GNSS终端授时之四：高精度的PTP授时

我们在GNSS终端的授时之三：NTP网络授时中介绍了NTP网络授时的基本原理。我们知道了NTP授时的精度跟网络环境相关，即使在局域网中NTP授时的精度也只能到ms级别。如果广域网，经过多级交换机，路由器，由于传输路径和延时的不确定性，NTP授时的精度在百ms的级别。

为什么NTP授时精度只能到ms（局域网），百ms（广域网）呢？

在上一个文章中也提到了，导致NTP授时精度比较低的原因主要有2个：

• CPU的处理延时

NTP授时原理中的四个时间戳，T1、T2、T3、T4，都是CPU处理时间数据包的时刻，并不是数据包从网口发送/接收的时刻。

CPU处理数据包的时刻 和 数据包从网口上输入/输出的时刻 ，肯定存在差异，这个也会引起授时精度降低。

而且由于CPU都带有操作系统，是多线程运行的,带来的结果是CPU的处理延时并不是一个确定的数值，没法进行补偿。

• 网络环境的延时

在 NTP 授时原理中，假定从服务器到客户端的网络传输延时 T1 和从客户端到服务器的网络传输延时 T2 相等且对称。而实际网络环境中，存在多级交换机，多级路由器，上面的两个时间T1和T2不可能是相等、对称的。

这就带来了NTP授时的误差。随着广域网中国路由器的数量增多，从服务器到客户端的路由路径 和从客户端到服务器的路由路径 会有很大的差异，导致T1和T2的差异更大，所以授时精度也会到百ms的级别。

那么，有没有一种办法，能够让网络授时精度达到1us以下呢？

今天我们就来聊聊这个话题。

授时精度能够达到1us以下精度的网络授时方式是有的，这就是PTP授时。

PTP授时中的第一个“P”的意思就是Precise，精确的意思。

我们从NTP授时精度差的痛点开始介绍。

CPU处理延时怎么解决

既然

• CPU处理存在延时

• 应该记录的是数据包从网口发送和接收的时刻

那么

我们给T1、T2、T3和T4打时间戳的时候，直接在物理层（PHY）或者网卡（NIC）记录时间，这样就绕过了操作系统和软件协议栈的延时抖动，不存在由于操作系统的调度，中断处理等导致的随机延时了。

就像下面这个图上所表示的：

时间戳

网络环境延时怎么解决

中间节点延时补偿

网络中数据包经过的交换机、路由器这些中间节点的时候，在节点的内部都存在处理时间，这个交换机和路由器的处理时间，称为驻留时间（Residence Time）。

如果我们能够把驻留时间测量出来，然后作为补偿值放在时间数据包的专用字段中，发送到下一级。

下一级节点收到数据包之后，经过处理，在对外发送的时候，把自己的驻留时间和上一级的驻留时间相加，相加的结果放在时间数据包的专用字段中。

。。。。

这样一级一级的传递下去，等到数据包从主时钟到达从时钟的时候，从时钟不仅知道了从主时钟到从时钟的总路径延时T，还知道了中间各个节点总的驻留时间Tr。

在主从时钟之间传输的数据包中有专门的时间校正字段correctionField。

我们假定主时钟和从时钟之间有2个路由器，第一个路由器的驻留时间是3us，第二个路由器的驻留时间是2us。主时钟发送的数据包从第一个路由器发出的时候，数据包的correctionField字段写上了3us，数据包从第二个路由器发出的时候，数据包的correctionField字段写上了5us。

从时钟拿到数据包之后，从correctionField字段中拿到了5us，就知道网络路径上的路由器节点增加了5us延迟，那么

总路径延时T减去总驻留时间Tr=5us，不就是实际的网络传输延时吗？

以此类推，如果有N级路由器，每个路由器都把自己的处理驻留时间加到correctionField字段上去。

我们可以用下面这个图来说明。

驻留时间分析

通过上述的办法，可以消除交换机、路由器内部处理带来的延时影响，即使经过了多级交换机，多级路由器也没关系了。

中间节点延时补偿，在业内有一个专门的术语“透明时钟”，意思也就是说，数据包通过节点是完全“透明”的，没有增加延时，原因是延时已经被补偿掉了。

强制路由

中间节点延时补偿能够消除路由器、交换机内部处理延时的影响。但是我们从服务器到客户端的路由路径，和，从客户端到服务器的路由路径 不同的话，仍然会存在路径延时的误差，导致往返延时的不对称，最终影响授时的精度。

所以，我们可以对网络路由进行优化，通过配置路由协议，强制服务器到客户端之间双向往返流量走相同的物理路径，从而保证往返延迟的对称性。

另外如果能够为PTP时间数据包划分独立的VLAN或者物理链路，就更好了，不仅保证了双向链路走了相同的物理路径，还避免了路径上的数据堵塞可能导致的随机延迟。

具体实现方式

上面根据NTP授时精度不高的痛点，提出了提高授时精度的解决方法。而PTP授时就是利用上面的方法来提高授时精度的。

首先PTP时间协议中的时间戳，都是基于网卡NIC或者物理层PHY的时间，是数据包从网口发送/接收的时刻，消除了CPU处理延时的影响。

在网络中的节点，交换机和路由器，都是测量自己的处理时间（驻留时间）Tr，然后把自己的驻留时间加到总的驻留时间中

具体的实现方式如下：

主从时间传递

(1) Sync 和 Follow_Up 消息（主 → 从）

主时钟发送同步信息Sync。如果硬件时间的话，就把网口的发送时间T1放在Sync数据包中发送出去。

如果硬件不能支持的话，就由CPU读取网口发送时间T1，随后再发送一个Follow_UP数据包，把T1放在Follow_UP数据包中发送出去。

(2) Delay_Req 消息（从 → 主）

从时钟收到Sync数据包之间，记录自己的网口接收时刻T2，然后向主时钟发送Delay_Req数据包，同时记录自己网口的发送时刻T3。

在这个过程中，T2 和 T3 这两个时间戳都不需要向主时钟回传。

(3) Delay_Resp回传信息（主→从）

主时钟收到Delay_Req之后，记录自己网口的接收时间T4，然后通过Delay_Resp数据包把T4返回给从时钟。

那么现在从时钟手里有了T1、T2、T3和T4，应该怎么处理才能得到主从时钟时间的时间差offset呢？

跟NTP授时的时候类似,我们可以如下计算：

从时钟计算出了offset之后，将自己的时钟调整offset，就可以完成跟主时钟时间的同步了。

为什么PTP授时仍然能够假定主从之间的往返路径延时是对称的呢？就是因为：

透明时钟消除了各个节点的内部处理驻留时间，强制路由限定了主从之间相同的路径，保证了主从往返延时的对称性。

时钟传递，从时钟变成下一级的主时钟

如果网络过于复杂，即使经过上述处理，主从之间的往返延时仍然是不对称的。还有一种办法能够提高授时精度，就是把主时钟到从时钟之间的长链路分割为多个短链路。

假定主时钟A需要给从时钟B授时，但是A和B之间网络比较复杂，还可以中间增加一个PTP的节点C，C具备从主时钟A获取时间的能力，把自己的时间同步到主时钟。

同时C还可以作为新的主时钟，给下一级的时钟B提供时间。

时钟传递

由于长链路分成了多个短链路，每个短链路的往返延时就更容易保证对称了。

示例

下面是某PTP授时板卡的技术指标和说明

PTP授时板