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在通信網絡中，許多業務的正常運行都要求網絡時鍾同步，即整個網絡各設備之間的時間或頻率差保持在合理的誤差水平內。網絡時鍾同步包括以下兩個概念：
l 時間同步：也叫相位同步（Phase synchronization），是指信號之間的頻率和相位都保持一致，即信號之間的相位差恒為零。
l 頻率同步（Frequency synchronization）：也叫時鍾同步，是指信號之間在頻率或相位上保持某種嚴格的特定關係，信號在其對應的有效瞬間以同一平均速率出現，以保證通信網絡中的所有設備都以相同的速率運行，即信號之間保持恒定的相位差。
如圖 1所示，有兩個表Watch A與Watch B，如果這兩個表的時間每時每刻都保持一致，這個狀態就是時間同步；如果這兩個表的時間不一致，但保持一個恒定的差值（如圖中的Watch B總比Watch A晚6個小時），這個狀態就是頻率同步。
PTP（Precision Time Protocol，精確時間協議）是一種時間同步的協議，其本身隻是用於設備之間的高精度時間同步，但也可被借用於設備之間的頻率同步。相比現有的各種時間同步機製，PTP具備以下優勢：
l 相比NTP（Network Time Protocol，網絡時間協議），PTP能夠滿足更高精度的時間同步要求：NTP一般隻能達到亞秒級的時間同步精度，而PTP則可達到亞微秒級。
l 相比GPS（Global Positioning System，全球定位係統），PTP具備更低的建設和維護成本，並且由於可以擺脫對GPS的依賴，在國家安全方麵也具備特殊的意義。
H3C的設備目前隻支持PTP的時間同步功能，而不支持頻率同步功能。本文隻介紹PTP時間同步的相關概念和原理。
我們將應用了PTP協議的網絡稱為PTP域。PTP域內有且隻有一個同步時鍾，域內的所有設備都與該時鍾保持同步。
我們將設備上運行了PTP協議的端口稱為PTP端口。如圖 2所示，PTP端口的角色可分為以下三種：
l 主端口（Master Port）：發布同步時間的端口，可存在於BC或OC上。
l 從端口（Slave Port）：接收同步時間的端口，可存在於BC或OC上。
l 被動端口（Passive Port）：既不接收同步時間、也不對外發布同步時間的端口，隻存在於BC上。
PTP域中的節點稱為時鍾節點，PTP協議定義了以下三種類型的基本時鍾節點：
(1) OC（Ordinary Clock，普通時鍾）：該時鍾節點在同一個PTP域內隻有一個PTP端口參與時間同步，並通過該端口從上遊時鍾節點同步時間。此外，當時鍾節點作為時鍾源時，可以隻通過一個PTP端口向下遊時鍾節點發布時間，我們也稱其為OC。
(2) BC（Boundary Clock，邊界時鍾）：該時鍾節點在同一個PTP域內擁有多個PTP端口參與時間同步。它通過其中一個端口從上遊時鍾節點同步時間，並通過其餘端口向下遊時鍾節點發布時間。此外，當時鍾節點作為時鍾源時，可以通過多個PTP端口向下遊時鍾節點發布時間的，我們也稱其為BC，如圖 2中的BC 1。
(3) TC（Transparent clock，透明時鍾）：與BC/OC相比，BC/OC需要與其它時鍾節點保持時間同步，而TC則不與其它時鍾節點保持時間同步。TC有多個PTP端口，但它隻在這些端口間轉發PTP協議報文並對其進行轉發延時校正，而不會通過任何一個端口同步時間。TC包括以下兩種類型：
l E2ETC（End-to-End Transparent Clock，端到端透明時鍾）：直接轉發網絡中非P2P（Peer-to-Peer，點到點）類型的協議報文，並參與計算整條鏈路的延時。
l P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，點到點透明時鍾）：隻直接轉發Sync報文、Follow_Up報文和Announce報文，而終結其它PTP協議報文，並參與計算整條鏈路上每一段鏈路的延時。
如圖 2所示，是上述三種基本時鍾節點在PTP域中的位置。
圖 2 基本時鍾節點示意圖
除了上述三種基本時鍾節點以外，還有一些混合時鍾節點，譬如融合了TC和OC各自特點的TC+OC：它在同一個PTP域內擁有多個PTP端口，其中一個端口為OC類型，其它端口則為TC類型。一方麵，它通過TC類型的端口轉發PTP協議報文並對其進行轉發延時校正；另一方麵，它通過OC類型的端口進行時間的同步。與TC的分類類似，TC+OC也包括兩種類型：E2ETC+OC和P2PTC+OC。
主從關係（Master-Slave）是相對而言的，對於相互同步的一對時鍾節點來說，存在如下主從關係：
l 發布同步時間的節點稱為主節點，而接收同步時間的節點則稱為從節點。
l 主節點上的時鍾稱為主時鍾，而從節點上的時鍾則稱為從時鍾。
l 發布同步時間的端口稱為主端口，而接收同步時間的端口則稱為從端口。
如圖 2所示，PTP域中所有的時鍾節點都按一定層次組織在一起，整個域的參考時間就是最優時鍾（Grandmaster Clock，GM），即最高層次的時鍾。通過各時鍾節點間PTP協議報文的交互，最優時鍾的時間最終將被同步到整個PTP域中，因此也稱其為時鍾源。
最優時鍾可以通過手工配置靜態指定，也可以通過BMC（Best Master Clock，最佳主時鍾）協議動態選舉，動態選舉的過程如下：
(1) 各時鍾節點之間通過交互的Announce報文中所攜帶的最優時鍾優先級、時間等級、時間精度等信息，最終選出一個節點作為PTP域的最優時鍾，與此同時，各節點之間的主從關係以及各節點上的主從端口也確定了下來。通過這個過程，整個PTP域中建立起了一棵無環路、全連通，並以最優時鍾為根的生成樹。
(2) 此後，主節點會定期發送Announce報文給從節點，如果在一段時間內，從節點沒有收到主節點發來的Announce報文，便認為該主節點失效，於是重新進行最優時鍾的選擇。
PTP同步的基本原理如下：主、從時鍾之間交互同步報文並記錄報文的收發時間，通過計算報文往返的時間差來計算主、從時鍾之間的往返總延時，如果網絡是對稱的（即兩個方向的傳輸延時相同），則往返總延時的一半就是單向延時，這個單向延時便是主、從時鍾之間的時鍾偏差，從時鍾按照該偏差來調整本地時間，就可以實現其與主時鍾的同步。
PTP協議定義了兩種傳播延時測量機製：請求應答（Requset_Response）機製和端延時（Peer Delay）機製，且這兩種機製都以網絡對稱為前提。
請求應答方式用於端到端的延時測量。如圖 3所示，其實現過程如下：
(1) 主時鍾向從時鍾發送Sync報文，並記錄發送時間t1；從時鍾收到該報文後，記錄接收時間t2。
(2) 主時鍾發送Sync報文之後，緊接著發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。
(3) 從時鍾向主時鍾發送Delay_Req報文，用於發起反向傳輸延時的計算，並記錄發送時間t3；主時鍾收到該報文後，記錄接收時間t4。
(4) 主時鍾收到Delay_Req報文之後，回複一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。
此時，從時鍾便擁有了t1～t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鍾間的往返總延時為[(t2 – t1) + (t4 – t3)]，由於網絡是對稱的，所以主、從時鍾間的單向延時為[(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2。因此，從時鍾相對於主時鍾的時鍾偏差為：Offset = (t2 – t1) - [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2 = [(t2 – t1) - (t4 – t3) ] / 2。
此外，根據是否需要發送Follow_Up報文，請求應答機製又分為單步模式和雙步模式兩種：
l 在單步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發送Follow_Up報文。
l 在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶。
圖 3以雙步模式為例來說明請求應答機製的實現過程。
與請求應答機製相比，端延時機製不僅對轉發延時進行扣除，還對上遊鏈路的延時進行扣除。如圖 4所示，其實現過程如下：
(1) 主時鍾向從時鍾發送Sync報文，並記錄發送時間t1；從時鍾收到該報文後，記錄接收時間t2。
(2) 主時鍾發送Sync報文之後，緊接著發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。
(3) 從時鍾向主時鍾發送Pdelay_Req報文，用於發起反向傳輸延時的計算，並記錄發送時間t3；主時鍾收到該報文後，記錄接收時間t4。
(4) 主時鍾收到Pdelay_Req報文之後，回複一個攜帶有t4的Pdelay_Resp報文，並記錄發送時間t5；從時鍾收到該報文後，記錄接收時間t6。
(5) 主時鍾回複Pdelay_Resp報文之後，緊接著發送一個攜帶有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up報文。
此時，從時鍾便擁有了t1～t6這六個時間戳，由此可計算出主、從時鍾間的往返總延時為[(t4 – t3) + (t6 – t5)]，由於網絡是對稱的，所以主、從時鍾間的單向延時為[(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。因此，從時鍾相對於主時鍾的時鍾偏差為：Offset = (t2 – t1) - [(t4 – t3) + (t6 – t5)] / 2。
此外，根據是否需要發送Follow_Up報文，端延時機製也分為單步模式和雙步模式兩種：
l 在單步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發送Follow_Up報文；而t5和t4的差值由Pdelay_Resp報文攜帶，不發送Pdelay_Resp_Follow_Up報文。
l 在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶，而t4和t5則分別由Pdelay_Resp報文和Pdelay_Resp_Follow_Up報文攜帶。
圖 4以雙步模式為例來說明端延時機製的實現過程。
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