1 1 ieee 1588-이재원

Springwave

2016. 8

global leader in Precision Time Synchronization

순 서

1. IEEE1588 overview

2. IEEE1588 Application

3. ㈜스프링웨이브 IEEE1588

www.springwave.co.kr

IEEE1588 목표 (goal)

IEEE1588 Precision Time Protocol(PTP)는,

Network상에 존재하는 각 장치들이(Slaves) Master시간에

synchronization(동기) 할 수 있도록 하는 역할(프로토콜)

Master

Network

Slaves

Master에 동기

-Frequency (주파수)

-Time (시간)

-Frequency & Time


IEEE1588v2 - 2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked

Measurement and Control Systems.

- 2008년에 수정됨, 현재까지 최종 버젼.

PTP(Precision Time Protocol):

IEEE1588v2 standard 규격을 따르는 프로토콜(통신방식)로서

IEEE1588 용어와 혼용.

cf) NTP (Network Time Protocol)

Two Way Time Transfer protocol (TWTT)


동기(Synchronization) ? 주파수 동기 ≠ 시간,위상 동기 what is the difference? (frequency) (Time, phase)

fA = fB (시계바늘 속도 동일) θ = ξ (위상차이 알 수 없음)

Signal B

Signal A

time

TB=1/fB

TA=1/fA θ = ξ

주파수 동기 (Syntonization)

SDH/SONET, LTE-FDD BITS/DOTS(T1/E1)

fA = fB (동일한 speed) θ = 0 (위상차이 없음)

Signal B

Signal A

time

TB=1/fB

TA=1/fA θ = 0

시간(Time), 위상(Phase) 동기

LTE-TDD, 시계 (PTP, NTP, GPS)

시간동기

ToD(Time of Day)

시간, 시각?


동기(Synchronization) ?

LTE-TDD Handover Fails

예) 위상(Phase) 동기 fail


동기(Synchronization) ?

LTE-TDD Handover Fails

예) 시간(Time) 동기 fail 시간, 시각?


PTP 동기 원리 ?

GPS 위성

GPS 수신 안테나

IEEE1588 GrandMaster IEEE1588 Slave

Packet network

Time Server Time clients

마스터/슬레이브 연결

Master-Slave architecture.

Two Way Time Transfer protocol

(TWTT)

GPS 동기 GM이 하나이상 필요


PTP 동기 원리 ?

Slave: t1/t2/t3/t4값 획득

• Offset: Master와 slave간의 시간오차.

• t1, t4 : Master 시계로 측정된 시간값(timestamp)

• t2, t3 : Salve 시계로 측정된 시간값(timestamp)

• DMS : Sync 패킷(Master Slave)의 전달 지연값

• DSM : Del_Req 패킷(Slave Master)의 전달 지연값

t2 - t1 = DMS + offset DMS = (t2 - t1) - offset t4 – t3 = DSM – offset DSM = (t4 – t3) + offset [가정: Rate_of_master = Rate_of_slave] 이항 정리하면, Offset = [(t2 – t1) – (t4-t3)] / 2 [전제조건 : Symmetric, DMS = DSM] * Propagation tiem = [(t2 – t1) + (t4-t3)] / 2 • 패킷망의 특성상, 상/하 방향의 지연값이 항상 같지도 않으며, 항상 일정한 지연값을 갖지도 않는다.

Offset 산출

t1, t2

t3, t4

t2

t3


이더넷(Ethernet) 패킷망의 특성 양방향 전달 지연값이 항상 일정하지 않다.

일정치 않은 Queuing delay : Hop-by-Hop방식 패킷 스위칭 장비

양방향 Queuing delay : 거의 대부분 같지 않다. Master Slave, Slave Master

PDV, Asymmetric delay 발생 PDV : Packet Delay Variation 일정치 않은 queuing delay가 주 원인

Asymmetric delay :

- 양방향 전송 경로가 서로 다를때

- 양방향 전송 Bandwidth가 서로 다를때

- PDV에 의해서

PTP slave는 PDV, Asymmetric delay를 고려한 동기 알고리즘(algorithm)이 필요.

모든 hop에서 Residence time과 path delay time 산출 및 보정

1G(master) -- 100M(slave) offset발생?


ITU-T G.8261 Test case modeling

GE-X : 10hops Two-way traffic

Test Case #12 ~ #17

from ITU-T G.8261


ITU-T G.8261 TC12~17 modeling

Floor delay

약 +108 us

참조: Calnex사 Paragon-x


IEEE1588v2 Features(일부)

Mapping to UDP/IPv4&6, Ethernet(direct mapping), DeviceNet,

PROFINET, ControlNet

Transparent Clock mode. packet망의 PDV (거의)제거

Redundancy & fault tolerance option

PTP sub-layer mapping 정의 : Annex D ~ H

- PTP over UDP over IPv4, PTP over UDP over IPv6

- PTP over IEEE802.3/Ethernet (direct mapping)

- PTP over DeviceNet

- PTP over ControlNet

- PTP over IEC61158 Type 10


PTP messages :

PTP event messages

PTP event메세지들은 장치(포트)에서 입출력시 timestamp값을 기록

- Sync

- Delay_Req

- Pdelay_Req

- Pdelay_Reap

PTP general messages

Not timestamped

- Follow_Up

- Delay_Resp

- Pdelay_Resp_Follow_Up

- Announce

- Signaling


break time

TAI, UTC, GMT, leap second

In the IEEE1588v2

UTC : Coordinated Universal Time

TAI : International Atomic Time

GMT : Greenwich Mean Time

* currentUtcOffset


PTP Clock types :

IEEE1588v2 Clock type :

- Ordinary Clocks : Master, Slave

- Boundary Clocks

- Transparent Clock


PTP Clock types :

Ordinary Clock

하나의 도메인내에서 하나의 PTP 포트를 가지는 클럭 장치(device) - GrandMaster, Master, 기지국 장치와 같은 PTP Slave 등.

- Master : Time source 역할

- Slave : Master에 Time 동기 필요.

IEEE1588 Slave

Packet network

IEEE1588 GrandMaster


PTP Clock types :

Boundary Clock

정의: 하나의 도메인내에서 여러 개의 PTP 포트를 가지는 클럭 장치(switch, or router)

각 포트는 PTP master 또는 PTP slave로 동작한다.

- master-slave : parent-child hierarchy

- The PTP slave terminates the PTP traffics from the PTP master,

and synchronizes its local clock to the master

- BMCA: Best Master Clock Algorithm

BMCA

BMCA


Delay Request-Response mechanism

GrandMaster IEEE1588 Slave traditional

packet switch traditional

packet switch GM time

t1

Slave time

t2

Sync

Follow_Up

Delay_Req

Delay_Resp

Timestamps known by slave t2 t1, t2 t1, t2, t3 t1,t2,t3,t4

t3

t4

One-step:

- No Follow_Up sending

- t1 carried in the Sync

Two-step:

- t1 carried in the Follow_Up


PTP Clock types :

Transparent Clock (TC)

송수신 되는 PTP 패킷들의 delay를 계산하고, 그 값을 조정할수 있는

PTP 패킷 처리 가능한 스위치.

End-to-end TC mode - Only residence time measurement for PTP event

(not support peer delay measurement)

- CF field correction from measured residence time

GrandMaster IEEE1588 Slave End-to-end Transparent

End-to-end Transparent

Residence Time CF field 조정

Transparent Clock measures internal switch delay


PTP Clock types :

1

t3=21

t2=19

10

Sync

Delay_Req

Delay_Resp

Master E2E-1 5

Sync

Delay_Resp

7

Sync

Delay_Req

Delay_Req

Delay_Resp

E2E-2 Slave

tes1=9 tis1=8

tes2=14

tis2=12

tid2=20

ted2=22 tid1=21

ted1=22

tcs1=tes1-tis1=1

tcd1=ted1-tid1=1

tcd2=ted2-tid2=2

tcs2=tes2-tis2=2

End-to-end TC


Peer delay mechanism

of 17

End-to-end TC

Residence time

Delay_Req. message, too.


PTP Clock types :

of 17

Transparent Clock (TC)

Peer-to-peer TC mode - residence time for PTP event + peer-delay time

- CF field correction

- support peer delay mechanism

GrandMaster IEEE1588 Slave End-to-end Transparent

End-to-end Transparent

Path delay + Residence Time CF field 조정

Transparent Clock measures internal switch delay Peer-to-peer delay

measurement at TC


PTP Clock types :

1

t1=2

t2=19

10

Sync

Master P2P-1 5

Sync

7

Sync

P2P-2 Slave

tes1=9 tis1=8

tes2=14

tis2=12 tcf1=tres1+td1

tcf2=tres2+td2

td1=2

td2=1

PDelay_Req

PDelay_Resp

PDelay_Req

PDelay_Resp

PDelay_Req

PDelay_Resp

tres1=tes1-tis1

tres2=tes2-tis2

Peer-to-peer TC


PTP Clock types :

Hybrid mode (IEEE1588v2 Non-standard)

Frequency distribution through physical media, like SyncE/TDM(BITS).

Phase distribution via packet data, like PTP/NTP

Very stable in holdover condition,

because the frequency stability keeps the phase alined

* holdover is caused from PTP/NTP errors


Synchronization Basics

PTP communication path

- PTP ordinary, boundary 간에 PTP path 형성.

- 중간에 TC를 포함 할수도 있다.

- End-to-end, peer-to-peer를 혼용하여 path를 구성할수 없다

Step 1 : Master들이 송신하는 announce 메시지의 clock 품질 정보를 바탕으로

최적의 마스터 선택한다.

Step 2 : 각 slave들은 해당 master시간에 동기 수행한다

- delay request-response

- peer delay mechanism


Best Master Clock Algorithm(BMCA)

IEEE1588v2 Slave가 최상의 마스터를 선택하는 프로토콜

BMCA 동작은 모든 slave-OC 또는 BC에서 이루어진다.

마스터들(all masters)로부터 PTP announce 메시지 수신

다음 값을 비교하면서 Best Master 선정 (낮은 값이 우선순위 높음)

- priority1 (0 ~ 255)

- clock Class (0 ~ 255)

- clock Accuracy [IEEE1588v2 Table.6 참조]

- scaled Offset Log Variance (PTP variance)

- priority2 (0 ~ 255)

- Step removed

- Master identity value (clockIdentity)

순 서





ITU-T standards


Telecom profile

Approved in 2016-06-02


G.8271 Time/Phase classes

from ITU-T G.8271


IEEE1588 in IEC61850 Smart Substation


IEEE PC37.238-2011

IEEE Standard Profile for Use of IEEE1588 Precision Time Protocol

in Power System Application

in the Smart Substation

Time inaccuracy requirement (IEC 61850-9-3) < 200ns in case BC < 50ns in case TC


Power profile


IEEE802.1AS - 2011 Timing and Synchronization

for Time-Sensitive Application in Bridged Local Area Networks.

Audio & Video와 같은 기기(AVB)를 LAN망에서 동기 목적

Bridged LAN은 IEEE1588v2 기반의 Time-Aware Network 으로 구성

- Bridges : PTP BC와 유사하게 동작, TC/OC 로는 동작 할수 없음

- PTP mapping: Ethernet direct mapping only

- peer-to-peer TC delay mechanism만 사용

Delay measurement :

Ethernet LAN (IEEE1588v2 P2P), 802.11 무선랜 (802.11v),

E-PON(Discovery process), CSN (혼용 : IEEE1588v2 P2P, 802.11v)

Two-step mode: Pdelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up

보다 정확한 delay계산을 위하여 Syntonization 수행

BMCA에 의한 Master 선정


IEEE802.1AS - 2011

성능 목표 :

end station간에 시각동기 오차는

±500ns 이하

특징 & 검토 :

- 운용 환경 fast lock, stability

- 단가 고려 부품 저가화 (crystal, ASIC)

- 소형, 경량화

순 서





Mobile backhaul network

LTE mobile 기지국들

clock1

clock2

IS2000 series - IEEE1588v2 PTP GrandMaster Clock with Synchronous Ethernet

SPW1588 - IEEE1588v2 PTP Slave solution(IP) with Synchronous Ethernet

전진형 그랜드 마스터 (Edge GM)

Embedded IEEE1588 Slave

Springwave’s PTP/NTP solutions

MEZZ-100M slave module


PTP/NTP Grandmaster Clock 장치

IS2000 IEEE1588v2 PTP/NTP Grandmaster Clock

Key Features • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 – Cost effective

• NTP time 서버 지원

• 패킷망의 PDV 또는 Asymmetry 지연을 최소화 할수 있는 설치(edge master)

• IEEE1588v2-2008 표준 만족

• 다양한 GNSS(GPS/GLONASS/SBAS) 동기

• Primary Reference Clock(PRC)으로서 사용 가능 (accuracy: 1xE-11)

• SyncE master로 사용 가능

• IEEE1588 BMCA 지원 Alternate master 운용 가능

• Hybrid 운용 (IEEE1588 & SyncE)

• IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능

• ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원

• ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원

• 소프트웨어 라이센스에 의한 다양한 client수 지원 : 64(default)/128/256/512

• 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음

• IPv4, IPv6 혼용 지원

• 100M/1000Mbps combo(optic/copper) 형태로 지원

• 10MHz, 1PPS 출력

• 파워입력: DC 또는 AC 가능 (factory 선택)

• WEB UI, CLI콘솔 포트

• SNMP지원

Application • 4G/LTE-FDD/TDD, LTE-Advanced networks • Ethernet backhaul networks • WiMAX backhaul networks • Passive Optical Network(PON) • Electric Power network : substation

TIME AND FREQUENCY ACCURACY Accuracy under locked to GNSS at operating temp. Time : < ±100ns/day Frequency : ±1x10-11 (ITU-T G.811) Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/day Frequency : < ±1 x 10-10 /day


PTP Grandmaster Clock 장치

IS200 PCIe type IEEE1588v2 PTP Grandmaster Clock

Key Features • PCIe카드타입의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 – Cost effective • 1x lane low-profile PCIe NIC - Rev1.0a • IEEE1588v2-2008 표준 만족 • 100M/1000Mbps ethernet RJ45 • 1x GNSS동기 (GPS/GLONASS/SBAS) • 64/128개의 IEEE1588 client수 지원 • 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음 • IPv4, IPv6 혼용 지원 • Primary Reference Clock(PRC)으로서 사용 가능 (accuracy: 1xE-11) • IEEE1588 BMCA 지원 Alternate master 운용 가능 • IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능 • ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원 • ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원 • In-band WEB UI, SNMP지원 • Linux 또는 win-OS 서버 장착 가능 • Stand-alone 운용 (자체 CPU 장착) 가능

Application 4G mobile network, LTE small cell network Carrier ethernet Industrial automation timing IoT(Internet of Things), Sensor networks Power electric, Smart Grid

TIME AND FREQUENCY ACCURACY Accuracy under locked to GNSS at operating temp. Time : < ±100ns/day Frequency : ±1x10-11 (ITU-T G.811) Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/4hrs. Frequency : < ±1 x 10-10 /day


PTP/NTP SyncoTimeTM Algorithm

SyncoTime Algorithm 소프트웨어 IP(Intellectual Property) 형태의 PTP/NTP client 솔루션

Key Features • 소프트웨어 라이선스(IP)형태의 비즈니스 솔루션

• IEEE1588 slave 또는 NTP client용 소프트웨어 패키지

• 다양한 장치(SoC)에 유연하게 탑재 가능

: LTE-Modem chips, CPU chips, industrial systems.

• PLL PD(Phase Detector) 및 OCXO/TCXO 제어를 위한 FPGA 설계 지원

• 위상/시간 및 주파수 동기 지원

• IEEE1588v2 표준 지원

• ITU-T G.8275.1, G.8275.2 통신 모드 지원

• NTPv4 지원

• PTP/NTP를 위한 고객 요구 configuration 적용

• Remote up-grade 기능 지원

Application 4G mobile network, LTE small cell network Carrier ethernet Industrial automation timing IoT(Internet of Things), Sensor networks Power electric, Smart Grid

TIME AND FREQUENCY ACCURACY BY PTP Phase offset: < ±1.5us Frequency : < ±16ppb FREQUENCY ACCURACY BY NTP Frequency : < ±100ppb


PTP/NTP Boundary Clock 장치

IS3300 IEEE1588v2 PTP Boundary Clock

Application • 4G/LTE-FDD/TDD, LTE-Advanced networks • Ethernet backhaul networks • WiMAX backhaul networks • Electric Power network : substation

TIME AND FREQUENCY ACCURACY Time : < ±1.5us(normal), <±3us(G.8261 worst) Frequency : ±16ppb Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/day Frequency : < ±1 x 10-10 /day

Key Features • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 boundary clock 장치

• PTP마스터에 정밀시각 동기 지원

• IEEE1588v2 BMCA(Best Master Clock Algorithm) 지원

• 최대 3개의 PTP master포트 지원, 최대 512개 PTP client 지원

: 64(default)/128/256/512

• NTP time server 지원

• IEEE1588v2-2008 표준 만족

• IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능

• ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원

• ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원

• 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음

• 100M/1000Mbps Ethernet RJ45 지원

• 10MHz(x1), 1PPS(x4) 출력BNC 지원

• 각각 4포트의 IRIG-B, RS232 ToD 출력 지원

• 파워입력: DC 또는 AC 가능

• WEB UI, CLI콘솔 포트

• SNMP지원


감사합니다

1 1 ieee 1588-이재원

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