Protocolo de tiempo de precisión

El Protocolo de Tiempo de Precisión ( PTP ) es un protocolo para la sincronización de relojes en una red informática con una precisión relativamente alta en comparación con el Protocolo de Tiempo de Red (NTP), desarrollado anteriormente, y por lo tanto, con una precisión potencialmente mayor según la configuración. En una red de área local (LAN), la precisión puede ser inferior al microsegundo , lo que lo hace adecuado para aplicaciones de sistemas de medición y control. ^{[ 1 ]} El PTP se puede utilizar para sincronizar transacciones financieras ^{[ 2 ]} , transmisiones de torres de telefonía móvil ^{[ 3 ]} , matrices acústicas submarinas ^{[ 4 ]} y redes que requieren una sincronización precisa como alternativa al uso de la marca de tiempo de las señales de navegación por satélite o donde la precisión de subnanosegundos proporcionada por el Proyecto White Rabbit no es necesaria. ^{[ 5 ]}

La primera versión de PTP, IEEE 1588-2002 , se publicó en 2002. IEEE 1588-2008 , también conocida como PTP Versión 2, no es compatible con la versión de 2002. IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores respecto a la publicación de 2008. IEEE 1588-2008 incluye un concepto de perfil que define los parámetros y opciones de funcionamiento de PTP. Se han definido varios perfiles para aplicaciones como telecomunicaciones , distribución de energía eléctrica y usos audiovisuales .IEEE 802.1AS es una adaptación de PTP, denominada gPTP, para su uso conAudio Video Bridging(AVB) yTime-Sensitive Networking(TSN).

Según John Eidson, quien lideró el esfuerzo de estandarización IEEE 1588-2002, "IEEE 1588 está diseñado para cubrir un nicho que no está bien atendido por ninguno de los dos protocolos dominantes, NTP y GPS . IEEE 1588 está diseñado para sistemas locales que requieren una precisión superior a la que se puede lograr con 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". ^{[ 6 ]}

PTP se definió originalmente en el estándar IEEE 1588-2002, titulado oficialmente Estándar para un protocolo de sincronización de reloj de precisión para sistemas de medición y control en red , y publicado en 2002. En 2008, se publicó IEEE 1588-2008 como un estándar revisado; también conocido como PTP versión 2 (PTPv2), mejora la exactitud, la precisión y la robustez, pero no es compatible con versiones anteriores de la versión original de 2002. ^{[ 7 ]} IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019, ^{[ 8 ]} se conoce informalmente como PTPv2.1 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores de la publicación de 2008. ^{[ 9 ]}

Los estándares IEEE 1588 describen una arquitectura jerárquica maestro-esclavo para la distribución de reloj , que consta de uno o más segmentos de red y uno o más relojes. Un reloj ordinario es un dispositivo con una única conexión de red que actúa como fuente o destino de una referencia de sincronización. La fuente se denomina maestro (o transmisor de tiempo ^{[ 10 ]} ), y el destino, esclavo (o receptor de tiempo ^{[ 10 ]} ). Un reloj de límite tiene múltiples conexiones de red y sincroniza un segmento de red con otro. Se selecciona un único líder de sincronización para cada segmento de red. La referencia de temporización raíz se denomina gran maestro . ^{[ 11 ]}

Una arquitectura PTP relativamente simple consiste en relojes ordinarios en una red de un solo segmento sin relojes de límite. Se elige un reloj maestro y todos los demás relojes se sincronizan con él.

La norma IEEE 1588-2008 introduce un reloj asociado al equipo de red utilizado para transmitir mensajes PTP. Este reloj transparente modifica los mensajes PTP a medida que pasan por el dispositivo. ^{[ 12 ]} Las marcas de tiempo de los mensajes se corrigen en función del tiempo que tardan en atravesar el equipo de red. Este esquema mejora la precisión de la distribución al compensar la variabilidad de la entrega en la red.

PTP normalmente utiliza la misma época que la hora Unix (inicio el 1 de enero de 1970). ^{[ a ]} Mientras que la hora Unix se basa en el Tiempo Universal Coordinado (UTC) y está sujeta a segundos intercalares , PTP se basa en el Tiempo Atómico Internacional (TAI). El gran maestro de PTP comunica la diferencia horaria actual entre UTC y TAI, de modo que se puede calcular UTC a partir de la hora PTP recibida.

La sincronización y gestión de un sistema PTP se logra mediante el 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 y que el sistema pueda compensarlos. Los relojes transparentes y los mensajes asociados a ellos no estaban disponibles en el estándar original IEEE 1588-2002 PTPv1 y se añadieron en PTPv2.
• Los mensajes de anuncio son utilizados por el mejor algoritmo de reloj maestro en IEEE 1588-2008 para construir una jerarquía de relojes y seleccionar el gran maestro . ^{[ b ]}
• Los mensajes de gestión son utilizados por la administración de la red para supervisar, configurar y mantener un sistema PTP.
• Los mensajes de señalización se utilizan para comunicaciones no críticas en cuanto al tiempo entre relojes. Los mensajes de señalización se introdujeron en la norma IEEE 1588-2008.

Los mensajes se clasifican en mensajes de evento y mensajes generales . Los mensajes de evento son críticos en cuanto al tiempo, ya que la precisión en la transmisión y la precisión de la marca de tiempo de recepción afectan directamente la precisión de la distribución del reloj. Sync , Delay_Req , Pdelay_Req y Pdelay_resp son mensajes de evento . Los mensajes generales son unidades de datos de protocolo más convencionales, ya que los datos que contienen son importantes para PTP, pero sus marcas de tiempo de transmisión y recepción no lo son. Announce , Follow_Up , Delay_Resp , Pdelay_Resp_Follow_Up , Management y Signaling pertenecen a la clase de mensajes generales . ^{[ 13 ] : Cláusula 6.4}

El algoritmo del mejor reloj maestro (BMCA) realiza una selección distribuida del mejor reloj para actuar como líder basándose en las siguientes propiedades del reloj:

• Identificador : un identificador numérico universalmente único para el reloj. Normalmente se construye a partir de la dirección MAC del dispositivo . 
• Calidad : ambas versiones de IEEE 1588 intentan cuantificar la calidad del reloj basándose en la desviación de tiempo esperada, la tecnología utilizada para implementar el reloj o la ubicación en un esquema de estrato de reloj , aunque solo V1 (IEEE 1588-2002) conoce un campo de datos stratum . PTP V2 (IEEE 1588-2008) define la calidad general de un reloj utilizando los campos de datos clockAccuracy y clockClass . 
• Prioridad : una indicación de precedencia asignada administrativamente que utiliza la BMCA para ayudar a seleccionar un gran maestro para el dominio PTP. La norma IEEE 1588-2002 utilizaba una única variable booleana para indicar la precedencia. La norma IEEE 1588-2008 incluye dos campos de prioridad de 8 bits. 
• Varianza : Estimación que hace un reloj de su estabilidad basándose en la observación de su rendimiento en comparación con la referencia PTP. 

IEEE 1588-2008 utiliza un algoritmo de selección jerárquica basado en las siguientes propiedades, en el orden indicado: ^{[ 13 ] : Figura 27}

1. Prioridad 1 : el usuario puede asignar una prioridad específica, diseñada estáticamente, a cada reloj, definiendo de antemano una prioridad entre ellos. Los valores numéricos más pequeños indican una mayor prioridad. 
2. Clase : cada reloj pertenece a una clase determinada, y cada clase tiene su propia prioridad. 
3. Exactitud : precisión entre el reloj y la hora UTC, en nanosegundos (ns). 
4. Varianza – variabilidad del reloj 
5. Prioridad 2 : prioridad final definida, que establece el orden de respaldo en caso de que los demás criterios no sean suficientes. Los valores numéricos más pequeños indican una mayor prioridad. 
6. Identificador único : la selección basada en la dirección MAC se utiliza como criterio de desempate cuando todas las demás propiedades son iguales. 

La norma 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 líder actual transmite esta información a intervalos regulares. Un reloj que se considera un mejor líder transmitirá esta información para solicitar un cambio de líder. Una vez que el líder actual reconoce al mejor reloj, deja de transmitir mensajes de sincronización y las propiedades del reloj asociadas (mensajes de anuncio en el caso de IEEE 1588-2008) y el mejor reloj asume el liderazgo. ^{[ 15 ]} El BMCA solo considera la calidad autodeclarada de los relojes y no tiene en cuenta la calidad del enlace de red. ^{[ 16 ]}

Mediante BMCA, PTP selecciona una fuente de tiempo para un dominio IEEE 1588 y para cada segmento de red dentro de dicho dominio.

Los relojes determinan el desfase entre ellos y su líder. ^{[ 17 ]} Sea la variable${\displaystyle t}$representa el tiempo físico. Para un dispositivo seguidor dado, el desplazamiento${\displaystyle o(t)}$en ese momento${\displaystyle t}$se define por:

${\displaystyle \ o(t)=s(t)-m(t)}$

dónde${\displaystyle s(t)}$representa el tiempo medido por el reloj seguidor en el tiempo físico.${\displaystyle t}$, y${\displaystyle m(t)}$representa el tiempo medido por el reloj líder en el tiempo físico.${\displaystyle t}$.

El líder transmite periódicamente la hora actual como mensaje a los demás relojes. Según la norma IEEE 1588-2002, las transmisiones pueden ser de hasta una vez por segundo. Según la norma IEEE 1588-2008, se permiten hasta 10 por segundo.

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

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

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

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

Si${\displaystyle d}$es el tiempo de tránsito para el mensaje Sync , y${\displaystyle {\tilde {o}}}$es el desfase constante entre los relojes del líder y del 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 desfase.${\displaystyle {\tilde {o}}}$durante esta transacción y puede corregirse por esta cantidad para ponerla en acuerdo con su líder.

Una suposición es que este intercambio de mensajes ocurre en un período de tiempo tan pequeño que este desfase puede considerarse constante durante dicho período. Otra suposición es que el tiempo de tránsito de un mensaje que va del líder al seguidor es igual al tiempo de tránsito de un mensaje que va del seguidor al líder. Finalmente, se supone que tanto el líder como el seguidor pueden medir con precisión el tiempo en que envían o reciben un mensaje. El grado de veracidad de estas suposiciones determina la precisión del reloj en el dispositivo seguidor. ^{[ 13 ] : Cláusula 6.2}

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

• Escala de tiempo alternativa
• Clúster del Gran Maestro
• Maestros Unicast
• Maestro alternativo
• Trazado de ruta

IEEE 1588-2019 agrega características adicionales opcionales y compatibles con versiones anteriores: ^{[ 9 ]}

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

• El Simposio Internacional IEEE sobre Sincronización de Relojes de Precisión para Medición, Control y Comunicación (ISPCS) es un evento anual organizado por el IEEE que incluye una prueba de conexión y un programa de conferencias con presentaciones de artículos y pósteres, tutoriales y debates que cubren varios aspectos de PTP. ^{[ 18 ]}
• 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 la comunicación y el control de pruebas y mediciones.
• IEEE 802.1AS-2011 forma parte del grupo de estándares IEEE Audio Video Bridging (AVB). ^{[ k ]} Especifica un perfil para el uso de IEEE 1588-2008 para la sincronización horaria sobre una red de área local virtual conmutada, tal 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 formar parte del mismo dominio de temporización PTP. ^{[ 19 ]}
• SMPTE 2059-2 es un perfil PTP para su uso en la sincronización de sistemas de medios de difusión. ^{[ 20 ]}
• El estándar de interoperabilidad de redes de audio AES67 incluye un perfil PTPv2 compatible con SMPTE ST2059-2. ^{[ 21 ]}
• Dante utiliza PTPv1 para la sincronización. ^{[ 22 ]}
• Q-LAN ^{[ 23 ]} y RAVENNA ^{[ 22 ]} utilizan PTPv2 para la sincronización horaria.
• El proyecto White Rabbit combina Ethernet síncrona y PTP.
• Perfiles PTP (L2P2P y L3E2E) para automatización industrial en IEC 62439-3
• Perfil PTP IEC/IEEE 61850-9-3 para automatización de subestaciones adoptado por IEC 61850
• Uso del protocolo de redundancia paralela ( PTP) mediante perfiles PTP (L2P2P y L3E2E) para la automatización industrial en redes paralelas.
• Se está estudiando la aplicación de PTP como protocolo seguro de sincronización horaria en el monitoreo de área amplia de sistemas de energía ^{[ 24 ].}

• Lista de implementaciones de PTP : sistemas que admiten el Protocolo de Tiempo de Precisión 
• Comunicación en tiempo real : protocolos y hardware de comunicación que ofrecen garantías en tiempo real. 

• Sitio NIST IEEE 1588
• Documentación PTP en InES
• PTP y sincronización de redes móviles LTE
• Explicación de PTP desde el punto de vista de la instalación/mantenimiento
• Documento técnico de Hirschmann PTP
• Descripción general de PTP en la Guía de configuración de software del switch Cisco CGS 2520
• Perspectivas y prioridades sobre la investigación de redes inteligentes RuggedCom según la norma IEC 61850.
• Proyectos con solución de subestación inteligente
• McGhee, Jim; Goraj, Maciej (2010), "Subestación inteligente de alta tensión basada en el bus de proceso IEC 61850 y la sincronización horaria IEEE 1588", 2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications , pp. 489–494 , doi : 10.1109/SMARTGRID.2010.5622092 , ISBN  978-1-4244-6510-1, S2CID 30638718 
• Ingram, DME; Campbell, DA; Schaub, P.; Ledwich, GF (2011). «Sistema de prueba y evaluación para esquemas de protección de valor muestreado multiprotocolo» . 2011 IEEE Trondheim PowerTech . Trondheim, Noruega: IEEE. pp. 1–7 . doi : 10.1109/PTC.2011.6019243 . ISBN  978-1-4244-8419-5. S2CID 42991214 . 
• El Proyecto Conejo Blanco PTP
• Protocolo de tiempo de precisión IEC&IEEE , Pacworld, septiembre de 2016
• IEC 62439-3 Anexo AE Conexión redundante de relojes y gestión de red
• Protocolo de temporización PTPv2 en redes AV
• FSMLabs: La norma IEEE PTP 1588 de fuente única no cumple con los estándares regulatorios financieros.
• Guía de pruebas PTP para una verificación fiable y precisa, por Fran Hens (ALBEDO 2019)