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Das Precision Time Protocol (PTP) ist ein Netzwerkprotokoll, das die Synchronität der Uhrzeiteinstellungen mehrerer Geräte in einem Computernetzwerk bewirkt. Anders als bei dem Network Time Protocol (NTP) liegt der Fokus von PTP auf höherer Genauigkeit und lokal begrenzten Netzwerken. PTP kann in Hardware-Ausführung eine Genauigkeit im Bereich von Nanosekunden und in Software-Ausführung im Bereich weniger Mikrosekunden erzielen. PTP ist definiert in der IEEE 1588 und in IEC 61588 übernommen worden.
Familie: | Internetprotokollfamilie | ||||||||||||||||||||||||
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Einsatzgebiet: | Synchronisierung von Uhren in Computersystemen | ||||||||||||||||||||||||
Ports: | 319/UDP, 320/UDP | ||||||||||||||||||||||||
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Standards: | IEEE 1588 |
Auf der Sitzung des IEEE-SA Standards Board im Dezember 2019 wurde die Veröffentlichung von IEEE 1588-2019 als vollumfänglicher Standard genehmigt. Im Juni 2021 wurde IEEE 1588-2019 von der International Electrotechnical Commission (IEC) als IEC 61588:2021-Standard übernommen. Daher ist es weltweit als IEEE/IEC 61588-2021 – IEC/IEEE International Standard – Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems – anerkannt.[1]
Ein PTP-Netz besteht aus kommunizierenden Uhren. Von diesen teilnehmenden Geräten wird über den Best Master Clock (BMC)-Algorithmus dasjenige ermittelt, das die exakteste Zeit angibt. Dieses Gerät dient als Referenzuhr und wird als Grandmaster Clock bezeichnet. Bei Änderungen in der Netz-Topologie wird der BMC-Algorithmus auf möglicherweise vom Grandmaster abgeschnittenen Netzsegmenten neu durchgeführt. Hat ein teilnehmendes Gerät sowohl die Master- als auch die Slave-Rolle, dann wird es auch als Boundary Clock bezeichnet.
Im Betrieb verteilt jeweils der Master das Zeitsignal an seine Slaves zur Ermittlung der sogenannten Verzögerung (englisch delay). Dazu wird eine Zeitmarke in Form einer Sync Message von der Master-Referenzuhr an den Slave versandt, der die Empfangszeit der Zeitmarken an seiner eigenen Zeit bestimmt. Zudem sendet der Slave wiederholt eine Delay Request Message an den Master, deren Empfangszeit beim Master wiederum als Delay Response Message an den Slave zurückgeschickt wird.
Aus jeweils den Differenzen der vier Zeitmarken werden das Master-to-Slave Delay und das Slave-to-Master Delay bestimmt. In diesen Werten ist also jeweils die Differenz der beiden Uhren und die Nachrichtenlaufzeit mit entgegengesetzten Vorzeichen enthalten. Der Mittelwert der beiden Größen liefert somit den gerichteten Offset zum Master, welcher schließlich zur Synchronisation der Slave-Uhr benutzt wird.
Die Kompensation der Laufzeiten stützt sich dabei auf die Annahme, dass Hin- und Rückweg von Synchronisierungsnachrichten gleiche mittlere Laufzeiten haben und sich mit der Zeit nur langsam ändern. Die Annäherung des Slaves an die Referenzzeit des Master erfolgt kontinuierlich über ein Regelverfahren. Insbesondere werden so Rücksprünge in der Slave-Zeit vermieden.
Die ITU-T unterscheidet drei PTP-Profile für Telekomanwendungen:
Das Precision Time Protocol kennt verschiedene Uhrentypen:
Unterstützt der PTP-Master das Einfügen des Absendezeitpunkts on-the-fly, d. h., er kann diese Information eigenständig in den zu sendenden Frame einfügen, so kann das Protokoll in der Betriebsart „One Step“ betrieben werden. Im Unterschied dazu sieht die Betriebsart „Two Step“ eine zusätzliche Nachricht (Follow Up Message) vor, die der Übermittlung des erst nachträglich bekannten Sendezeitpunktes an den Slave dient.
Die Protokollspezifikation sieht vor, sämtliche Zeitmarken so spät wie möglich vor dem Versand und so früh wie möglich nach dem Empfang von Nachrichten anzufertigen. Hier zeigt sich der Vorteil einer Hardware-Unterstützung gegenüber der reinen Software-Variante. Die Zeitnahme im Prozessor des Netzwerkgerätes liefert deutlich präzisere Werte als durch die CPU des Rechners.
Die zum aktuellen Zeitpunkt verfügbaren Implementierungen nutzen zumeist Ethernet als Netzwerkmedium. Die Protokollspezifikation ist bezüglich des Netzwerkmediums nicht festgelegt.
Eine freie Implementierung des Protokolls ist durch den Precision Time Protocol Daemon PTPd realisiert.
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