PTPv1 與 PTPv2 的比較

精確時間協議（Precision Time Protocol, PTP） 是由 IEEE 1588 標準定義的時間同步協議，分為 PTPv1（IEEE 1588-2002）和 PTPv2（IEEE 1588-2008）兩個版本。兩者均用於在封包網路（如乙太網路）達到高精度時鐘同步，但因設計目標和技術進展差異，存在顯著不同。以下是詳細比較，涵蓋功能、結構、實務應用等方面。

1. 基本概述與背景

• PTPv1 (IEEE 1588-2002)  

  • 發布時間: 2002 年。

  • 目標: 為工業自動化、測試與測量等領域提供微秒級同步。

  • 應用: 早期 Dante 音訊網路、工業控制系統。

• PTPv2 (IEEE 1588-2008)  

  • 發布時間: 2008 年。

  • 目標: 提升精度至亞微秒級，擴張至電信、廣播等高需求應用。

  • 應用: AES67、SMPTE 2110、5G 基站。

差異: PTPv1 是初版，功能較簡單，PTPv2 是升級版，針對更高精度和複雜網路進行優化。

2. 技術規格與功能差異

以下為兩者的核心差異，分類細述：

a. 相容性

• PTPv1: 與 PTPv2 不相容，資訊格式和協議細節不同。

• PTPv2: 不向後相容 PTPv1，需獨立實現或橋接轉換。

• 影響: 混合網路需邊界時鐘（如 Studio Technologies Model 5401A）支援雙版本。

b. 資訊類型

• PTPv1:

  • 核心資訊：Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp。

  • 無獨立公告資訊，主時鐘選舉資訊嵌入 Sync 和 Follow_Up。

• PTPv2:

  • 新增資訊：Announce（用於主時鐘選舉與屬性廣播）、Pdelay_Req、Pdelay_Resp（點對點延遲測量）。

  • 保留並優化 Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp。

• 差異: PTPv2 分離公告功能，提升選舉效率並支援新延遲機制。

c. 時鐘角色

• PTPv1:

  • 角色：Master（主時鐘）、Slave（從時鐘）。

  • 不支援中間設備角色。

• PTPv2:

  • 角色增加：Grandmaster（主時鐘）、Slave（從時鐘）、Transparent Clock（透明時鐘）、Boundary Clock（邊界時鐘）。

• 差異: PTPv2 引入透明時鐘（補償網路延遲）和邊界時鐘（分隔時鐘域），加強網路擴張性與精度。

d. 延遲測量機制

• PTPv1:

  • 僅支援端到端（End-to-End, E2E）延遲測量，主從設備間直接計算往返延遲。

• PTPv2:

  • 支援 E2E 和點對點（Peer-to-Peer, P2P）兩種機制。

  • P2P 使用 Pdelay 資訊測量相鄰設備間延遲，減少中間層影響。

• 差異: PTPv2 的 P2P 機制提升精度，尤其在多重跳接式網路（Multi-Hop Network） 中。

e. 同步頻率與間隔

• PTPv1:

  • Sync 資訊間隔固定，預設 2 秒，無法調整。

• PTPv2:

  • Sync 和 Announce 間隔可調整（對數尺度，如 1/4 秒至數秒）。

• 差異: PTPv2 提供更高靈活性，適應不同應用需求。

f. 網路層與傳輸

• PTPv1:

  • 僅支援第 3 層（Layer 3，UDP/IPv4），埠號 319（事件）、320（一般）。

  • 多播地址：224.0.0.107。

• PTPv2:

  • 支援第 2 層（Layer 2，乙太網）和第 3 層（UDP/IPv4 或 IPv6）。

  • 多播地址：224.0.1.129（預設），支援單播傳輸。

• 差異: PTPv2 支援多層協議，適應現代網路並提升效率。

g. 時間域支援

• PTPv1:

  • 僅單一時間域（Domain 0），無多時間域功能。

• PTPv2:

  • 支援多時間域（0-127），允許網路中多個獨立同步群組。

• 差異: PTPv2 加強大規模網路管理能力。

h. 精度

• PTPv1:

  • 精度通常為微秒級（1-10 μs），受限於簡單結構。

• PTPv2:

  • 精度可達亞微秒級（< 1 μs），甚至數十奈秒，受益於硬體支援和新機制。

• 差異: PTPv2 滿足更高精度需求，如視訊與電信。

i. 最佳主時鐘演算法（BMCA）

• PTPv1:

  • 簡單優先級與時鐘品質比較，無獨立 Announce 資訊。

• PTPv2:

  • 加強型 BMCA，使用 Priority #1、Clock Quality、Priority #2 和 Clock Identity 逐步篩選，Announce 定期廣播。

• 差異: PTPv2 的 BMCA 更高效且穩定。

3. 比較表

4. 應用場域與影響

• PTPv1:

  • 優勢: 結構簡單，部署成本低，適合早期音訊應用（如 Dante）。

  • 應用: Dante 音訊網路（PTPv1 多播 224.0.1.1）、工業控制。

  • 限制: 精度與擴張性不足，難以滿足視訊或電信需求。

• PTPv2:

  • 優勢: 高精度、多功能，支援複雜網路與多時間域。

  • 應用: AES67、SMPTE 2110、5G 基地台、Dante AV Ultra。

  • 限制: 需硬體支援，配置較複雜。

5. 實務考量

• 相容性: PTPv1 和 PTPv2 設備共存需要邊界時鐘轉換。

• 網路需求: PTPv2 要求交換器支援透明時鐘或 P2P，PTPv1 僅需基本多播支援。

• 升級建議: 對於高精度應用（如 SMPTE 2110），建議轉向 PTPv2，搭配硬體時間戳記。

總論

PTPv1 是早期簡單協議，適合音訊同步，精度微秒級；PTPv2 是進階版本，支援亞微秒級精度、多時間域與複雜網路，適用於現代視訊與電信。兩者不相容，PTPv2 在功能與效能上全面優於 PTPv1。