Nota Tecnica di Perle Systems

PTP (Precision Time Protocol)

funzionalità di orologio confine IEEE 1588 V1 e V2 PTP negli switch industriali gestiti

Per la sincronizzazione degli orologi distribuiti via LAN (Local Area Network ), è possibile utilizzare metodi diffusi come NTP (Network Time Protocol) e SNTP (Simple Network Time Protocol), dotati di una precisione al millisecondo. Tuttavia, per le reti industriali, la sincronizzazione dell'orologio richiede una precisione di gran lunga superiore.

Lo standard IEEE 1588 per il Precision Time Protocol (PTP) è stato adottato per la prima volta nel 2002 per le applicazioni di automazione e misurazione, offrendo un metodo per la sincronizzazione dell'orologio con una precisione al microsecondo. PTP è stato adottato anche nell'ambito dello standard IEC 61588 nel 2004. La versione 2 dello standard IEEE 1588 è stata ratificata nel 2008 per gestire le applicazioni di telecomunicazioni e bridging audio-video.

PTP è indispensabile per sincronizzare in maniera precisa i processi, come ad esempio nel caso dei sistemi di automazione e controllo, misura e test automatico, produzione energetica, trasmissione, distribuzione e telecomunicazioni.

In che modo funziona PTP?

Una semplice soluzione per la sincronizzazione degli orologi su una rete Ethernet richiede l'invio agli slave di un messaggio con il valore del tempo dell'orologio master. Al ricevimento del messaggio, gli slave reimpostano i propri orologi in modo da farli corrispondere al master. Tuttavia, a causa del tempo necessario per l'invio del messaggio, dovuto ai ritardi di propagazione del percorso Ethernet e da messa in coda del processore, latenza e creazione dei messaggi IP, il tempo in cui il messaggio viene ricevuto dallo slave non indica in maniera precisa il tempo indicato dall'orologio master. PTP risolve questo inconveniente attraverso l'utilizzo di messaggi di protocollo inviati fra diversi nodi PTP per determinare gli scarti degli orologi e i ritardi di rete.

PTP utilizza due tipi di orologi, master e slave. L'orologio di un dispositivo di terminazione viene indicato come slave. L'orologio master, idealmente controllato da un orologio radio o un ricevitore GPS, sincronizza i rispettivi slave collegati. In una rete sono presenti componenti di trasmissione, come ad esempio gli switch Ethernet, dotati di un orologio confine. L'orologio confine agisce come slave dell'orologio principale, per poi eseguire una commutazione in modo da operare come orologio master per i rispettivi dispositivi slave di terminazione. Ciascuno slave viene sincronizzato in base a ora, frequenza e fase dell'orologio master e, per estensione, con tutti gli altri nodi slave.

Il processo di sincronizzazione viene diviso in due fasi distinte. Occorre ottenere una correzione dell'host dell'orologio e quindi una misurazione del ritardo.

Il diagramma seguente illustra le operazioni necessarie per sincronizzare l'orologio slave con il master. In questo esempio, l'orologio slave inizia con un offset (differenza) da quello principale di 20 secondi, ovvero il master si trova a 100 secondi e lo slave a 80. Nota: tutti i valori temporali utilizzati in questo esempio non rappresentano un rendimento effettivo di rete, ma vengono utilizzati solo per motivi esplicativi.

A 100 secondi, l'orologio master costruisce un messaggio di sincronizzazione da inviare agli slave. Tuttavia, a causa della latenza e coda interna, il messaggio viene inviato e contrassegnato con una marca temporale interna a 101 secondi dell'orario del master locale. A causa dei ritardi della rete, gli slave ricevono il messaggio di sincronismo due secondi dopo, a 83 secondi.

Quindi, il master invia un messaggio di follow-up a 103 secondi. Il messaggio di follow-up contiene il valore a cui viene assegnata una marca temporale di 101 secondi nel messaggio. Il messaggio di follow-up viene ricevuto due secondi dopo, con un tempo dello slave locale di 85 secondi. Quindi, lo slave acquisisce il tempo di 101 secondi del messaggio e sottrae il valore precedentemente contrassegnato di 83 secondi, ottenendo un offset calcolato di 18 secondi. Quindi, l'offset viene aggiunto al tempo corrente ottenendo un nuovo orario di 103 secondi. Tuttavia, il master e lo slave non sono ancora completamente sincronizzati. La nuova regolazione non ha preso in considerazione il ritardo di rete.

La seconda fase stabilisce il ritardo di rete. Lo slave invia un messaggio di richiesta di ritardo al master a 108 secondi. Il master riceve e memorizza il messaggio all'orario dell'orologio master locale di 112 secondi. Il messaggio di risposta di ritardo viene inviato di nuovo allo slave con l'orario (112 secondi) in cui il messaggio di richiesta di ritardo è stato ricevuto. Lo slave riceve la risposta di ritardo al tempo dello slave locale di 115 secondi. Lo slave può determinare il ritardo di rete sottraendo il tempo a cui è stata inviata la richiesta di ritardo (108 secondi) dall'ora in cui il master ha ricevuto la richiesta di ritardo (112 secondi), ottenendo un valore di 4 secondi. Tuttavia, a causa della necessità di inviare due messaggi, il risultato viene diviso per 2 ottenendo un ritardo di due secondi. Quindi, lo slave regola il proprio orologio di 2 secondi (117 secondi) e sarà perfettamente sincronizzato con il master.

Gli orologi in tempo reale interni dei dispositivi tendono normalmente a slittare con il tempo. Per compensare questo fenomeno, l'orologio master eseguirà periodicamente la sequenza di sondaggio verso gli slave per garantire la precisione di questi dispositivi con l'orologio master.

Utilizzando switch fra un orologio master e slave, le eventuali variazioni al momento dell'esecuzione negli switch possono causare imprecisioni nell'invio dei messaggi fra master e slave. Poiché gli switch salvano completamente i pacchetti di dati ricevuti e gli effetti della coda possono rallentare la trasmissione in alcune circostanze, possono verificarsi notevoli fluttuazioni. Con un basso carico di rete, questa operazione può avere un effetto limitato, ma durante i periodi di carico superiore può influenzare in maniera considerevole la precisione della sincronizzazione.

È possibile risolvere questo problema utilizzando switch Ethernet dotati di funzionalità di orologio confine IEEE 1588 PTP. Questi dispositivi contengono una propria istanza PTP in cui operano come slave PTP e si sincronizzano rispetto all'orologio master connesso. Per gli slave PTP a valle, ciascuna porta dello switch agisce come master PTP per sincronizzare gli slave con il proprio orario interno. In questo modo è possibile compensare tutte le fluttuazioni al momento dell'esecuzione e i tempi di attesa degli switch, ottenendo il massimo della precisione anche in reti Ethernet molto estese.

Le funzionalità di orologio confine IEEE 1588 V1 e V2 PTP sono disponibili negli Switch Industriali Gestiti Perle dotati del set di funzionalità software PRO.