linuxptp时间同步

让不同机器上的时间，保持一致，就是时间同步。多台机器下的任务需要在一个时间基准下工作，就需要时间同步。本文讨论的时间同步协议是PTP。

时间同步在自动驾驶领域是至关重要的核心技术，其重要性不亚于传感器硬件和算法本身。它如同整个系统的“神经系统时钟”，确保各个部分协调一致地工作。

多传感器数据融合的基础

自动驾驶汽车依赖激光雷达、摄像头、毫米波雷达、惯性导航单元等多种传感器。这些传感器以不同的频率（如10Hz、50Hz、100Hz）采集数据。

• 问题：如果没有精确到毫秒甚至微秒级的时间同步，一个“看到”障碍物的摄像头帧和一个“检测到”物体的激光雷达点云就无法准确对应到同一时刻的同一物体。

• 后果：会导致融合算法产生“鬼影”或位置错乱，严重降低感知精度。高精度时间同步（如基于PTP或GPS PPS）为所有数据打上统一的时间戳，是生成准确、一致的“世界模型”的前提。

决策与控制的时效性和一致性

从感知到规划再到控制执行，是一个严密的因果链条。

• 问题：规划模块基于“过去某个时刻”的感知结果做决策，而车辆状态（速度、位置）却在实时变化。如果各模块间的处理时间戳不一致，规划出的轨迹可能基于过时或超前的信息。

• 后果：导致控制指令（转向、刹车）不准确、不平稳，甚至产生危险。同步的时间戳确保了整个信号链的时序逻辑正确。

1PTP

1.1示意

时间同步通过主时钟和从时钟之间的报文交互来完成。

主时钟：

时钟源，发布时间，其它从时钟都要和主时钟的时间进行同步

从时钟：

与主时钟的时间保持同步

t1:

Sync报文离开主时钟时的时间戳

t2:

从时钟接收到Sync报文时的时间戳

t3:

从时钟发送Delay_Req报文时的时间戳

t4:

主时钟接收到Delay_Req报文时的时间戳

从时钟要基于t1、t2、t3、t4进行计算，计算的核心目标是计算出此时主时钟的真实时间。t1和t4都是主时钟的真实时间，但是当从时钟收到Delay_Resp报文时，t4已经发生了一段时间，主要是经过了Delay_Resp在网络上传输的时间。

t2 = t1 + delay + offset

t4 = t3 + delay - offset

通过上边两个公式计算得出：

delay = ((t2 - t1) + (t4 - t3))/2

offset = ((t2 - t1) - (t4 - t3))/2

delay和offset分别表示什么意思，为什么要计算这两个值呢？

delay表示报文在链路上的传输延时，PTP协议假设主时钟->从时钟，以及从时钟->主时钟的链路是对称的，也就是说双向的链路延时是相同的。

offset表示从时钟相对于主时钟的偏移。在某一时刻，比如在t1时刻，主时钟的时间是t1，那么此时从时钟的时间不一定是t1，如果每一时刻，两者的时间都是相同，那么便不需要时间同步，从时钟的时间和主时钟的时间肯定在每时每刻都有一个差值，这个差值就是offset。时间同步就是将offset收敛到目标精度之内，比如1μs以内。

1.2ptp在协议栈第几层之上：以太网、udp

ptp协议可以工作在以太网之上，也可以工作在udp，一个链路层，一个传输层。

使用ptp4l命令可以-2指定使用以太网，-4使用udp。

1.2.1udp:320和319

1、Announce、Follow-Up、Delay_Resp报文，使用端口320;Sync、Delay_Req使用端口319

2、使用目标ip地址，224.0.1.129

1.2.2以太网

以太网的ptp协议号是0x88f7。

1.3时钟类型

Master：主时钟，时钟源

Slave：从时钟，同步主时钟的时间

Boundary：边界时钟，边界时钟包含一个Slave和Master，Slave从上游的Master同步时间；Master向下游的Slave同步时间，那么下游的Slave就只认识Boundary中的Master，不认识上游的Master了。跟一种路由协议很相似，有工作在边界上的，有工作在边界内部的，IGP和BGP。

Transparent:同透明时钟，只做转发。

为了简单，本文只讨论Master和Slave之间存在透明时钟的情况。

1.4延时测量机制：E2E和P2P

在PTP中，测量延时是非常重要的工作，延时测量的精确与否，是影响时间同步是否精确的重要因素。延时测量机制有两种：E2E和P2P。

E2E假设双向链路对称，如果实际不对称，则计算结果不精确;P2P消除了双向链路对称的假设依赖。

E2E适用场景：
网络拓扑简单、稳定的线性或星型网络。
不需要极高精度（亚微秒级）的应用，例如企业网、某些音视频流媒体系统。
网络设备较旧或仅支持普通二层/三层交换，无法部署P2P透明时钟。
主从时钟之间跳数较少。

P2P适用场景：

对同步精度要求较高的应用。

大规模，多跳的复杂网络。

E2E和P2P都会计算在节点上的驻留时间以及节点之间的传输时间。E2E通过Pdeley_req和Pdelay_resp计算整体延时，整体延时就包含了驻留时间和链路时间。P2P会将链路时间和驻留时间放在correctionField中，不需要专门的报文来测量延时。

1.4.1E2E

端到端，slave发送Delay_Req报文到Master，Master发送Delay_Resp报文到slave。

Delay_Req离开slave的时刻是t3，Delay_Req到达Master的时刻是t4。

1.4.2P2P

peer to peer，不是测量slave和master之间的delay，所有peer之间的延时。

每个节点都会测量和上游peer的链路延时，然后加到correctioField中。

1.4.3correctionField

在E2E场景下：

Transparent1和Transparent2会将报文在本节点中的驻留时间加到correctionField中。对于Sync报文、Follow_up报文，和Delay_Resp报文，均会做这样的操作。

当接收到Follow_up报文时，也就得到了t1和t2两个值，t1会用correction进行纠正，后边计算delay或者offset均使用纠正后的t1，即t1c。

这里有个疑问，为什么t1要使用sync和follow up报文中的correction进行修正，两个correction，不会重复吗？在如下代码中，透明时钟转发sync和follow up报文的时候，都加上了correction。

在函数tc_complete_syfup中可以看到，correction只是加到了follow up中的correction field中，并没有加到sync的correction field中。

static void tc_complete(struct port *q, struct port *p,

struct ptp_message *msg, tmv_t residence)

{

switch (msg_type(msg)) {

case SYNC:

case FOLLOW_UP:

tc_complete_syfup(q, p, msg, residence);

break;

case DELAY_REQ:

tc_complete_request(q, p, msg, residence);

break;

case DELAY_RESP:

tc_complete_response(q, p, msg, residence);

break;

}

}

收到Delay_Resp报文时，t4会用Delay_Resp的correction field进行修正。

在P2P模式下：

correctionField已经包含了所有链路的延时和每个透明时钟的驻留时间，但是缺少slave和它的peer的链路延时，这个延时由slave和它的peer通过Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Pdelay_Resp_Fup来完成。

在如下的计算offset的代码中，兼容E2E和P2P两种模式。

int tsproc_update_offset(struct tsproc *tsp, tmv_t *offset, double *weight)

{

...

/* offset = t2 - t1 - delay */

*offset = tmv_sub(tmv_sub(tsp->t2, tsp->t1), delay);

}

在E2E模式下，t2是Slave接收到Sync报文的时间，t1是修正后的Master发送Sync的时间，两者相见，再减去delay，就是offset。在E2E模式下，delay是path delay。

在P2P模式下，t2是与E2E模式下意思相同；t1也是修正后的时间，但是修正t1的时间是包含了所有的驻留时间和链路延时，缺少Slave也它额peer的链路延时。这里的delay是Slave和它的peer的链路延时。

correction计算：源correction+驻留时间+链路delay

static void tc_complete_syfup(struct port *q, struct port *p, struct ptp_message *msg, tmv_t residence) { ... c1 = net2host64(fup->header.correction); c2 = c1 + tmv_to_TimeInterval(residence); c2 += tmv_to_TimeInterval(q->peer_delay); c2 += q->asymmetry; fup->header.correction = host2net64(c2); ... }

1.4.4目的mac

如果工作在以太网协议上。

1.5一步模式和两步模式

一步模式下，t1包含在Sync报文中，没脱Follow_up报文；两步模式，t1在Follow_up中。

1.2ptp4l测试结果

如下是slave侧的打印信息：

master offset:slave相对于master的偏移，相位同步

freq:slave相对于master的频率偏移，频率同步

ptp4l[541.135]: port 1 (ens33): INITIALIZING to LISTENING on INIT_COMPLETE
ptp4l[541.135]: port 0 (/var/run/ptp/ptp4l): INITIALIZING to LISTENING on INIT_COMPLETE
ptp4l[541.136]: port 0 (/var/run/ptp/ptp4lro): INITIALIZING to LISTENING on INIT_COMPLETE
ptp4l[547.144]: selected local clock 000c29.fffe.092928 as best master
ptp4l[562.962]: port 1 (ens33): new foreign master 000c29.fffe.a13faa-1
ptp4l[566.963]: selected best master clock 000c29.fffe.a13faa
ptp4l[566.963]: foreign master not using PTP timescale
ptp4l[566.963]: port 1 (ens33): LISTENING to UNCALIBRATED on RS_SLAVE
ptp4l[567.963]: master offset 18513043 s0 freq +81 path delay 236121
ptp4l[568.964]: master offset 18510264 s0 freq +81 path delay 227600
ptp4l[569.965]: master offset 18731866 s0 freq +81 path delay 221137
ptp4l[570.965]: master offset 19175564 s0 freq +81 path delay 197590
ptp4l[571.967]: master offset 18936113 s0 freq +81 path delay 197590
ptp4l[572.967]: master offset 18910735 s0 freq +81 path delay 199041
ptp4l[573.967]: master offset 19049961 s0 freq +81 path delay 199041
ptp4l[574.967]: master offset 19078099 s0 freq +81 path delay 208858
ptp4l[575.968]: master offset 19214035 s0 freq +81 path delay 192378
ptp4l[576.968]: master offset 19471511 s0 freq +81 path delay 181110
ptp4l[577.968]: master offset 19382949 s0 freq +81 path delay 192378
ptp4l[578.970]: master offset 19503267 s0 freq +81 path delay 192378
ptp4l[579.970]: master offset 19451555 s0 freq +81 path delay 192378
ptp4l[580.971]: master offset 19594674 s0 freq +81 path delay 192378
ptp4l[581.971]: master offset 19627512 s0 freq +81 path delay 178572
ptp4l[582.972]: master offset 19730776 s0 freq +81 path delay 171225
ptp4l[583.974]: master offset 19781335 s1 freq +79299 path delay 167683
ptp4l[584.976]: clockcheck: clock frequency changed unexpectedly!
ptp4l[584.976]: master offset 1668894 s2 freq +247858 path delay 167683
ptp4l[584.976]: port 1 (ens33): UNCALIBRATED to SLAVE on MASTER_CLOCK_SELECTED
ptp4l[585.979]: master offset 3541232 s2 freq +438633 path delay 171225
ptp4l[586.980]: master offset 4889923 s2 freq +578392 path delay 189939
ptp4l[587.984]: master offset 5915394 s2 freq +686854 path delay 189939
ptp4l[588.984]: master offset 6695837 s2 freq +771594 path delay 189939
ptp4l[589.986]: master offset 7138014 s2 freq +822950 path delay 194640
ptp4l[590.986]: master offset 7464812 s2 freq +863095 path delay 194640
ptp4l[591.987]: master offset 7529117 s2 freq +877054 path delay 194640
ptp4l[592.987]: master offset 7564216 s2 freq +888129 path delay 194640
ptp4l[593.988]: master offset 7680397 s2 freq +907427 path delay 212139
ptp4l[594.988]: master offset 7409660 s2 freq +887763 path delay 212929
ptp4l[595.988]: master offset 6931089 s2 freq +846837 path delay 195431
ptp4l[596.988]: master offset 6864990 s2 freq +847092 path delay 195431
ptp4l[597.988]: master offset 6283599 s2 freq +795237 path delay 179609
ptp4l[598.988]: master offset 5964667 s2 freq +769308 path delay 179609
ptp4l[599.988]: master offset 5558496 s2 freq +734249 path delay 175563
ptp4l[600.989]: master offset 5146096 s2 freq +698155 path delay 191385

s0、s1、s2:

代表从时钟的伺服状态，其实还有s4，但是测试环境达不到同步精度，所以没有打印出来。

/**

* Defines the caller visible states of a clock servo.

*/

enum servo_state {

/**

* The servo is not yet ready to track the master clock.

*/

SERVO_UNLOCKED,

/**

* The servo is ready to track and requests a clock jump to

* immediately correct the estimated offset.

*/

SERVO_JUMP,

/**

* The servo is tracking the master clock.

*/

SERVO_LOCKED,

/**

* The Servo has stabilized. The last 'servo_num_offset_values' values

* of the estimated threshold are less than servo_offset_threshold.

*/

SERVO_LOCKED_STABLE,

};

1. SERVO_UNLOCKED（未锁定）

• 初始状态或失步状态

• 伺服器尚未准备好跟踪主时钟

• 通常发生在：

  • 刚启动时

  • 失去主时钟连接时

  • 同步质量太差无法跟踪时

2. SERVO_JUMP（跳变状态）

• 过渡状态，准备开始跟踪

• 检测到时间偏移过大，需要立即校正

• 伺服器请求时钟跳变（clock jump）来快速纠正时间差

• 跳变后进入锁定状态

3. SERVO_LOCKED（已锁定）

• 正常跟踪状态

• 伺服器正在调整本地时钟频率来跟踪主时钟

• 使用PI（比例-积分）控制算法进行微调

• 时间同步已建立但可能还不够稳定

4. SERVO_LOCKED_STABLE（稳定锁定）

• 最佳工作状态

• 满足两个条件：

  1. 最近servo_num_offset_values个偏移测量值

  2. 都小于servo_offset_threshold阈值

• 表明时钟同步已经稳定可靠

2gPTP

gPTP是在ptp协议上做了更具体的要求，删除一些灵活的配置，是TSN网络工作的基础。在TSN网络中，gPTP协议，硬具有最高的优先级。

（1）只使用以太网进行传输，不使用udp进行传输，减少协议栈引入的抖动

（2）delay测量方式，只使用P2P，P2P协议有自己专用的目的MAC地址

.TP
.B ptp_dst_mac
The MAC address to which PTP messages should be sent.
Relevant only with L2 transport. The default is 01:1B:19:00:00:00.

.TP
.B p2p_dst_mac
The MAC address to which peer delay messages should be sent.
Relevant only with L2 transport. The default is 01:80:C2:00:00:0E.

（3）只能工作在局域网内