网络时间同步原理及应用：NTP vs PTP

人类有效活动需要明确精确的时间，设备间的数据通信同样需要明确精确的时间，这就遇到一个问题，如何让全网设备都遵循同一个时间？

一、频率同步、相位同步、时钟同步

首先，在网络中，时间同步包括了频率同步、相位同步、时钟同步三种。

（1）频率同步指不同的信号在相同的时间间隔内有相同的脉冲个数，和脉冲出现的顺序和每个脉冲开始和结束的时间无关系。频率同步可以通过SyncE或PTPv2实现。

（2）相位同步指两个信号具有相同的频率，并且每个脉冲的开始和结束时间也相同，但是和脉冲出现的顺序没有关系。可见，如果频率不同步，相位就无法同步。网络中可用PTPv2传输相位信息。

（3）时间同步是指两个信号具有相同的频率、相同的相位，并且脉冲出现的顺序也相同。即信号之间相位差或者时间差恒定为零，或者在约定的允许范围之内。

NTP和PTP用于在网络中传输时间信息。NTP提供毫秒精度，而PTP可提供高达亚微秒的精度。

二、常见时间同步协议

1、NTP（Network Time Protocol）

网络时钟协议NTP基于UDP，端口号123，目前已广泛应用。NTP使用树形结构来实现时间同步，分为时钟源和时钟客户端两个角色，时钟源提供时间标准，时钟客户端通过和时钟源通信来同步本地时钟。在NTP中，存在不同级别的时钟源，称为本地时钟和外部时钟。本地时钟通过同步其他本地时钟来实现时间同步，而外部时钟通过北斗、GPS等信号来同步时间。

2、PTP（Precision Time Protocol）

NTP能在局域网内提供毫秒级时钟同步，但如果需要更高精度时就无能为力。2002年IEEE通过IEEE1588标准，定义PTP协议，2008年通过v2版本，这也是目前用的最多的版本。1588v1报文采用组播通信方式，1588v2使得主从时钟间协商后可采用单播通信方式，可提供亚微秒级的同步方式。PTP借鉴了NTP，但要求网络节点必须有一个包含实时时钟的网络接口卡来满足时间戳的要求。

三、NTP、PTP比较

对于NTP来说，NTP是基于UDP的协议，端口号123，NTP的通信过程中，数据需要经过封装和分组后才可以进行发送，这一操作过程无法避免地引入了调用、封包的时间误差，且这一误差是不确定的，与操作系统的实时负载相关的。为了提高NTP精度，一般使用内核级包过滤器实现对多个数据包的一次性调用和发送，最大限度提高数据包发送效率。

对于PTP来说，PTP支持硬件打时间戳，极大消除了网络协议栈时延抖动引起的同步误差，这也是PTP精度比NTP高的原因之一。

四、GPS改北斗下，如何实现时间同步

对于运营商而言，规模庞大的无线基站需要实现时间同步，只有在同步状态下，才能进行频率调度和高吞吐量的数据传送。传统解决网络时间同步的方法，是在每个基站上利用GPS模块获取GPS的统一授时和工作频率，从而保证全网的时间同步和时钟同步。但在逆全球化中，避免因GPS引起网络瘫痪而需要引入北斗系统作为另外的时间源，这就要考虑如何实现时间同步。

目前，5G基站时间源的选择主要包括通过直挂GNSS获取时间和通过跟踪地面1588v2链路同步定时信息两种方案。主流厂家的5G基站设备均支持北斗和GPS双模接收，但支持模式有所不同。一种为北斗和GPS联合工作模式，即北斗和GPS不区分主备，卫星接收机对于北斗和GPS信号同时处理，自动选择跟踪最优信号。另一种为北斗/GPS主备模式，卫星接收机在同一时刻只能选择一种类型的卫星跟踪。所以在GPS改北斗的趋势下，5G基站基本不会存在问题。

审核编辑 黄宇