Linux 使用 PTP 进行时间同步

概述

PTP（精确时间协议）是一种用于在网络中进行时钟同步的协议。当与硬件支持结合使用时，PTP 能够达到亚微秒的精度，这种精度远高于 NTP 协议。

PTP 时间同步协议的支持分为内核空间和用户空间两部分。在 Linux 系统中，PTP 协议的实际实现称为 LinuxPTP，它是 PTPv2 根据 Linux 的 IEEE 1588 标准实现的。在 LinuxPTP 软件包包括 ptp4l 和 phc2sys 用于时钟同步的程序，其中 ptp4l 程序实现了 PTP 边界时钟和普通时钟，支持硬件时钟同步和软件时间同步，硬件时间戳用于将 PTP 硬件时钟与主时钟同步，软件时间戳用于将系统时钟与主时钟同步。phc2sys 程序则用于将系统时钟同步到网卡上的 PTP 硬件时钟（PHC）。

准备工作

安装 LinuxPTP

首先，需要在 Linux 系统中安装 LinuxPTP。

Debian/Ubuntu 系统使用 apt 命令安装：

sudo apt install linuxptp

对于 RHEL/CentOS 6/7 系统，使用 yum 命令安装：

sudo yum install linuxptp

对于 RHEL/CentOS 8 和 Fedora 系统，使用 dnf 命令安装：

sudo dnf install linuxptp

如果是其他嵌入式 Linux 系统，或者你想安装最新版本的 LinuxPTP，可以采用源码编译安装方式：

sudo git clone git://git.code.sf.net/p/linuxptp/code linuxptp
cd linuxptp
sudo make
sudo make install

安装完成后可通过 ptp4l -v 命令检查是否安装成功：

$ ptp4l -v
1.92

检查网卡驱动

为了使用 PTP ，网络接口的内核网络驱动程序必须支持软件或硬件时间戳功能。除了驱动程序中存在的硬件时间戳支持之外，NIC 还必须能够在物理硬件中支持此功能。验证特定驱动程序和 NIC 的时间戳功能的最佳方法是使用 ethtool 查询接口。

例如：检查 eth0 网卡对硬件时间戳的支持

sudo ethtool -T eth0

执行上述命令后的输出结果可能如下：

Time stamping parameters for eth0:
Capabilities:
	hardware-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE)
	software-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE)
	hardware-receive      (SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE)
	software-receive      (SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE)
	software-system-clock (SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE)
	hardware-raw-clock    (SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE)
PTP Hardware Clock: 0
Hardware Transmit Timestamp Modes:
	off                   (HWTSTAMP_TX_OFF)
	on                    (HWTSTAMP_TX_ON)
	one-step-sync         (HWTSTAMP_TX_ONESTEP_SYNC)
Hardware Receive Filter Modes:
	none                  (HWTSTAMP_FILTER_NONE)
	all                   (HWTSTAMP_FILTER_ALL)

对于软件时间戳支持，参数列表应包括：

SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE
SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE

对于硬件时间戳支持，参数列表应包括：

SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE
SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE
SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE

配置文件

ptp4l 配置文件

ptp4l 程序启动时会从 /etc/linuxptp/ptp4l.conf 文件读取配置选项，部分配置如下所示。

[global]
#
# Default interface options
#
network_transport	UDPv4
delay_mechanism		E2E
time_stamping		hardware
tsproc_mode		filter
delay_filter		moving_median
delay_filter_length	10
egressLatency		0
ingressLatency		0
boundary_clock_jbod	0

ptp4l 服务配置文件

ptp4l 可以作为服务运行，对应的配置文件是 /lib/systemd/system/ptp4l.service。

[Unit]
Description=Precision Time Protocol (PTP) service
Documentation=man:ptp4l

[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -f /etc/linuxptp/ptp4l.conf -i eth0

[Install]
WantedBy=multi-user.target

执行以下命令即可启动 ptp4l 服务：

sudo systemctl start ptp4l

如果要永久启用 ptp4l 服务，可执行以下命令：

sudo systemctl enable ptp4l

如果要禁用 ptp4l 服务，可执行以下命令：

sudo systemctl disable ptp4l

phc2sys 服务配置文件

phc2sys 也可以作为服务运行，对应的配置文件是 /lib/systemd/system/phc2sys.service。

[Unit]
Description=Synchronize system clock or PTP hardware clock (PHC)
Documentation=man:phc2sys
After=ntpdate.service
Requires=ptp4l.service
After=ptp4l.service

[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/sbin/phc2sys -w -s eth0

[Install]
WantedBy=multi-user.target

执行以下命令即可启动 phc2sys 服务：

sudo systemctl start phc2sys

如果要永久启用 phc2sys 服务，可执行以下命令：

sudo systemctl enable phc2sys

如果要禁用 phc2sys 服务，可执行以下命令：

sudo systemctl disable phc2sys

实验

我们可以通过修改 /etc/linuxptp/ptp4l.conf 来设置 ptp4l 的模式，再通过 systemctl start ptp4l 启动。但为了更加直观，下面的实验我们将直接通过 ptp4l 命令行启动。

提示：为了完成 PTP 时间同步实验，我们需要两台 Linux 设备，其中一台作为 PTP master，另一台作为 PTP slave。

PTP 硬件时钟同步

ptp4l 默认使用硬件时间戳，也可以显式指定 -H 选项使用硬件时间戳。-i 选项指定支持硬件时戳的网络接口；-m 指示 ptp4l 将其输出列显到标准输出，而不是列显到系统的日志记录工具。

PTP 主端口（Master），-H 选项显式指定使用硬件时间戳。

sudo ptp4l -m -H -i eth0

PTP 从端口（Slave），-s 选项设置为从端口。

sudo ptp4l -m -H -s -i eth0

此时终端打印的输出可能如下：

selected eth0 as PTP clock
port 1: INITIALIZING to LISTENING on INITIALIZE
port 0: INITIALIZING to LISTENING on INITIALIZE
port 1: new foreign master 00a152.fffe.0b334d-1
selected best master clock 00a152.fffe.0b334d
port 1: LISTENING to UNCALIBRATED on RS_SLAVE
master offset -25937 s0 freq +0 path delay       12340
master offset -27887 s0 freq +0 path delay       14232
master offset -38802 s0 freq +0 path delay       13847
master offset -36205 s1 freq +0 path delay       10623
master offset  -6975 s2 freq -30575 path delay   10286
port 1: UNCALIBRATED to SLAVE on MASTER_CLOCK_SELECTED
master offset  -4284 s2 freq -30135 path delay    9892

其中，port 0 是用于本地 PTP 管理的 Unix 域套接字。port 1 是 eth0 接口。INITIALIZING、LISTENING、UNCALIBRATED 和 SLAVE 是发生 INITIALIZE、RS_SLAVE 和 MASTER_CLOCK_SELECTED 事件时更改的端口状态示例。当端口状态从 UNCALIBRATED 更改为 SLAVE 时，表示计算机已与 PTP 主时钟成功同步。

master offset 行说明：

master offset 值表示测得的与主时钟之间的偏差（以纳秒为单位）。
s0、s1、s2 表示时钟伺服的不同状态。s0 表示已解锁（unlocked），s1 表示时钟步进（clock step），s2 表示已锁定（locked）。如果伺服处于已锁定状态（s2），并且 pi_offset_const 选项在配置文件中设置为负值，则时钟不会步进，而只会缓慢调整。
freq 值表示时钟的频率调整，以十亿分率（ppb）为单位。
path delay 值表示从主时钟发送的同步消息的预计延迟（以纳秒为单位）。

PTP 软件时间同步

PTP 主端口（Master），使用 -S 选项启用软件时间戳。

sudo ptp4l -m -S -i eth0

PTP 从端口（Slave），-s 选项设置为从端口。

sudo ptp4l -m -S -s -i eth0

使用软件时间戳进行时间同步的准确度比硬件时间戳要低，这是因为 IEEE 1588 的同步原理决定了时钟同步的精度主要取决于时间戳的精度。

Linux 使用 PTP 进行时间同步

概述​

准备工作​

安装 LinuxPTP​

检查网卡驱动​

配置文件​

ptp4l 配置文件​

ptp4l 服务配置文件​

phc2sys 服务配置文件​

实验​

PTP 硬件时钟同步​

PTP 软件时间同步​

概述