Precision Time Protocol
Abkürzung: PTP
Das Precision Time Protocol (PTP) synchronisiert Uhren in einem Netz deutlich genauer als NTP. Festgelegt ist es in der Norm IEEE 1588. Wo NTP im lokalen Netz typisch auf eine Millisekunde oder etwas besser kommt, erreicht PTP mit geeigneter Hardware den Bereich unter einer Mikrosekunde, in Spezialnetzen bis in den Nanosekundenbereich.
Warum PTP genauer ist
Der Unterschied liegt darin, wo die Zeit gemessen wird. NTP setzt Zeitstempel in der Software; jede Verzögerung im Betriebssystem fließt in die Messung ein. PTP setzt die Zeitstempel in der Netzwerkkarte oder im Switch, in dem Moment, in dem das Paket die Leitung betritt oder verlässt (Hardware-Timestamping).
Dazu kommen Switches, die PTP verstehen. Sie messen, wie lange ein Paket in ihnen verweilt, und rechnen diese Zeit heraus. So bleibt die Genauigkeit auch über mehrere Netzstufen erhalten.
Rollen im Netz
| Rolle | Aufgabe |
|---|---|
| Grandmaster | oberste Uhr des Netzes, meist ein Zeitserver mit GNSS-Empfänger |
| Boundary Clock | Switch, der die Zeit vom Grandmaster empfängt und selbst als Uhr weitergibt |
| Transparent Clock | Switch, der die Verweilzeit der PTP-Pakete misst und in die Pakete einträgt |
| Ordinary Clock | Endgerät, das seine Uhr nach dem Netz stellt |
Welche Uhr Grandmaster wird, handeln die Geräte selbst aus, mit dem Best Master Clock Algorithm. Fällt der Grandmaster aus, übernimmt die nächstbeste Uhr.
Profile
IEEE 1588 lässt viele Einstellungen offen. Branchen legen deshalb Profile fest, die bestimmen, welche Nachrichten, Takte und Genauigkeiten gelten:
| Einsatz | Profil |
|---|---|
| Mobilfunk, Telekommunikation | ITU-T G.8275.1 und G.8275.2 |
| Energieversorgung, Schaltanlagen | IEC 61850-9-3, IEEE C37.238 |
| Rundfunk und Studio | SMPTE ST 2059-2 |
| Industrie, Echtzeit-Ethernet | IEEE 802.1AS (gPTP) im Rahmen von Time-Sensitive Networking |
Wo PTP gebraucht wird
Mobilfunk. Basisstationen in 5G-Netzen müssen phasengenau synchron senden, sonst stören sie sich gegenseitig.
Börsenhandel. Die EU verlangt im Hochfrequenzhandel, dass Handelssysteme auf 100 Mikrosekunden genau mit der koordinierten Weltzeit übereinstimmen. Mit NTP ist das kaum zu erreichen.
Stromnetze. Messgeräte in Umspannwerken vergleichen Strom und Spannung an verschiedenen Orten; das geht nur mit gemeinsamer, genauer Zeit.
Rundfunk und Medientechnik. Bild- und Tonsignale über IP müssen auf die Abtastung genau zueinander passen.
Rechenzentren. Verteilte Datenbanken und KI-Cluster nutzen genaue Zeit, um Ereignisse auf vielen Servern in die richtige Reihenfolge zu bringen.
PTP im LAN transportieren
PTP setzt voraus, dass ein Paket auf dem Hin- und Rückweg gleich lange braucht. Jede Störung dieser Annahme wird zum Zeitfehler. Im lokalen Netz gibt es dafür einige Stolperstellen:
| Stolperstelle | Folge |
|---|---|
| Switches ohne PTP-Unterstützung im Pfad | schwankende Verweilzeit im Switch, die niemand herausrechnet |
| asymmetrische Wege, etwa durch ECMP oder Link-Aggregation | Hin- und Rückweg verschieden lang, die Zeit liegt systematisch daneben |
| Überlast und fehlende Priorisierung | PTP-Pakete warten in Warteschlangen; sie gehören in die höchste Priorität |
| Multicast nicht freigegeben | PTP nutzt meist Multicast; IGMP-Snooping oder Filter blockieren es |
| Transport passt nicht | PTP läuft entweder direkt auf Ethernet oder über UDP mit den Ports 319 und 320; Gegenstellen müssen dieselbe Variante sprechen |
| Overlay-Netze | in VXLAN-Fabrics muss PTP im Underlay laufen, nicht durch den Tunnel |
| Firewalls und Router | verwerfen PTP-Pakete oder verzögern sie unvorhersehbar |
| verschiedene Profile | Geräte mit unterschiedlichen Profilen erkennen sich nicht als PTP-Partner |
In Rechenzentrums-Fabrics
Moderne Fabrics nutzen PTP nicht nur für die Anwendungen, sondern für sich selbst: Sind alle Leaf- und Spine-Switches synchron, kann die Fabric die Latenz zwischen ihren Knoten und für einzelne Verbindungen messen. Die Hersteller beschreiben dafür lange Listen von Bedingungen. Typisch sind:
- nur bestimmte Switch-Generationen unterstützen PTP; ältere Modelle im Pfad blockieren die Nachrichten
- nur der Betrieb als Boundary Clock, kein Transparent-Clock-Modus
- nur UDP mit Multicast, kein Transport direkt auf Ethernet
- ein externer Grandmaster mit GNSS-Quelle wird empfohlen, an die Spines angebunden
- bei Fabrics über mehrere Standorte müssen alle Teile dieselbe Zeitquelle haben, und die Verbindungsnetze dazwischen dürfen PTP nicht blockieren
Wer PTP für eigene Anwendungen braucht, sollte deshalb vor dem Kauf prüfen, welche Rollen, Profile und Transportwege die Fabric tatsächlich unterstützt.
Normen
- IEEE 1588 – Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems
- IEEE 802.1AS – Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications