gPTP (通用精確時間協定) 說明
- PC
- 10月1日
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gPTP（Generalized Precision Time Protocol，通用精確時間協定）是 IEEE 802.1AS 標準的時間同步協定，專為時間敏感網路（Time-Sensitive Networking, TSN）和影音橋接（Audio Video Bridging, AVB）所設計，用於在分散式系統中提供高精確度的時間同步。它是基於 IEEE 1588（精確時間協定, PTP）的一個特定設定檔 (Profile)，但獨立於原標準，並針對工業控制、影音傳輸和車用電子等應用需求進行了最佳化。gPTP 的精確度可達微秒級（通常小於 1 μs），適用於包含乙太網路、Wi-Fi 等異質網路環境。
歷史與標準
發展歷史：gPTP 源於 IEEE 802.1AS-2011，最初專注於影音應用，後續擴展至工業自動化和車用技術。2020 年修訂為 IEEE 802.1AS-2020，新增了多網域支援、備援同步機制以及更多媒體相關的規範（如全雙工鏈路、IEEE 802.11 Wi-Fi、IEEE 802.3 乙太網路）。新版本也整合了 IEEE 1588-2019 的進展，強化了相容性與穩定性。
標準範圍：涵蓋時間同步的傳輸機制、用以選出頂級主時鐘 (Grandmaster, GM) 的演算法，以及時間基準毀損事件的指示。它不直接定義如何與外部時間源（如 UTC 或 TAI）同步，但允許整合。gPTP 支援多個網域（Domain 0-127），其中 Domain 0 為預設值，以確保基本相容性。
重點修訂 (2020 年版)：引入了通用平均鏈路延遲服務 (CMLDS) 以支援跨網域的延遲測量、SyncLocked 模式以改善邊界時鐘（Boundary Clock, BC）的效能，並利用 Wi-Fi 精細時間測量 (FTM) 來提升無線環境下的同步精確度。
與 PTP (IEEE 1588) 的關係與差異
可以把 gPTP 想成是 PTP 的一個精簡版。雖然它源自 PTP，但自成一格，有自己獨立的標準。它最大的特點就是拿掉了 PTP 裡面那些複雜的可選功能，讓規則變得更單純。我們來看看它們的主要差別有哪些：
層面 | gPTP (IEEE 802.1AS) | PTP (IEEE 1588) |
範圍 | 僅限於 OSI 第二層 (Layer 2) 的區域網路 (如乙太網路/Wi-Fi)，不支援 IP 路由。 | 支援第二層與第三層 (Layer 2/3)，可透過 IP 網路 (IPv4/IPv6) 傳輸，適用範圍更廣。 |
時鐘類型 | 僅定義終端站 (End Stations) 和橋接器 (Relay Instances)；BC 不直接與 GM 同步，而是測量鄰近節點的速率比。 | 包含普通時鐘 (Ordinary Clocks)、邊界時鐘 (Boundary Clocks)、透明時鐘 (Transparent Clocks) 等多種類型。 |
延遲測量 | 強制使用點對點 (Peer-to-Peer) 的延遲測量機制 (稱為 Link Delay)，要求所有交換器都必須是時間感知的 TC 或 BC。 | 提供點對點 (P2P) 或端對端 (E2E) 兩種延遲測量機制，部署上更具彈性但較複雜。 |
網域隔離 | 使用 sdoId=1 來隔離流量，避免與其他 PTP 網域互相干擾。 | 通常預設 sdoId=0；需要額外設定才能與其他 PTP 流量隔離。 |
同步穩定性 | 透過 累積速率比 TLV 傳遞同步資訊，避免了浮點運算誤差的累積；GM 失效切換速度更快。 | 在大型網路中可能因級聯的鎖相迴路 (PLL) 而導致穩定性下降。 |
應用焦點 | 針對 AVB/TSN、工業自動化進行最佳化，減少差異性以提升裝置間的互通性。 | 應用範圍廣泛，例如電信、電力系統、金融交易等。 |
gPTP 簡化了 PTP 的複雜度，以提升在區域網路中的穩定性與互通性。
工作原理
gPTP 透過一個階層式的時間同步樹狀結構運作，確保所有時間感知系統（Time-Aware Systems）共享一個精確的時間基準。
頂級主時鐘選擇：
透過最佳主時鐘演算法 (Best Master Clock Algorithm, BMCA)，從所有具備 Grandmaster 能力的裝置中，選出整個網域的頂級主時鐘 (Grandmaster, GM)。
候選裝置會發送 ANNOUNCE 訊息，其他裝置根據優先級、時鐘品質和 MAC 位址等資訊來決定最佳的 GM。中繼裝置（Relay）僅轉發最佳的 ANNOUNCE 訊息，以減少網路流量並加速收斂。
若現有 GM 失效，其他裝置會重新啟動選舉過程，通常能在數秒內選出新的 GM 並穩定下來。
時間傳輸：
GM 會發送 SYNC 訊息，並可選地跟隨一個 Follow_Up 訊息，其中包含精確的封包離埠時間戳（T_egress）。
中間的橋接器會計算封包的停留時間 (Residence Time)、鏈路延遲 (Link Delay) 和鄰近節點速率比 (Neighbor Rate Ratio)，並將這些資訊累積在 Cumulative Rate Ratio TLV 中向下游傳遞。
延遲測量：
採用 Peer Delay 機制（透過 Pdelay_Req / Pdelay_Resp 訊息），基於對稱鏈路的假設來計算平均鏈路延遲 (meanLinkDelay)。
預設測量間隔為每秒一次，可依需求調整。
狀態機：
協定由多個定義明確的狀態機組成，如 SiteSyncSync、PortSyncSyncReceive、ClockSlaveSync 和 ClockMasterSyncSend 等，並支援單步（One-Step）與雙步（Two-Step）同步模式。
中斷處理：
當 GM 變更或時間基準發生相位/頻率跳變時，會使用 timebaseIndicator 等旗標來通知網路中的所有裝置，確保它們能正確處理時間的不連續性。
時鐘類型
PTP End Instance：指終端裝置，作為時間的來源或接收端。
PTP Relay Instance：指橋接器或交換器等中繼裝置，負責轉發時間資訊。其埠（Port）的角色分為：
MasterPort：作為主時鐘埠，發送時間同步訊息。
SlavePort：作為從時鐘埠，接收時間同步訊息（每個 Instance 僅能有一個）。
PassivePort：不參與同步，丟棄相關訊息。
透明時鐘 (Transparent Clock, TC)：測量同步封包在裝置內的停留時間，並將此延遲加入修正欄位，本身不改變時間戳。
邊界時鐘 (Boundary Clock, BC)：作為一個網段的從時鐘 (Slave)，同時作為另一個網段的主時鐘 (Master)，用來串接不同的同步網段。在 gPTP 中，BC 的行為經過最佳化，它不直接與 GM 同步，而是測量鄰近節點的速率比來補償頻率差異。
應用場景
專業影音 (AVB/TSN)：同步多個播放器與音源，確保影音同步播放。常見於會議室、錄音室、攝影棚和現場廣播系統。
工業自動化：在分散式控制系統、感測器網路和物聯網 (IoT) 中，協調各個節點的輸入、輸出與運算，確保即時控制的精確性。
車用電子：同步車內網路（In-Vehicle Network）的各個電子控制單元 (ECU)，支援多媒體串流、先進駕駛輔助系統 (ADAS) 與控制指令的即時傳輸。
其他應用：電力系統 (如 IEC 61850-9-3)、無線通訊等。
gPTP 的設計強調低延遲、高穩定性和高互通性，使其非常適合對時間同步有嚴格要求的即時應用。
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