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 y, por lo tanto, una exactitud potencialmente alta. En una red de área local (LAN), la precisión puede ser inferior a un microsegundo, lo que lo hace adecuado para sistemas de medición y control. ^[1] El PTP se utiliza para sincronizar transacciones financieras , transmisiones de torres de telefonía móvil , conjuntos acústicos submarinos y redes que requieren una sincronización precisa pero carecen de acceso a señales de navegación por satélite . ^{[ cita requerida ]}

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 versiones anteriores de la versión de 2002. IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores de 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 que incluyen telecomunicaciones , distribución de energía eléctrica y usos audiovisuales .IEEE 802.1AS es una adaptación de PTP, llamada gPTP, para su uso conpuentes de audio y video(AVB) yredes sensibles al tiempo(TSN).

Según John Eidson, quien dirigió el esfuerzo de estandarización IEEE 1588-2002, "IEEE 1588 está diseñado para llenar un nicho que no está bien cubierto por ninguno de los dos protocolos dominantes, NTP y GPS . IEEE 1588 está diseñado para sistemas locales que requieren precisiones más allá de las que se pueden lograr usando NTP. También está diseñado para aplicaciones que no pueden soportar el costo de un receptor GPS en cada nodo, o para las cuales las señales GPS son inaccesibles". ^[2]

PTP se definió originalmente en el estándar IEEE 1588-2002, oficialmente titulado Estándar para un protocolo de sincronización de reloj de precisión para sistemas de control y medición en red , y publicado en 2002. En 2008, IEEE 1588-2008 se lanzó como un estándar revisado; también conocido como PTP versión 2 (PTPv2), mejora la precisión, la exactitud y la robustez, pero no es compatible con la versión original de 2002. ^[3] IEEE 1588-2019 se publicó en noviembre de 2019, ^[4] se conoce informalmente como PTPv2.1 e incluye mejoras compatibles con versiones anteriores de la publicación de 2008. ^[5]

Los estándares IEEE 1588 describen una arquitectura jerárquica maestro-esclavo para la distribución de relojes 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 es la fuente o el destino de una referencia de sincronización. Una fuente se denomina líder , también conocido como maestro, y un destino se denomina seguidor , también conocido como esclavo. Un reloj límite tiene múltiples conexiones de red y sincroniza un segmento de red con otro. Se selecciona un único líder de sincronización, también conocido como elegido, para cada segmento de red. La referencia de sincronización raíz se denomina gran maestro . ^[6]

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

La norma IEEE 1588-2008 introduce un reloj asociado con el equipo de red utilizado para transmitir mensajes PTP. El reloj transparente modifica los mensajes PTP a medida que pasan por el dispositivo. ^[7] Las marcas de tiempo de los mensajes se corrigen en función del tiempo empleado en atravesar el equipo de red. Este esquema mejora la precisión de la distribución al compensar la variabilidad de la entrega a través de la red.

El PTP normalmente utiliza la misma época que el tiempo Unix (inicio el 1 de enero de 1970). ^[a] Mientras que el tiempo Unix se basa en el Tiempo Universal Coordinado (UTC) y está sujeto a segundos intercalares , el PTP se basa en el Tiempo Atómico Internacional (TAI). El maestro del PTP comunica la diferencia actual entre UTC y TAI, de modo que el UTC se pueda calcular a partir del tiempo PTP recibido.

La sincronización y gestión de un sistema PTP se consigue 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 relojes ordinarios y de límite y comunican información relacionada con el tiempo que se utiliza para sincronizar relojes a través de la red.
• Los relojes transparentes utilizan Pdelay_Req , Pdelay_Resp y Pdelay_Resp_Follow_Up para medir los retrasos en el medio de comunicación de modo que el sistema pueda compensarlos. Los relojes transparentes y los mensajes asociados a ellos no están disponibles en el estándar IEEE 1588-2002 PTPv1 original, y se agregaron 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 administración son utilizados por la administración de red para monitorear, configurar y mantener un sistema PTP.
• Los mensajes de señalización se utilizan para comunicaciones entre relojes que no son críticas en cuanto al tiempo. Los mensajes de señalización se introdujeron en la norma IEEE 1588-2008.

Los mensajes se clasifican como 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 en estos mensajes son importantes para PTP, pero sus marcas de tiempo de transmisión y recepción no lo son. Los mensajes Announce , Follow_Up , Delay_Resp , Pdelay_Resp_Follow_Up , Management y Signaling son miembros de la clase de mensajes generales . ^{[8] : Cláusula 6.4}

Los mensajes PTP pueden utilizar el Protocolo de datagramas de usuario sobre protocolo de Internet (UDP/IP) para el transporte. IEEE 1588-2002 utiliza solo transportes IPv4 , ^{[9] : Anexo D} pero esto se ha ampliado para incluir IPv6 en IEEE 1588-2008. ^{[8] : Anexo F} En IEEE 1588-2002, todos los mensajes PTP se envían utilizando mensajería de multidifusión , mientras que IEEE 1588-2008 introdujo una opción para que los dispositivos negocien la transmisión de unidifusión puerto por puerto. ^{[8] : Cláusula 16.1} Las transmisiones de multidifusión utilizan direccionamiento de multidifusión IP , para el cual se definen direcciones de grupo de multidifusión para IPv4 e IPv6 (consulte la tabla). ^{[8] : Los mensajes} de eventos críticos en el tiempo ^{del Anexo D y E} (Sync, Delay_req, Pdelay_Req y Pdelay_Resp) se envían al puerto número 319. Los mensajes generales (Announce, Follow_Up, Delay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up, administración y señalización) utilizan el puerto número 320. ^{[8] : Cláusula 6.4}

En IEEE 1588-2008, la encapsulación también se define para DeviceNet , ^{[8] : Anexo G} ControlNet ^{[8] : Anexo H} y PROFINET . ^{[8] : Anexo I}

Un dominio ^[i] es un conjunto de relojes que interactúan y se sincronizan entre sí mediante PTP. Los relojes se asignan a un dominio en virtud del contenido de los campos Nombre de subdominio (IEEE 1588-2002) o Número de dominio (IEEE 1588-2008) en los mensajes PTP que reciben o generan. Los dominios permiten que varios sistemas de distribución de relojes compartan el mismo medio de comunicación.

El mejor algoritmo de reloj maestro (BMCA) realiza una selección distribuida del mejor reloj para que actúe como líder en función de las siguientes propiedades del reloj:

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

IEEE 1588-2008 utiliza un algoritmo de selección jerárquico basado en las siguientes propiedades, en el orden indicado: ^{[8] : Figura 27}

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

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 invocar un cambio de líder. Una vez que el líder actual reconoce el mejor reloj, el líder actual deja de transmitir mensajes de sincronización y propiedades de reloj asociadas ( mensajes de anuncio en el caso de IEEE 1588-2008) y el mejor reloj asume el papel de líder. ^[10] La BMCA solo considera la calidad autodeclarada de los relojes y no toma en consideración la calidad del enlace de red. ^[11]

A través de BMCA, PTP selecciona una fuente de tiempo para un dominio IEEE 1588 y para cada segmento de red en el dominio.

Los relojes determinan el desfase entre ellos y su líder. ^[12] Sea la variable la que representa el tiempo físico. Para un dispositivo seguidor dado, el desfase en el tiempo se define mediante:${\estilo de visualización t}$${\displaystyle o(t)}$${\estilo de visualización t}$

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

donde representa el tiempo medido por el reloj seguidor en tiempo físico , y representa el tiempo medido por el reloj líder en tiempo físico .${\estilo de visualización s(t)}$${\estilo de visualización t}$${\estilo de visualización m(t)}$${\estilo de visualización t}$

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

Cada transmisión comienza a la hora indicada con un mensaje de sincronización enviado por el líder a todos los relojes del dominio. El reloj que recibe este mensaje toma nota de la hora local en la que se recibe el mensaje.$Estilo de visualización T_{1}$${\estilo de visualización T_{1}'}$

El líder puede enviar posteriormente un mensaje Follow_Up de multidifusión con una marca de tiempo precisa. 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 usan el mensaje Follow_Up para transmitir . Los líderes 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.$Estilo de visualización T_{1}$$Estilo de visualización T_{1}$

Para sincronizarse con precisión con su líder, los relojes deben determinar individualmente el tiempo de tránsito de la red de los mensajes de sincronización . 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 . El intercambio comienza con un reloj que envía un mensaje Delay_Req a las time al líder. El líder recibe y marca con la fecha y hora el mensaje Delay_Req a las time y responde con un mensaje Delay_Resp . El líder incluye la marca de fecha y hora en el mensaje Delay_Resp .${\estilo de visualización d}$$Estilo de visualización T_{2}$$Estilo de visualización T2$$Estilo de visualización T2$

A través de estos intercambios un reloj aprende , , y .$Estilo de visualización T_{1}$${\estilo de visualización T_{1}'}$$Estilo de visualización T_{2}$$Estilo de visualización T2$

Si es el tiempo de tránsito del mensaje de sincronización y es el desfase constante entre los relojes del líder y del seguidor, entonces${\estilo de visualización d}$${\displaystyle {\tilde {o}}}$

${\displaystyle \ T_{1}'-T_{1}={\tilde {o}}+d{\text{ y }}\ T_{2}'-T_{2}=-{\tilde {o}}+d}$

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 durante esta transacción y puede corregirse por esa cantidad para que coincida con su líder.${\displaystyle {\tilde {o}}}$

Una de las hipótesis es que este intercambio de mensajes se produce en un período de tiempo tan pequeño que este desfase puede considerarse constante a lo largo de ese período. Otra hipótesis 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. Por último, se supone que tanto el líder como el seguidor pueden medir con precisión el tiempo en que envían o reciben un mensaje. El grado en que se cumplan estas hipótesis determina la precisión del reloj en el dispositivo seguidor. ^{[8] : 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
• Cúmulo de Grandes Maestros
• Maestros de unidifusión
• Maestro suplente
• Rastreo de ruta

IEEE 1588-2019 agrega características adicionales opcionales y compatibles con versiones anteriores: ^[5]

• Relojes modulares transparentes
• Puertos PTP especiales para interactuar con transportes con distribución de tiempo incorporada
• Mensajes Unicast Delay_Req y Delay_Resp
• Configuración manual del puerto que anula BMCA
• Calibración de asimetría
• Capacidad de utilizar una referencia de frecuencia de capa física (por ejemplo, Ethernet síncrona )
• Aislamiento de perfiles
• Interacciones entre dominios
• TLV de seguridad para verificación de integridad
• Métricas de informes de rendimiento estándar
• 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 carteles, tutoriales y debates que cubren varios aspectos de PTP. ^[13]
• El Instituto de Sistemas Integrados (InES) de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich/ZHAW se ocupa de la implementación y aplicación práctica del 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 es parte del grupo de estándares IEEE Audio Video Bridging (AVB). ^[k] Especifica un perfil para el uso de IEEE 1588-2008 para la sincronización de tiempo a través de una red de área local virtual con puente, 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 ser partes del mismo dominio de tiempo PTP. ^[14]
• SMPTE 2059-2 es un perfil PTP para su uso en la sincronización de sistemas de medios de difusión. ^[15]
• El estándar de interoperabilidad de redes de audio AES67 incluye un perfil PTPv2 compatible con SMPTE ST2059-2. ^[16]
• Dante utiliza PTPv1 para la sincronización. ^[17]
• Q-LAN ^[18] y RAVENNA ^[17] utilizan PTPv2 para la sincronización horaria.
• El Proyecto Conejo Blanco combina Ethernet síncrono y PTP.
• Perfil industrial del protocolo de tiempo de precisión 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
• Protocolo de Redundancia Paralela: uso de perfiles PTP (L2P2P y L3E2E) para automatización industrial en redes paralelas
• Se está estudiando la aplicación del PTP como protocolo de sincronización de tiempo seguro en el monitoreo de área amplia de sistemas de energía ^[19].

• Lista de implementaciones de PTP  : sistemas que admiten el protocolo de tiempo de precisión
• Comunicación en tiempo real  : Protocolos y hardware de comunicación que brindan garantías en tiempo real

• Sitio NIST IEEE 1588
• Documentación PTP en InES
• PTP y Sincronización de redes móviles LTE
• PTP explicado desde el punto de vista de instalación/mantenimiento
• Libro blanco de Hirschmann PTP
• Descripción general de PTP en la Guía de configuración del software del conmutador Cisco CGS 2520
• Perspectivas y prioridades de la investigación sobre redes inteligentes RuggedCom Tecnologías IEC 61850
• Proyectos con Solución de Subestación Inteligente
• McGhee, Jim; Goraj, Maciej (2010), "Subestación de alto voltaje inteligente basada en bus de proceso IEC 61850 y sincronización de tiempo IEEE 1588", Primera Conferencia Internacional IEEE de 2010 sobre Comunicaciones de Redes Inteligentes , págs. 489–494, doi :10.1109/SMARTGRID.2010.5622092, ISBN 978-1-4244-6510-1, Número de identificación del sujeto  30638718
• Ingram, DME; Campbell, DA; Schaub, P.; Ledwich, GF (2011). "Sistema de prueba y evaluación para esquemas de protección de valores muestreados multiprotocolo". 2011 IEEE Trondheim PowerTech . Trondheim, Noruega: IEEE. págs. 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 e IEEE , Pacworld, septiembre de 2016
• IEC 62439-3 Anexos AE Conexión redundante de relojes y gestión de red
• Protocolo de sincronización PTPv2 en redes AV
• FSMLabs: La norma IEEE PTP 1588 de fuente única no puede cumplir con los estándares regulatorios financieros