Linux 使用 PTP 举行时间同步

概述​

PTP（精确时间协议）是一种用于在网络中举行时钟同步的协议。当与硬件支持结合使用时，PTP 能够到达亚微秒的精度，这种精度远高于 NTP 协议。
PTP 时间同步协议的支持分为内核空间和用户空间两部分。在 Linux 系统中，PTP 协议的现实实现称为 LinuxPTP，它是 PTPv2 根据 Linux 的 IEEE 1588 尺度实现的。在 LinuxPTP 软件包包罗 ptp4l 和 phc2sys 用于时钟同步的步伐，其中 ptp4l 步伐实现了 PTP 界限时钟和普通时钟，支持硬件时钟同步和软件时间同步，硬件时间戳用于将 PTP 硬件时钟与主时钟同步，软件时间戳用于将系统时钟与主时钟同步。phc2sys 步伐则用于将系统时钟同步到网卡上的 PTP 硬件时钟（PHC）。
预备工作​

安装 LinuxPTP​

首先，需要在 Linux 系统中安装 LinuxPTP。
Debian/Ubuntu 系统使用 apt 命令安装：

1. sudo apt install linuxptp

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对于 RHEL/CentOS 6/7 系统，使用 yum 命令安装：

1. sudo yum install linuxptp

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对于 RHEL/CentOS 8 和 Fedora 系统，使用 dnf 命令安装：

1. sudo dnf install linuxptp

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假如是其他嵌入式 Linux 系统，大概你想安装最新版本的 LinuxPTP，可以接纳源码编译安装方式：

1. sudo git clone git://git.code.sf.net/p/linuxptp/code linuxptp
2. cd linuxptp
3. sudo make
4. sudo make install

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安装完成后可通过 ptp4l -v 命令检查是否安装乐成：

1. $ ptp4l -v
2. 1.92

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检查网卡驱动​

为了使用 PTP ，网络接口的内核网络驱动步伐必须支持软件或硬件时间戳功能。除了驱动步伐中存在的硬件时间戳支持之外，NIC 还必须能够在物理硬件中支持此功能。验证特定驱动步伐和 NIC 的时间戳功能的最佳方法是使用 ethtool 查询接口。
比方：检查 eth0 网卡对硬件时间戳的支持

1. sudo ethtool -T eth0

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执行上述命令后的输出结果可能如下：

1. Time stamping parameters for eth0:
2. Capabilities:
3.         hardware-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE)
4.         software-transmit     (SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE)
5.         hardware-receive      (SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE)
6.         software-receive      (SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE)
7.         software-system-clock (SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE)
8.         hardware-raw-clock    (SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE)
9. PTP Hardware Clock: 0
10. Hardware Transmit Timestamp Modes:
11.         off                   (HWTSTAMP_TX_OFF)
12.         on                    (HWTSTAMP_TX_ON)
13.         one-step-sync         (HWTSTAMP_TX_ONESTEP_SYNC)
14. Hardware Receive Filter Modes:
15.         none                  (HWTSTAMP_FILTER_NONE)
16.         all                   (HWTSTAMP_FILTER_ALL)

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对于软件时间戳支持，参数列表应包罗：

• SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE
  
• SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
  
• SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE
  

对于硬件时间戳支持，参数列表应包罗：

• SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE
  
• SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE
  
• SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE
  

设置文件​

ptp4l 设置文件​

ptp4l 步伐启动时会从 /etc/linuxptp/ptp4l.conf 文件读取设置选项，部分设置如下所示。

1. [global]
2. #
3. # Default interface options
4. #
5. network_transport        UDPv4
6. delay_mechanism                E2E
7. time_stamping                hardware
8. tsproc_mode                filter
9. delay_filter                moving_median
10. delay_filter_length        10
11. egressLatency                0
12. ingressLatency                0
13. boundary_clock_jbod        0

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ptp4l 服务设置文件​

ptp4l 可以作为服务运行，对应的设置文件是 /lib/systemd/system/ptp4l.service。

1. [Unit]
2. Description=Precision Time Protocol (PTP) service
3. Documentation=man:ptp4l
5. [Service]
6. Type=simple
7. ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -f /etc/linuxptp/ptp4l.conf -i eth0
9. [Install]
10. WantedBy=multi-user.target

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执行以下命令即可启动 ptp4l 服务：

1. sudo systemctl start ptp4l

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假如要永久启用 ptp4l 服务，可执行以下命令：

1. sudo systemctl enable ptp4l

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假如要禁用 ptp4l 服务，可执行以下命令：

1. sudo systemctl disable ptp4l

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phc2sys 服务设置文件​

phc2sys 也可以作为服务运行，对应的设置文件是 /lib/systemd/system/phc2sys.service。

1. [Unit]
2. Description=Synchronize system clock or PTP hardware clock (PHC)
3. Documentation=man:phc2sys
4. After=ntpdate.service
5. Requires=ptp4l.service
6. After=ptp4l.service
8. [Service]
9. Type=simple
10. ExecStart=/usr/sbin/phc2sys -w -s eth0
12. [Install]
13. WantedBy=multi-user.target

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执行以下命令即可启动 phc2sys 服务：

1. sudo systemctl start phc2sys

复制代码

假如要永久启用 phc2sys 服务，可执行以下命令：

1. sudo systemctl enable phc2sys

复制代码

假如要禁用 phc2sys 服务，可执行以下命令：

1. sudo systemctl disable phc2sys

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实验​

我们可以通过修改 /etc/linuxptp/ptp4l.conf 来设置 ptp4l 的模式，再通过 systemctl start ptp4l 启动。但为了更加直观，下面的实验我们将直接通过 ptp4l 命令行启动。
提示：为了完成 PTP 时间同步实验，我们需要两台 Linux 设备，其中一台作为 PTP master，另一台作为 PTP slave。
PTP 硬件时钟同步​

ptp4l 默认使用硬件时间戳，也可以显式指定 -H 选项使用硬件时间戳。-i 选项指定支持硬件时戳的网络接口；-m 指示 ptp4l 将其输出列显到尺度输出，而不是列显到系统的日志记录工具。
PTP 主端口（Master），-H 选项显式指定使用硬件时间戳。

1. sudo ptp4l -m -H -i eth0

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PTP 从端口（Slave），-s 选项设置为从端口。

1. sudo ptp4l -m -H -s -i eth0

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此时终端打印的输出可能如下：

1. selected eth0 as PTP clock
2. port 1: INITIALIZING to LISTENING on INITIALIZE
3. port 0: INITIALIZING to LISTENING on INITIALIZE
4. port 1: new foreign master 00a152.fffe.0b334d-1
5. selected best master clock 00a152.fffe.0b334d
6. port 1: LISTENING to UNCALIBRATED on RS_SLAVE
7. master offset -25937 s0 freq +0 path delay       12340
8. master offset -27887 s0 freq +0 path delay       14232
9. master offset -38802 s0 freq +0 path delay       13847
10. master offset -36205 s1 freq +0 path delay       10623
11. master offset  -6975 s2 freq -30575 path delay   10286
12. port 1: UNCALIBRATED to SLAVE on MASTER_CLOCK_SELECTED
13. master offset  -4284 s2 freq -30135 path delay    9892

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其中，port 0 是用于当地 PTP 管理的 Unix 域套接字。port 1 是 eth0 接口。INITIALIZING、LISTENING、UNCALIBRATED 和 SLAVE 是发生 INITIALIZE、RS_SLAVE 和 MASTER_CLOCK_SELECTED 事件时更改的端口状态示例。当端口状态从 UNCALIBRATED 更改为 SLAVE 时，表示计算机已与 PTP 主时钟乐成同步。
master offset 行说明：

• master offset 值表示测得的与主时钟之间的毛病（以纳秒为单位）。
  
• s0、s1、s2 表示时钟伺服的不同状态。s0 表示已解锁（unlocked），s1 表示时钟步进（clock step），s2 表示已锁定（locked）。假如伺服处于已锁定状态（s2），并且 pi_offset_const 选项在设置文件中设置为负值，则时钟不会步进，而只会缓慢调解。
  
• freq 值表示时钟的频率调解，以十亿分率（ppb）为单位。
  
• path delay 值表示从主时钟发送的同步消息的预计延迟（以纳秒为单位）。
  

PTP 软件时间同步​

PTP 主端口（Master），使用 -S 选项启用软件时间戳。

1. sudo ptp4l -m -S -i eth0

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PTP 从端口（Slave），-s 选项设置为从端口。

1. sudo ptp4l -m -S -s -i eth0

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使用软件时间戳举行时间同步的准确度比硬件时间戳要低，这是因为 IEEE 1588 的同步原理决定了时钟同步的精度主要取决于时间戳的精度。

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