时钟同步软件ptp4l简介、安装、使用

摘自：

一、ptp4l简介

ptp4l 是 Linux 下的一个开源软件，是 IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) 实现之一。它的功能是通过网络同步多个系统的时钟，并提供高精度的时间戳。下面分别解释其概念、实现功能、优缺点、应用场景。

概念：

PTP 是一种网络协议，用于在分布式系统中实现时钟同步。ptp4l （PTPv2 Linux implementation）是一个 PTP 协议的实现，支持 PTPv2 协议、时钟精度等级（clock precision）选择、延迟补偿等功能。其可以通过网络同步多个 PTP 节点的时钟，并提供高精度的时间戳。

实现功能：

ptp4l 常用于实现时钟同步和高精度时间戳，可以用于音视频同步、数据采集与处理、金融交易、电力系统同步、工业控制等领域。它提供以下主要功能：

1. 实现时钟同步：ptp4l 可以通过协议同步多个节点的时钟，以达到高精度的时间同步。

2. 提供高精度时间戳：ptp4l 可以为接收到的数据进行时间戳，并且提供子纳秒级别的时间精度。

3. 支持不同精度等级：ptp4l 可以支持不同的时钟精度等级，以达到更高精度的时钟同步。

4. 支持延迟补偿：ptp4l 可以诊断网络延迟，并根据延迟对时钟进行补偿。

优点：

1. 高精度：ptp4l 提供子纳秒级别的时间精度，可满足对时间精度要求较高的场景。

2. 可扩展性：ptp4l 可以通过协议同步多个节点的时钟，可以扩展到分布式系统中。

3. 灵活性：ptp4l 可以通过配置不同的时钟精度等级、延迟补偿等参数，以适应不同的应用场景。

缺点：

1. 受限于硬件支持：ptp4l 的时间同步精度受限于硬件支持，如果硬件不支持高精度时钟同步，则精度会受到限制。

2. 依赖于网络：ptp4l 通过网络实现时钟同步，因此受网络延迟、带宽等因素的影响。

二、应用场景：

ptp4l 主要应用于需要高精度时钟同步的场景，如音视频同步、数据采集与处理、金融交易、电力系统同步、工业控制等领域。在这些场景中，需要对不同系统中的时钟进行同步，以达到高精度和一致性，从而保证系统的稳定性和正常运行。

 

以下是在 CentOS 7 上安装和使用 LinuxPTP 的简要步骤：

1. 打开终端，使用以下命令安装 LinuxPTP：

   sudo yum install linuxptp
   

    

2. 验证 LinuxPTP 是否已成功安装。在终端中输入以下命令：

   ptp4l -v
   

    

   如果显示 LinuxPTP 版本号，则表示安装成功。

3. 配置 LinuxPTP。在终端中输入以下命令：

   sudo nano /etc/ptp4l.conf
   

    

   打开配置文件并根据需要进行更改。例如，您可以更改时钟设置、物理网络接口、PTP 网络接口等。

4. 启动 LinuxPTP。在终端中输入以下命令： 

   [root@localhost ~]# ptp4l -i enp1s0 -f /etc/ptp4l.conf -m
    
   ptp4l[519569.670]: selected /dev/ptp0 as PTP clock
    
   ptp4l[519569.672]: port 1: INITIALIZING to LISTENING on INIT_COMPLETE
    
   ptp4l[519569.672]: port 0: INITIALIZING to LISTENING on INIT_COMPLETE
    
   ptp4l[519577.354]: port 1: LISTENING to MASTER on ANNOUNCE_RECEIPT_TIMEOUT_EXPIRES
    
   ptp4l[519577.354]: selected local clock 001b21.fffe.c4522a as best master
    
   ptp4l[519577.354]: assuming the grand master role
    
    

    

   这将启动 PTP 守护程序并将其配置为使用 eth0 接口，以 /etc/linuxptp/ptp4l.conf 中指定的设置运行。

5. 检查时钟同步情况。在终端中输入以下命令： 

    

   [root@localhost ~]# phc2sys -s enp1s0 -w CLOCK_REALTIME -m
   phc2sys[519870.160]: CLOCK_REALTIME phc offset -172 s0 freq +44777 delay 749
   phc2sys[519871.161]: CLOCK_REALTIME phc offset -177 s2 freq +44772 delay 758
   phc2sys[519872.161]: CLOCK_REALTIME phc offset -173 s2 freq +44599 delay 758
   phc2sys[519873.161]: CLOCK_REALTIME phc offset -25 s2 freq +44695 delay 743
   phc2sys[519874.161]: CLOCK_REALTIME phc offset 44 s2 freq +44757 delay 745
   phc2sys[519875.161]: CLOCK_REALTIME phc offset 34 s2 freq +44760 delay 751
   phc2sys[519876.162]: CLOCK_REALTIME phc offset 61 s2 freq +44797 delay 745
   phc2sys[519877.162]: CLOCK_REALTIME phc offset 42355 s2 freq +87109 delay 749
   phc2sys[519878.162]: CLOCK_REALTIME phc offset 122 s2 freq +57583 delay 757
   phc2sys[519879.162]: CLOCK_REALTIME phc offset -12775 s2 freq +44722 delay 745
   phc2sys[519880.162]: CLOCK_REALTIME phc offset -12753 s2 freq +40912 delay 754
   phc2sys[519881.163]: CLOCK_REALTIME phc offset -8903 s2 freq +40936 delay 744

    

   这将将 PHC（Ptp Hardware Clock）与真实时钟同步，从而确保时钟同步。

以上是在 CentOS 7 上安装和使用 LinuxPTP 的基本步骤，实际上，您还需要了解更多关于 LinuxPTP 的详细配置和使用方法，以确保系统正常运行。

常用参数

ptp4l 常用参数含义如下：

usage: ptp4l [OPTION]... [INTERFACE]...

ptp4l is an implementation of the Precision Time Protocol (PTP) according 
to IEEE standard 1588 for Linux. PTP is used to synchronize the clocks of
devices over a network. ptp4l, in conjunction with phc2sys, can be used to
synchronize the system clock to an external PTP clock.


OPTION list:

-C, --config-file load configuration from file
-g, --global-override enable global override of settings in configuration files
-i, --interface specify an interface to use
-m, --management enable the PTP management messages
-p, --priority select the priority1 and priority2 for PTP port
-s, --step-seconds step the clock if offset is greater than given seconds
-A, --announce-interval interval in seconds between sending announce messages
-D, --drift-threshold drift threshold for the clock in seconds per second (default 1e-6)
-G, --domain specify PTP domain number (default 0)
-H, --pdelay-req-hops number of hops for pdelay-req messages (default 1)
-I, --init-delay initial delay before sending first announce message (seconds)
-M, --max-adjustable-offset the maximum offset the clock can be adjusted in seconds
-O, --outlier-threshold specify outlier threshold for the clock discipline
-P, --phc2sys enable phc2sys compatibility mode
-Q, --ptpengine-debug output debug information for ptpengine (use multiple times for more detail)
-R, --hw-timestamps use hardware timestamps instead of software
-S, --src-addr specify source IPv4 or IPv6 address (receiver mode only)
-T, --unicast-address specify unicast destination address instead of multicast
-U, --user-description specify user description for PTP port
-V, --version print version number and exit
-W, --override-offset-allowed override the offset if the difference is outside acceptable limits (default false)
-X, --set-timeout specify timeout in milliseconds for message receptions
-Y, --sync-rate-limit limit the number of sync messages propagated per second
-Z, --pid-file write the PID of ptp4l to a file
-d, --debug-level output debugging information (use multiple times for more detail)
-f, --foreground stay in foreground and output messages to stdout
-h, --help display this help and exit
-l, --lock-file lock file used for PID file (default /var/run/ptp4l.lock)
-o, --one-step enable the one-step clock mode
-r, --priority1 specify PTP priority1 value (default 128)
-t, --priority2 specify PTP priority2 value (default 0)
-u, --unicast-dest specify unicast destination for PTP messages
-v, --verbose output verbose messages

See the ptp4l(8) man page for more information.

 

 

其中一些常用的参数的使用方法如下：

• -C, --config-file: 指定配置文件的位置，例如 -C /etc/ptp4l.conf。
• -i, --interface: 指定要使用的接口名称，例如 -i eth0。
• -m, --management: 启用 PTP 管理消息，例如 -m。
• -s, --step-seconds: 如果时钟偏移大于给定的秒数，则步进时钟，例如 -s 1。
• -A, --announce-interval: 指定发送 announce 消息的间隔时间，例如 -A 30。
• -M, --max-adjustable-offset: 指定时钟可以调整的最大偏移量，例如 -M 0.1。
• -Q, --ptpengine-debug: 输出 ptpengine 的调试信息。您可以使用多次 -Q 选项来获取更多的调试信息，例如 -Q -Q -Q。
• -d, --debug-level: 输出调试信息，使用多个 -d 选项可以获取更详细的调试信息，例如 -d -d -d。
• -f, --foreground: 以前台进程方式运行，将消息输出到标准输出中，例如 -f。
• -h, --help: 显示帮助信息，例如 -h。
• -v, --verbose: 打印详细的消息，例如 -v。

这些参数的使用方法可以结合具体的应用场景来确定。

[root@localhost ~]# ptp4l -h

usage: ptp4l [options]

 Delay Mechanism

 -A        Auto, starting with E2E
 -E        E2E, delay request-response (default)
 -P        P2P, peer delay mechanism

 Network Transport

 -2        IEEE 802.3
 -4        UDP IPV4 (default)
 -6        UDP IPV6

 Time Stamping

 -H        HARDWARE (default)
 -S        SOFTWARE
 -L        LEGACY HW

 Other Options

 -f [file] read configuration from 'file'
 -i [dev]  interface device to use, for example 'eth0'
           (may be specified multiple times)
 -p [dev]  PTP hardware clock device to use, default auto
           (ignored for SOFTWARE/LEGACY HW time stamping)
 -s        slave only mode (overrides configuration file)
 -t        transparent clock
 -l [num]  set the logging level to 'num'
 -m        print messages to stdout
 -q        do not print messages to the syslog
 -v        prints the software version and exits
 -h        prints this message and exits

 

主时钟：# ptp4l -i enp95 -m -H -2

从时钟：# ptp4l -i enp49 -m -H -s -2

说明：

• ptp4l -i enp95 -m -H -2：在网络接口 上使用硬件时间戳（-H），以以太网协议（-2）进行 PTP 同步，并将消息输出到标准输出（-m）。
• ptp4l -i enp49 -m -H -s -2：在网络接口上使用硬件时间戳（-H），以以太网协议（-2）进行 PTP 同步，并且启用客户端同步模式（-s），同时将消息输出到标准输出（-m）

同步精度在+/- 100ns以内

 

附：报错：failed to create a clock

ptp4l[519360.082]: interface 'enp4s0' does not support requested timestamping mode
failed to create a clock

这个错误通常出现在 Linux 系统上，表明 ptp4l 无法在指定的网络接口上启用 PTP 时间戳模式。可能的原因是：

1. 网络接口不支持 PTP 时间戳模式。某些网络接口可能不支持硬件时间戳或软件时间戳，因此无法用于 PTP 同步。

2. 没有足够的权限来启用 PTP 时间戳模式。在某些系统中，需要以管理员或特权用户身份运行 ptp4l，才能访问必要的系统资源。

为了解决这个问题，可以尝试以下步骤：

1. 检查网络接口是否支持 PTP 时间戳模式。可以使用 ethtool 命令来查看网络接口是否支持硬件时间戳或软件时间戳。例如，使用以下命令查看 enp4s0 网络接口的时间戳能力：

   sudo ethtool -T enp4s0
   

    

   如果输出中包含 PTPv2(IEEE 1588)，则表示该网络接口支持 PTP 时间戳模式。如果没有该选项，则表示网络接口不支持 PTP 时间戳模式。

2. 确认当前用户是否具有足够的权限启用 PTP 时间戳模式。可以尝试使用 sudo 命令以管理员或特权用户身份运行 ptp4l。

3. 如果确认网络接口支持 PTP 时间戳模式且当前用户具有足够的权限，但仍然遇到该错误，请尝试升级系统内核或驱动程序，以确保网络接口驱动程序支持 PTP 时间戳模式。

希望以上步骤可以帮助您解决这个问题。

接口不支持PTP时间戳模式：

 接口支持PTP时间戳模式：

 

IEEE 1588

IEEE 1588，通常被称为 精确时间协议（PTP, Precision Time Protocol），是由 IEEE 1588标准规定的一种网络时间同步协议。它旨在通过以太网等网络为基础，在计算机和通信设备中实现高精度的时间同步。IEEE 1588可以在局域网（LAN）中，甚至是广域网（WAN）中提供高精度的时钟同步，尤其是在那些需要精确时间同步的应用场景中。

IEEE 1588的主要特点

1. 高精度时钟同步： IEEE 1588协议能够实现微秒甚至纳秒级别的时钟同步，具体精度取决于网络的质量、硬件支持以及配置等因素。与传统的基于网络的时钟同步方法（如NTP）相比，IEEE 1588提供了更高的时间同步精度。

2. 主从结构： IEEE 1588采用主从模式来进行时间同步。网络中的一个设备被指定为主时钟（Grandmaster Clock），其他设备作为从时钟（Slave Clocks）进行同步。主时钟提供精确的时间信息，从时钟则根据主时钟的时间调整自身的时钟。

3. 时钟同步算法： IEEE 1588采用了基于交换时间戳的算法来实现高精度的时钟同步。交换的时间戳通常包括：

   • Sync消息：主时钟向从时钟发送同步消息，通知从时钟当前的时间。
   • Follow_Up消息：主时钟如果无法在同步消息中提供精确的发送时间，会单独发送跟进消息来补充发送时间戳。
   • Delay_Req消息：从时钟向主时钟发送请求，测量往返时延。
   • Delay_Resp消息：主时钟回应从时钟的延迟请求。

4. 网络延迟补偿： 在传统的时钟同步方法中，网络延迟常常会影响同步精度。而IEEE 1588协议通过测量消息在网络中传播的时间，能在时钟同步过程中进行网络延迟的补偿。通过交换多个时间戳，协议能精确估算出延迟，并且对其进行校正。

5. 层级结构与多层时钟同步： IEEE 1588协议支持多层次的时钟同步结构。比如，一个网络中可以有多个从时钟，而这些从时钟可以进一步成为其他从时钟的主时钟，从而实现多级的精确时间同步。

IEEE 1588标准的版本

• IEEE 1588-2002（PTP v1）：这是最早的版本，主要解决了局域网内的时间同步问题。它规定了精确时间同步的基本框架，但对网络延迟的补偿和精度的提升有一定的限制。

• IEEE 1588-2008（PTP v2）：这是改进后的版本，对原有协议进行了优化，加入了更多的特性，如：

  • 精确的时间戳算法
  • 支持更多的时钟类型（如Boundary Clocks、Transparent Clocks）
  • 支持多层次的时钟同步和更高的网络延迟补偿机制
  • 提供更好的容错性和稳定性

IEEE 1588的应用

IEEE 1588的高精度时钟同步特性使其在许多领域中得到了广泛应用，特别是在那些要求精确时间同步的工业、科研和商业场景中。常见的应用包括：

1. 工业自动化与控制系统： 在一些分布式控制系统中，多个控制设备需要在微秒级别同步时间，以确保它们的协同工作。例如，机器人控制、生产线的自动化控制等。

2. 通信系统： 在移动通信、光纤网络、5G网络等领域，IEEE 1588用于确保基站之间和网络设备之间的时间同步，以支持数据传输的时延控制、流量管理和协调。

3. 电力系统： 在电力网络中，特别是智能电网中，精确的时间同步对于保护设备的协调性、故障检测以及事件的记录至关重要。

4. 金融系统： 在金融交易系统中，时间的精确同步对于确保交易的准确记录、执行顺序以及合规性至关重要。IEEE 1588被用于高频交易、交易时钟的同步等场景。

5. 音视频同步： 在音视频流的传输中，尤其是在广播和直播领域，IEEE 1588被用来保持音视频数据流的精确同步，避免因时差导致音视频不同步的问题。

设备支持与硬件加速

为了达到纳秒级别的时间同步精度，IEEE 1588协议通常需要专门的硬件支持。许多网络设备和芯片（如交换机、网卡、路由器等）支持IEEE 1588协议的硬件加速。通过硬件时间戳、精确的时钟同步机制和延迟补偿技术，能够大大提高同步精度，减少由软件引入的误差。

报文流程图

报文说明

在 精密时间协议（PTP，IEEE 1588） 中，通信过程中使用不同类型的报文来同步主时钟和从时钟。每种报文类型都有其特定的功能和作用。以下是 PTP 报文的类型、说明以及作用的表格：

报文类型	说明	作用
Sync	主时钟发送的同步报文，包含主时钟的当前时间戳。	从时钟通过此报文获取主时钟的时间戳，并根据收到的同步信息来校正自己的时钟。
Follow_Up	仅在 2-step 模式下使用，主时钟发送的跟随报文，提供 Sync 报文中时间戳的精确值。	用于修正由于传输延迟引起的 Sync 报文时间戳误差。它提供了主时钟发出 Sync 报文时的准确时间戳，使从时钟能够准确同步。
Delay_Req	从时钟发送的延迟请求报文，用于测量从时钟到主时钟的单程延迟。	通过请求报文，向主时钟询问从时钟与主时钟之间的网络延迟。该报文是同步过程的一部分，帮助从时钟计算与主时钟的时钟偏差。
Delay_Resp	主时钟响应从时钟的延迟请求报文，包含主时钟的时间戳。	主时钟返回此报文以告知从时钟延迟请求的时间。通过该报文，从时钟可以计算出从时钟到主时钟的单程延迟，从而补偿网络传输延迟。
PDelay_Req	使用于点对点（peer-to-peer）通信的延迟请求报文。	点对点网络中的设备通过此报文交换时间戳来测量延迟，帮助两个设备测量彼此之间的延迟并进行时钟同步。
PDelay_Resp	点对点通信中的延迟请求响应报文，回应 PDelay_Req 报文，包含发送此报文的设备的时间戳。	在点对点的时钟同步过程中，响应对方的延迟请求报文，帮助计算从时钟到主时钟的单程延迟。
PDelay_Resp_Follow_Up	点对点模式中的跟随报文，提供 PDelay_Resp 报文的精确时间戳。	该报文修正 PDelay_Resp 报文中的时间戳误差，用于高精度时钟同步。
Announce	用于广播或多播的报文，包含主时钟的身份信息、优先级等。	用于在网络中宣布主时钟的存在，允许从时钟选择最佳主时钟来进行同步。
Sync_Follow_Up	用于支持主时钟与从时钟之间精确同步的补充报文，仅在某些高精度模式中使用。	提供与 Sync 报文相关的更多同步信息，用于进一步修正时间戳误差。
Management	用于管理和配置 PTP 网络的报文，允许修改协议参数、查询状态等。	用于设备间配置 PTP 设置或获取网络状态信息，支持网络管理和调试。
Signaling	用于 PTP 网络中设备之间的控制和信令通信，传递状态信息或警告。	用于设备间传递控制信号或状态更新信息，帮助管理和调节 PTP 网络的运行状态。

主要报文类型的作用

• Sync 和 Follow_Up：这两个报文是 PTP 中时钟同步的核心报文，通过它们主时钟和从时钟共享时间信息。
• Delay_Req 和 Delay_Resp：用于测量和补偿网络延迟，以保证精确同步。通过这两类报文，系统可以计算出单程延迟并调整时钟。
• Announce：用于主时钟的广播，使得从时钟能够选择最优的主时钟进行同步，尤其是在多主时钟环境下非常有用。
• PDelay_Req 和 PDelay_Resp：用于点对点同步，尤其是在网络拓扑结构为点对点的情况下。

1-step 模式与 2-step 模式的区别：

1. 1-Step 模式：

   • 在 1-step 模式 中，Sync 报文直接携带主时钟的时间戳。同步操作只需要一次消息传递，即主时钟直接发送 Sync 报文给从时钟，且时间戳信息在同一报文内传送。
   • 优点：同步过程简化，降低了延迟和网络带宽需求。
   • 缺点：由于时间戳是在 Sync 报文中传递，可能会存在更高的时钟漂移或误差，需要更高精度的时钟硬件支持。

2. 2-Step 模式：

   • 在 2-step 模式 中，Sync 报文不包含时间戳，主时钟首先发送 Sync 报文，然后通过单独的 Follow_Up 报文来传递准确的时间戳。这样能够更精确地控制时间戳的传输。
   • 优点：由于时间戳是在 Follow_Up 报文中传递，它能够提供更高的精度和准确性，尤其适合精密时钟同步。
   • 缺点：同步过程需要两次消息传递，因此网络延迟和带宽使用量可能会增加。

 

 

OC（Ordinary Clock）、BC（Boundary Clock） 和 TC透明时钟（Transparent Clock） 三种时钟模式的对比说明：

时钟模式对比表

时钟模式	功能描述	优点	缺点	应用场景
OC（普通时钟，Ordinary Clock）	设备通过接收来自主时钟的同步信号（Sync 报文），调整自己的本地时钟。它在网络中充当从时钟角色。	- 配置简单，易于实现。<br> - 无需额外的硬件，只需要一个普通的时钟源即可。	- 需要依赖主时钟进行同步。<br> - 可能受到传输延迟的影响，导致同步误差。	- 在简单的网络结构中使用，通常作为从时钟。
BC（边界时钟，Boundary Clock）	边界时钟不仅可以同步主时钟，还可以作为网络中的中介设备，为其他设备提供时间信号。它通过接收主时钟的同步信号并发送同步信号给其他设备。	- 能够消除网络中的时钟同步误差，提供多路径同步。<br> - 支持多个子网络的时间同步。	- 需要更多的硬件和配置。<br> - 增加网络中的复杂性和成本。	- 在复杂网络或具有多个子网的环境中使用。
透明时钟（Transparent Clock）	透明时钟不会提供时间同步，它通过修正同步报文在网络中的延迟，帮助提高网络同步精度。	- 提高时间同步精度，减少延迟误差。<br> - 不需要参与时钟同步过程，简化了时钟同步架构。	- 不能独立进行时钟同步，仅用于延迟补偿。<br> - 需要精确测量网络延迟，增加复杂性。	- 在高性能网络（如数据中心）或需要低延迟同步的环境中使用。

详细说明

1. OC（普通时钟，Ordinary Clock）：

   • 功能：普通时钟（OC）通常是一个设备，它从网络中的主时钟接收同步信号并调整自己的时钟。这种模式下的设备充当从时钟角色，依赖于主时钟来同步自己的时间。
   • 优点：配置简单，适用于小型网络和简单的同步需求。因为它不涉及复杂的硬件或额外的计算，所以成本较低。
   • 缺点：由于是从时钟设备，它必须依赖主时钟进行同步，因此一旦主时钟出现故障，整个同步链条就会受到影响。还可能受到网络延迟的影响，导致时钟同步误差。

2. BC（边界时钟，Boundary Clock）：

   • 功能：边界时钟（BC）在网络中充当桥梁角色，能够接收来自上游主时钟的同步信号，并作为下游网络的时钟源，向其他设备提供时间同步服务。它可以在网络中消除时钟漂移和延迟。
   • 优点：边界时钟能够处理网络中的多个路径和多个子网，使得大型复杂网络中的时间同步更加可靠。它支持多层次的同步，有助于在大型网络中确保时间的准确性。
   • 缺点：与普通时钟相比，边界时钟的实现更为复杂，需要更多的硬件支持和配置。增加了网络的复杂性和成本。

3. 透明时钟（Transparent Clock）：

   • 功能：透明时钟不参与时钟同步本身，而是在传输时间同步报文时，修正网络中的延迟，以提高时钟同步的精度。透明时钟通常位于网络的转发路径中，负责测量并补偿报文传输过程中的延迟。
   • 优点：透明时钟通过减少延迟误差，能够显著提高同步精度。它不直接参与时钟同步，简化了时钟同步架构。适用于需要低延迟和高精度同步的网络环境。
   • 缺点：透明时钟只能对网络中的延迟进行补偿，不能作为同步源本身，因此不能独立提供时间同步。它的实现较为复杂，需要精确测量和校准延迟。