PTP - Precision Time Protocol

Pour synchroniser des horloges distribuées sur un réseau local (LAN), les protocoles NTP (Network Time Protocol) et SNTP (Simple Network Time Protocol) offrent des méthodes très précises mesurables en millisecondes. Mais sur des réseaux industriels, la synchronisation d'horloge nécessite une précision beaucoup plus grande.

La norme IEEE 1588 du Precision Time Protocol (PTP), initialement adoptée en 2002 pour les applications d'automatisation et de mesure, spécifie une méthode de synchronisation d'horloge garantissant une précision à la microseconde. Le PTP a aussi été adopté par la norme IEC 61588 en 2004. La version 2 de la norme IEEE 1588 a été ratifiée en 2008 pour les applications de télécommunication et audio-vidéo.

Le PTP est une exigence chaque fois que des processus doivent être synchronisés avec une grande précision, par exemple pour les systèmes d'automatisation et de contrôle, les systèmes de mesure et de test automatiques, les systèmes de génération, transmission et distribution d'énergie, ainsi que les télécommunications.

Comment fonctionne le PTP ?

Pour synchroniser des horloges sur un réseau Ethernet, une solution simple consiste à envoyer un message indiquant l'heure de l'horloge maître aux unités esclaves. À la réception du message, les esclaves réinitialisent leurs propres horloges en appliquant cette valeur. Mais du fait des délais nécessairement accumulés par la diffusion du message dans le système Ethernet, ainsi que les délais liés aux files d'attente des processus, aux créations et latences de messages IP, l'heure réelle à laquelle le message est reçu par l'esclave ne représente plus l'heure spécifiée par l'horloge maître. Le PTP résout ces écarts en envoyant des messages de protocole entre les différents nœuds PTP pour déterminer les décalages d'horloges et les retards inhérents au fonctionnement du réseau.

Le PTP utilise deux types d'horloges : maîtres et esclaves. Une horloge dans un dispositif terminal est dite esclave. Une horloge maître, idéalement contrôlée par une horloge radio externe ou un récepteur GPS, synchronise les esclaves auxquelles elle est connectée. Un réseau inclut aussi des composants de transmission, tels que commutateurs Ethernet, et une horloge Boundary. L'horloge Boundary fonctionne comme une horloge esclave par rapport à l'horloge maître, mais elle fonctionne comme une horloge maître pour les dispositifs terminaux. Chaque esclave est synchronisée sur l'heure, la fréquence et la phase de l'horloge maître, et par extension, elle est synchronisée avec tous les nœuds esclaves.

Le processus de synchronisation est divisé en deux phases. Premièrement, la mesure du délai et la correction requise sont obtenus.

Le schéma ci-dessous présente les étapes de la synchronisation de l'horloge esclave sur l'horloge maître. Dans cet exemple, l'horloge esclave débute avec un écart de 20 secondes par rapport à l'horloge maître (soit l'horloge maître à 100 secondes et l'esclave à 80s.). Notons que les valeurs indiquées ici ne sont pas représentatives des performances d'un réseau, mais permettent de simplifier l'explication.

L'horloge maître génère un message Sync à 100 s. à envoyer à l'esclave. Du fait des files d'attente et des latences, le message est envoyé et horodaté à 101 s., heure locale de l'horloge maître. Du fait des délais sur le réseau, l'esclave reçoit le message Sync deux secondes plus tard à 83s. (heure locale de l'esclave).

Un message de suivi est envoyé peu après par l'horloge maître à 103s. Ce message de suivi contient la valeur d'horodatage précédente égale à 101 s. Ce message de suivi est reçu deux secondes plus tard à 85 s. L'esclave extrait la valeur "101 s." du message et déduit la valeur précédente (83 s.), générant un écart de calcul de 18 secondes. Cet écart est alors ajouté à l'heure actuelle et génère une heure d'horloge ajustée à 103 secondes. Mais les horloges maître et esclave ne sont pas encore totalement synchronisées. La correction effectuée ne tient pas compte du retard accumulé sur le réseau.

La deuxième phase permet de déterminer le délai du réseau. L'esclave envoie un Message de demande du délai à l'horloge maître à 108 s. L'horloge maître reçoit et enregistre ce message à 112 s., heure locale de l'horloge maître. Un Message de réponse du délai est envoyé à l'esclave indiquant l'heure (112 s.) à laquelle le Message de demande du délai a été reçu. L'esclave reçoit ce Message de réponse du délai à 115 s., heure locale de l'esclave. L'esclave peut maintenant déterminer le délai du réseau en déduisant l'heure à laquelle il a envoyé la Demande du délai (108 s.) de l'heure à laquelle le maître a reçu la Réponse du délai (112 s.), et obtient la valeur : 4 secondes. Mais comme deux messages ont été envoyés, le résultat est divisé par deux, soit un délai de deux secondes. L'esclave applique une correction de deux secondes (117 s.) sur son réglage, devenant ainsi parfaitement synchrone avec l'horloge maître.

Avec le temps, les horloges internes en temps réel des différents dispositifs se décalent inévitablement. Pour compenser, l'horloge maître exécute périodiquement une séquence de contrôle sur les esclaves pour maintenir leur précision par rapport à l'horloge maître.

Lorsque des commutateurs sont utilisés entre une horloge maître et des esclaves, les variations d'exécution inhérentes aux commutateurs génèrent des imprécisions dans les messages diffusés entre l'horloge maître et les esclaves. Comme les commutateurs enregistrent la totalité des paquets de données, les files d'attente peuvent fortement retarder les transmissions dans certaines circonstances, entraînant donc des fluctuations importantes. Si les charges du réseau sont faibles, les conséquences réelles peuvent être négligeables. Mais en période de pointe, la précision de la synchronisation peut être sérieusement compromise.

Ce problème peut être résolu en utilisant des commutateurs offrant des fonctions d'horloge Boundary PTP IEEE 1588. Ces fonctions contiennent leur propre instance de PTP lorsqu'elles opèrent comme esclaves PTP et sont synchronisées à une horloge maître connectée. Pour les esclaves PTP en aval, chaque port de commutateur fonctionne alors comme une horloge maître et synchronise les esclaves sur sa propre heure interne. Ceci compense toutes les variations liées à l'exécution et aux attentes dans les commutateurs, autorisant une précision maximale même sur des réseaux Ethernet de grande dimension.

Les fonctions d'horloge Boundary PTP V1 et V2 IEEE 1588 sont disponibles sur les Commutateurs Industriels Administrables Perle qui offrent les fonctionnalités PRO.