使用PTP解决网络中多设备的时间同步问题

一、概述

现代工业设备网络中，单一传感器难以支撑庞大而复杂的设备集群，往往是多传感融合，共同组成一个全面的感知体系。在多设备融合的过程中，时间是最基础且最重要的元素。如果不同传感器的时间不同，那么主机就难以将来自不同设备的数据加以处理。试想一下，传感器A、B同时感知到一个物体，A告诉你它是t1时刻感知到的，B告诉你它是t2时刻感知到的，那么问题来了，此时此刻，这个物体到底在不在这个位置？所以，时间同步是一个非常重要的前提条件。PTP(Precision Time Protocol) 是一个通过网络同步时钟的协议。本文将详细介绍PTP实现时间同步的原理以及实操。

二、PTP基本原理

PTP通过在主从时钟之间的传递消息来同步时间。主时钟将自己的时间戳广播到网络中，从时钟接收到广播的时间戳，根据网络传输的延时，就能得到一个精确的时间，将自身的时钟对其主时钟，这样就实现了主从时钟时间同步。如下图所示：

T1时刻，主时钟发送Sync报文，T2时刻从时钟收到Sync报文，需要注意的是，T2-T1并不一定是网络传输的延时delay，因为主从时钟的时间是不一样的，存在一定的偏移offset。 T3时刻，从时钟发送Delay Req报文，T4时刻主时钟收到报文。根据上述描述，可以得出来：

总延迟为（T4-T1）-（T3-T2），这可以消除主从时钟之间的偏移值，得出的是两次报文传输的总延时，所以：
单次延时delay = （（T4-T1）-（T3-T2））/2
主从时钟偏移offset = （T3+T2）/2 -（T4+T1）/2 计算出offset之后，从时钟就可以调整自身的时间，慢慢靠近主时钟，这样两者的时间就能同步起来，精度可以达到ns级。

三、应用

现在有两个设备，分别主机（主时钟）、相机（从时钟），通过PTP将相机的时间同步主机，保证主机接收到的图片的时间和本机时间是匹配的。

1、首先，需要在两台设备上安装PTP服务，Ubuntu可以通过apt安装

js 复制代码

sudo apt update
sudo apt install linuxptp

linuxptp包含ptp和phc2sys，其中ptp用来广播报文，phc2sys用来将系统时间写入到网卡硬件时钟（或者反向）。可以先通过命令查看一下ptp和phc的参数：

ptp服务中，有几个参数需要关注：

-H 表示硬件同步，通过硬件的方式来实现广播报文、同步时钟，精度更高，但是需要网卡设备硬件支持
-S 相对的，表示通过软件的方式来进行时间同步
-f 表示使用配置文件
-O 表示手动设置offset，适用于明确知道不同设备时间偏移量的情况
-m 表示通过标准输出的方式打印日志信息其他大部分参数使用默认即可，对于特殊情况也可以自己修改对应参数。

phc2sys服务中，以下参数需要关注：

-c 选择从时钟
-s 选择主时钟
-w 等待ptp服务
-O 表示手动设置offset，适用于明确知道不同设备时间偏移量的情况
-m 表示通过标准输出的方式打印日志信息其他大部分参数使用默认即可，对于特殊情况也可以自己修改对应参数。

2、配置ptp服务参数

在主时钟设备上，新建ptp参数文件，如/etc/linuxptp/ptp-master.conf,配置如下：

js 复制代码

[global]
priority1 128    # 优先级，0-255,值越小优先级越高，越有可能竞选主时钟
priority2 128    # 同上，当priority1相同时，比较priority2
slaveOnly 0     # 值为1表示强制设置为salve clock，不参与主时钟竞选
domainNumber 0    # PTP域编号，用于多域隔离，同一个域值须保持一致
timeSource 0x20    # 时间源
clockClass 6    # 时钟质量，值越小越好（0~255），决定是否成为主时钟
logAnnounceInterval 1
logSyncInterval -1    # 发送 Sync 包周期（单位：2^n 秒），`-1`表示 2^-1=0.5秒一次
logMinDelayReqInterval 0    # 发送 Delay_Req 包的周期，0表示 1秒一次
logging_level 6    # 日志等级，`6`是 INFO 级别，调试用
time_stamping hardware   # 使用硬件时间戳（需要网卡和驱动支持）
twoStepFlag 1    # 启用两步时钟（Two-Step Clock），通常设为1,提高同步精度
tx_timestamp_timeout 20   #发送时间戳超时重试次数，保持默认
network_transport L2    # 使用二层网络（L2）传输 PTP 消息（以太网帧），L2适用于统一局域网内

[eth0]
delay_mechanism E2E    # 延迟测量机制，E2E（端到端） 或P2P（点到点），局域网推荐E2E

创建ptp、phc2sys服务，如/etc/systemd/system/ptp-master.service和/etc/systemd/system/phc2sys.service，如下：

ptp-master.service

js 复制代码

[Unit]
Description=PTP Master Clock
After=network.target

[Service]
ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -i eth0 -m -f /etc/linuxptp/ptp-master.conf
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

phc2sys.service

复制代码

Description=Sync System Clock to PTP Hardware Clock
After=ptp-master.service

[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/sbin/phc2sys -s CLOCK_REALTIME -c eth0 -w -m
StandardOutput=append:/var/log/phc2sys.log
StandardError=append:/var/log/phc2sys.log
Restart=on-failure
RestartSec=5

[Install]
WantedBy=multi-user.target

创建好服务文件后，通过systemctl命令设置这些服务可以自启动：

js 复制代码

systemctl enable ptp-master.service
systemctl enable phc2sys.service

在从时钟设备上，流程同上，不同的地方是个别参数配置，如/etc/linuxptp/ptp-slave.conf，配置如下：

js 复制代码

[global] 
priority1 255 
priority2 255 
slaveOnly 1
domainNumber 0 
clockClass 248
logAnnounceInterval 1
logSyncInterval -1
logMinDelayReqInterval 0
logging_level 6
time_stamping hardware
twoStepFlag 1
tx_timestamp_timeout 20
network_transport L2

[eth0] 
delay_mechanism E2E

参数的含义可以对比master端，更容易理解。创建ptp、phsysc服务，如/etc/systemd/system/ptp-slave.service和/etc/systemd/system/phc2sys.service，如下：

ptp-slave.service

js 复制代码

[Unit]
Description=PTP slave Clock
After=network.target

[Service]
ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -i eth0 -m -f /etc/linuxptp/ptp-slave.conf
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

phc2sys.service

js 复制代码

[Unit]
Description=Sync System Clock to PTP Hardware Clock
Wants=network-online.target
After=network-online.target ptp-slave.service
Requires=ptp-slave.service

[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/sbin/phc2sys -s eth0 -c CLOCK_REALTIME -w -m
StandardOutput=append:/var/log/phc2sys.log
StandardError=append:/var/log/phc2sys.log
Restart=on-failure
RestartSec=5

[Install]
WantedBy=multi-user.target

同样，设置他们开机自启动。

3、验证

配置好上述服务之后，重启主从设备，可以通过systemctl命令查看服务的状态，如查看master服务：

js 复制代码

systemctl status ptp-master.service

如果显示服务状态是active，说明服务正常运行。可以分别在主从设备上通过date命令检查系统时间，观察时间是否一致。或者，在上面的service中，会将ptp和phs2sys服务的日志记录在/var/log目录下，可以查看日志文件，观察时间同步的效果。