オプション) マスタークラスターテーブル
  
• (オプション) 代替マスター
  

• E2E : End-to-End トランスペアレントクロック ：
  
  遅延時間の測定に End-to-End (E2E) Delay request- Delay response メカニズムを使います．伝送遅延誤差の大きな原因であるスイッチ内の滞留時間(処理と待ちにより発生)をSYNCとDELAY_REQについて測定した結果をCorrectionフィールドに加算して伝えることで，より正確な遅延時間の計算を可能にします．SYNCメッセージの滞留時間はSYNCあるいはFOLLOW_UPメッセージのCorrectionフィールドに、DELAY_REQメッセージの滞留時間はDELAY_RESPメッセージのCorrectionフィールドに加算されます．経路にあるすべてのTCが滞留時間を加算しますので、スレーブが受け取るSYNCメッセージやDELAY_RESPメッセージはそれぞれ滞留時間の総和がCorrectionフィールドに含まれています．スレーブはこれをオフセットの計算に使います．遅延時間の計測はマスターとスレーブの間で行われます．
  
  
• P2P : Peer-to-Peer トランスペアレントクロック :
  
  遅延時間の測定に Peer-to-Peer (P2P) Peer delay メカニズムを使います．上流のリンクのパス遅延をPDELAY_REQメッセージとPDELAY_RESP，PDELAY_RESP.FLOLLOW_UPメッセージをやり取りして測定します．E2E同様に伝送遅延誤差の大きな原因であるスイッチ内の滞留時間(処理と待ちにより発生)をCorrectionフィールドに加算しますが，加えてPeer Delayメカニズムで測定した上流リンクのパス遅延量もCorrectionフィールドに加算します．即ち，スレーブに到達したSYNCとDELAY_REQメッセージのCorrectionフィールドには，その経路の滞留遅延とパス遅延の遅延時間の総和が入っていることになります．スレーブはこれをオフセットの計算に使います．遅延時間の計測を各ピア間で行うため，スレーブクロックは伝搬経路が切り替わっても即座にオフセットを知ることができます．
  

	BC	E2E TC	P2P TC
クロック	Syncronized	Syntonized	Syntonized
トポロジ	無制限	無制限	Peer Delay mechanism
ステート 保持	ポート毎 ユニキャスト毎	2-step	リンク毎 2-step
補正	再生成	処理時間 待ち時間 遠端間遅延	処理時間 待ち時間 リンク遅延
拡張性	階層的	クライエント増加に伴い マスターの負担が増加	階層的
階層化誤差	累積する	累積しない	累積しない
トポロジの変更	遅延の再計測	遅延の再計測要す	既知

• E2E TC : ポートは複数．PTPノードとしては機能しない．correctionFieldに滞留遅延を加算する．PTP v2 のみ．
  
• P2P TC : ポートは複数．PTPノードとしては機能しない．pdelayを実行．correctionFieldに滞留遅延と上流リンクのパス遅延を加算する．PTP v2 のみ．
  
• BC : ポートは複数．PTPマスターとスレーブポートを持つ．マスターに同期した内蔵クロックを使いスレーブポートを出て行くパケットをタイプスタンプする．多段に使うと精度が落ちる．ドメインの中でE2EもP2Pも使うことができる．
  
• 普通のスイッチングハブやルータ : 何もしない．通過方向により遅延時間が異なるし、遅延時間も変動するので同期誤差の原因となる．
  
• P2P TC と E2E TC を同一経路に混ぜることはできない(特別な例外を除いて)．
  
• OC : ドメインの中でE2EもP2Pも使うことができる．
  
• 大規模なPTP時刻同期の展開ではBC(上流)とTC(中間と下流)を適所に配置する
  

• Delay Request Response profile
  End to End 遅延測定のプロファイルです
  domain 0, Announce interval 1 (range 0.4), Sync interval 0 (-1 to 1), Delay_Req interval 0 (0.5), Announce timeout 3 (2.10), Priority1 128, Priority2 128.
  
  
• Peer to Peer profile
  Peer to Peer 遅延測定のプロファイルです
  Pdelay_Req interval 0 (0-5) が加わります

• サーバー群の正確な時刻同期に利用されています．特に，クラスターなど複数のノード間の時刻同期に利用されています．
  
• 株式や証券，債券のプログラム売買のようにマイクロ秒の単位で頻繁に取引が行われる環境では，PTPが時刻同期の標準になりつつあります．
  
• 電力用通信網のIP化における，時刻同期への適用が世界的に広がりつつあります．．
  
• 産業機器やセンサーネットワークの中にもPTPが取り入れられつつあります．
  
• 産業ロボットの同期にもPTPが使われます．
  
• 携帯電話のフェムトセルの時刻同期はPTPが標準採用されています．
  
• ストリーミング映像音楽配信やAVデジタル通信への応用 802.1AS が検討されています．

要素
名称
設定値
内容
代表値



PTP Sync Interval
毎秒 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 ないし 128回 
Syncフレームの送信頻度
1



Announce Interval
1,2,4,8,16秒に1回
アナウンスの送信頻度
2



Priority1 value
0...255

GMCとしての絶対優先度

小さいほど優先度が高い
127



Priority2 value
0...255

同点決勝時に比較する値

小さいほど優先度が高い

(クロッククラス, 精度, 変移, BC/OCでも決着がつかない時に参照) (Priority 2でも決着がつかないとID=MACアドレスで判別)
128



Delay Mechanism
E2E/P2P
遅延補正の方式
E2E



Domain value
0...255

ドメイン値

この値によりマルチキャストアドレスが変わる
0



Time Mode
UTC/PTP
時刻標準
PTP



TTL value
1...255
1
















実際のPTPトポロジ構成に合わせて設定願います．
現在は unicast のメッセージングには対応しておりません．

• NIST IEEE 1588 Standard | NIST IEEE 1588 Products & Implementation
  
• PTPd http://ptpd.sourceforge.net/
  
• ptpv2d Project Home
  
• List of PTP implementation
  
• LCI 2008 paper
  
• CALNEX Paragon IP/Ethernet Network Emulator
  
• ANUE SYSTEMS IEEE 1588 PTP 計測， ネットワークエミュレータ
  
• WESTERMO/OntimeNetworks PTPBrowser
  
• Korusys IEEE1588