时间同步（NTP/PTP）技术原理介绍

1 单向授时

上级时钟主动发播时间信息，下级用户端被动接受时间信息，并调整本地时钟使时差控制在一定范围内。

要想提高授时精度，用户端必须计算出时间信息在传播链路中的延时，GPS/北斗等卫星授时，可以通过用户端定位与卫星之间距离确定电磁传输延时，消除大部分误差，而电缆、网络等如果是单向授时方式就无法准确计算单向链路时延了。

2 双向授时

用户端将接受的时间信息原路返回给上级时钟服务端，服务端将往返时间除以二即得到单向链路时延，再把单向时延告诉客户端，在此基础上，客户端得到服务端更准确的时间信息。比如：北斗单向卫星授时精度100ns，双向卫星授时精度可做到20ns。

3 网络时间同步

网络时间同步，特指在计算机网络内的服务器与客户端之间利用网络报文交换实现的时间同步。

鉴于计算机网络传输路径的不确定性和中间路由交换设备转发报文时间的不确定性，通过单播或多播实现的单向网络授时是不可靠的。因此，前辈们发明的网络时间同步技术NTP/PTP等，基本原理都是通过对网络报文打时间戳（标记），往返交换报文计算传输时延和同步误差。

4、频率同步

频率同步指的是主从时钟的频率误差保持在一定范围内，频率同步有2种类型:

第1种是直接传递模拟频率信号，比如用电缆或光缆传递10MHz、5Mhz、2.048MHz等标准频率，或者传递bit位宽脉冲；

第2种是通过测量得到的主从时钟时差，通过锁定主从相差实现频率锁定（PLL），或者间接计算频率偏差，完成频率修正。

5.计算机网络时间同步

计算机网络时间同步只是时间同步的一种应用场景，其时间传递的链路可能是SDH网、以太网、WIFI无线网络等。

NTP（Network Time Protocol）从1985年诞生来，目前仍在在大部分的计算机网络中起着同步系统时间的作用。

基本原理

服务器和客户端之间通过二次报文交换，确定主从时间误差，客户端校准本地计算机时间，完成时间同步，有条件的话进一步校准本地时钟频率。

时间同步过程

服务器在UDP的132端口提供授时服务，客户端发送附带T1时间戳（Timestamp）的查询报文给服务器，服务器在该报文上添加到达时刻T2和响应报文发送时刻T3，客户端记录响应报到达时刻T4。

改个维基的图：

时差计算

维基这个图中用蓝色标注了主从直接来回链路的时延Sigma：

Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

因此，假设来回网络链路是对称的，即传输时延相等，那么可以计算客户端与服务器之间的时间误差Delta为：

Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1) (t3-t4))/2

客户端调整自身的时间Delta，即可完成一次时间同步。

计时方式

NTP采用UTC时间计时，NTP时间戳包括自1900-01-01 00:00:00开始的UTC总秒数，当前秒的亚秒数。

当正闰秒时，60秒和下一分钟的0秒的NTP总秒数一致的，因此NTP报文专门定义了闰秒指示域来提示。

误差分析

局域网内计算机利用NTP协议进行时间同步，时间同步精度在5ms左右，主要误差包括：

1）计算机打时间戳的位置在应用层，受协议栈缓存、任务调度等影响，不能在网络报文到来时马上打戳；

2）各种中间网络传输设备带来的传输时延不确定性以及链路的不对称性，将进一步降低NTP时间同步精度。

为克服NTP的各种缺点，PTP(Precision Time Protocol，精确时间同步协议)应运而生，最新协议是IEEE1588v2，可实现亚微秒量级的时间同步精度。

基本原理

主从节点在网络链路层打时间戳，利用支持IEEE1588协议的PHY片，精准记录时间同步网络报文接受或发送的时刻。交换机、路由器等网络中间节点准确记录时间同步报文在其中停留的时间，实现对链路时延的准确计算。

时间同步过程

PTP默认使用组播协议，二层或四层UDP组播都可以，一般我们使用基于UDP组播，使用319和320两个端口。

PTP定义了三种角色：OC、BC和TC。我们一般接触的是OC：主时钟和从时钟，交换机、路由器一般是BC或TC。

由于硬件性能有限，网络报文发送时记录的时刻信息，可以在随后的Follow_Up跟随报文中发出，这就是PTP的双步模式(Two-step)。

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