PTP - Protocolo de tiempo de precisión

Para sincronizar los relojes distribuidos en una red de área local (LAN), el protocolo de tiempo de redes (NTP) y el protocolo simple de tiempo de redes (SNTP) son métodos populares que resultan precisos en un rango de milisegundos. Sin embargo, para redes industriales, la sincronización de relojes requiere una mayor precisión.

El estándar IEEE 1588 para el protocolo de tiempo de precisión (PTP), adoptado por primera vez en 2002 para aplicaciones de automatización y medición, establece un método para la sincronización de relojes con precisión de microsegundos. También se adoptó el PTP bajo el estándar IEC 61588 en 2004. La segunda versión del estándar IEEE 1588 se ratificó en 2008 para abordar las aplicaciones de telecomunicaciones y de puente de audio-vídeo.

PTP se utiliza cuando los procesos necesitan estar sincronizados de manera exacta, como en la automatización y el control de sistemas, la medición y la prueba automática de los sistemas, la generación de energía, los sistemas de transmisión y distribución y las telecomunicaciones.

¿Cómo funciona el PTP?

Una solución sencilla para sincronizar los relojes en una red Ethernet podría ser enviar un mensaje con el valor de tiempo del reloj maestro a los subordinados. Tras recibir el mensaje, los subordinados simplemente se restablecerían para coincidir con el valor de tiempo del reloj maestro. Sin embargo, a causa del tiempo que se emplea en enviar el mensaje debido a los retrasos en la propagación en la ruta Ethernet, a los retrasos por la puesta en cola del procesador y a la creación y latencia del mensaje IP, el tiempo real en el que el subordinado recibe el mensaje ya no representa de forma precisa el tiempo especificado por el reloj maestro. PTP aborda estos problemas con el uso de mensajes de protocolo enviados entre varios nodos PTP para determinar el desfase del reloj y los retrasos inherentes en la red

PTP cuenta con dos tipos de reloj, los maestros y los subordinados. Los subordinados son los que se encuentran en los dispositivos terminadores. Un reloj maestro, perfectamente controlado por un radio reloj externo o un receptor GPS, sincroniza los respectivos

subordinados que están conectados a él. Una red también presenta componentes de transmisión, como switches Ethernet, con un reloj boundary. El reloj boundary funciona como subordinado de un reloj maestro y, a su vez, los switches funcionan como relojes maestros para dispositivos terminadores subordinados. Cada subordinado está sincronizado con la hora, la frecuencia y la fase del reloj maestro y, por extensión, sincronizado con los nodos del resto de subordinados.

El proceso de sincronización se divide en dos fases. Primero, precisar el desfase del reloj y, segundo, determinar la medida del retraso.

Para ilustrar esto, el siguiente diagrama muestra los pasos seguidos para sincronizar el reloj subordinado al reloj maestro. En este ejemplo, el reloj subordinado empieza con un desfase (diferencia) con respecto al maestro de 20 segundos (por ejemplo, el maestro se encuentra a 100 segundos y el subordinado a 80). Los valores de tiempo utilizados en este ejemplo no representan un rendimiento de la red real, sino que se utilizan para simplificar la explicación.

El reloj maestro compone un mensaje de sincronización a los 100 segundos para enviar al subordinado. Sin embargo, debido a la puesta en cola interna y la latencia, el mensaje se envía y se determina una marca de tiempo interna a los 101 segundos de la hora local del reloj maestro. Debido a los retrasos en la red, el subordinado recibe el mensaje de sincronización dos segundos más tarde, a los 83 segundos.

El reloj maestro envía un mensaje de seguimiento a los 103 segundos. Este mensaje de seguimiento contiene la marca de tiempo previamente determinada a los 101 segundos. El reloj subordinado recibe el mensaje de seguimiento dos segundos más tarde, a los 85 segundos. El subordinado toma los 101 segundos del mensaje y le resta a la marca de tiempo anterior los 83 segundos, lo que da como resultado un desfase de 18 segundos. Se añade el desfase al tiempo real, lo que da como resultado una nueva cifra en el reloj de 103 segundos. Sin embargo, el reloj maestro y el subordinado no están completamente sincronizados. Este nuevo ajuste no ha tenido en cuenta el retraso en la red.

La segunda fase determina el retraso de la red. El subordinado envía un mensaje de solicitud de retraso al maestro a los 108 segundos. El maestro recibe y almacena este mensaje a sus 112 segundos. Se envía un mensaje de respuesta al subordinado con el momento (112 segundos) en el que se recibió el mensaje de solicitud de retraso. El subordinado recibe el mensaje de respuesta a sus 115 segundos. El subordinado puede ahora determinar el retraso de la red restando la hora a la que mandó el mensaje de solicitud de retraso (108 segundos) de la hora a la que el maestro recibió el mensaje de solicitud de retraso (112 segundos), lo que da como resultado un valor de 4 segundos. Sin embargo, puesto que se enviaron dos mensajes, el resultado se divide entre dos, lo que resulta en un retraso de dos segundos. El subordinado ajusta su reloj en 2 segundos (117 segundos) y ya se encuentra perfectamente sincronizado con el maestro.

Los relojes internos a tiempo real de los dispositivos se cambiarán de forma inevitable a lo largo del tiempo. Para solucionar el problema, el reloj maestro ejecutará una secuencia de sondeos periódicos sobre los subordinados para mantener la precisión de los mismos con respecto al reloj maestro.

Al usar switches entre el reloj maestro y los subordinados, el tiempo de ejecución de las variaciones que se producen en los switches provoca imprecisiones en los mensajes enviados entre el maestro y los subordinados. Dado que los switches guardan los paquetes de datos recibidos y que los efectos de cola pueden retrasar de forma considerable la transmisión en algunos casos, se pueden producir grandes oscilaciones. Con una carga de red baja, esto no tiene un gran efecto, pero cuando la carga de red es más alta, puede afectar de forma considerable la precisión de la sincronización.

Este problema se resuelve con switches Ethernet con funcionalidades de reloj boundary IEEE 1588 PTP. Estos contienen su propia instancia PTP en la que funcionan como subordinados PTP y están sincronizados con el reloj maestro conectado. Para los subordinados PTP de bajada, cada puerto del switch funciona como maestro PTP y sincroniza a los subordinados con su hora interna. Esto compensa todas las oscilaciones del tiempo de ejecución y tiempos de espera en los switches y permite que se alcance una precisión máxima incluso con redes Ethernet más amplias.

Las funcionalidades de reloj boundary IEEE 1588 V1 y V2 PTP están disponibles en Switches industriales administrados de Perle con el conjunto de funciones de software PRO.