Beim PTP (Precision Time Protocol) handelt es sich um ein Protokoll, das die Synchronisation von Uhren mit einer theoretischen Genauigkeit im Bereich von Nanosekunden ermöglicht. Somit ist PTP das Protokoll der Wahl für alle kritischen Anwendungsbereiche (Energie, Industrie, audiovisuelle Medien, Finanzwesen, Transportwesen usw.). Das Protokoll funktioniert in lokalen Netzwerken, kann jedoch auch über sehr große Entfernungen hinweg eingesetzt werden. Das macht es besonders interessant für ausgedehnte Netzwerke mit mehreren entfernt liegenden Standorten.
Bei sehr großen Netzwerken ist es möglich, dass nicht alle Uhren für die gleichen Aufgaben verwendet werden und nicht alle Uhren die gleiche Synchronisationsqualität benötigen. Ohne die Möglichkeit, das Netzwerk aufzuteilen, müssen alle Uhren die höchste Genauigkeit aufweisen. Dies führt wiederum zu unnötigen Kosten. PTP sieht lediglich eine Grand Master Clock (GMC) pro Netzwerk vor.
Das Konzept der PTP-Domains
Um diesem Problem entgegenzuwirken, ermöglicht PTP die Definition von Domains im Netzwerk. Standardmäßig sind alle Systeme im Netzwerk Teil der Domain 0. Allerdings kann man sein Netzwerk durch Hinzufügen weiterer Domains abgrenzen. PTP ermöglicht die Definition von 256 Domains – von Domain 0 bis Domain 255.
Jede Domain wird von der Hardware als unabhängiges Netzwerk identifiziert und hat daher ihre eigene GMC, anhand der sich die Slave-Uhren der Domain synchronisieren. Verschiedene PTP-Domains können das gleiche physische Netzwerk nutzen. Die von einer anderen Domain als der eigenen kommenden Nachrichten werden von den Rechnern einer PTP-Domain einfach ignoriert.
Domains in der Praxis
Jede PTP-Domain kann als ein zeitliches Teilnetz des physischen Netzwerks betrachtet werden. PTP-Domains sind logisch voneinander isoliert: Die Master-Uhr einer Domain wird die Slave-Uhren einer anderen Domain nicht synchronisieren.
Zeitserver können PTP-Domains verwalten, sobald sie mindestens die Version 1 des Protokolls verwenden. Dabei ist zu beachten, dass die erste Version des Protokolls 2002 standardisiert wurde (IETF-Standard IEEE 1588-2002) und die zweite Version im Jahr 2008 (IEEE 1588-2008).
Um die Domain zu definieren, zu der eine Uhr gehört, verwendet man in der ersten Version des Protokolls das Feld „subdomain name“, in späteren Versionen dann „domain name“. Dieses Feld wird in allen gesendeten PTP-Nachrichten übertragen und ermöglicht es den Geräten, Nachrichten herauszufiltern, die für eine andere als ihre eigene Domain bestimmt sind.
Vor- und Nachteile der Domain-Aufteilung
Die Aufteilung des PTP-Netzwerks in verschiedene Domains hat mehrere Vorteile.
Da jede Domain unabhängig konfiguriert ist, verfügt sie über ihre eigene Grand Master Clock.
Dies verkürzt die Entfernungen für die Synchronisation und vermeidet zusätzliche Verzögerungen. Da jedoch jede Domain ihre eigene GMC haben muss, führt dies dazu, dass das System über mehrere hochgenaue Uhren (mindestens eine pro Domain) verfügen muss.
Da die Domains zudem voneinander isoliert sind, wirkt sich der Ausfall einer GMC nur auf eine Domain aus. Wenn sich die verschiedenen PTP-Domains hingegen das gleiche physische Netzwerk teilen, kann sich ein physischer Ausfall eines Zeitservers (Routers) potenziell auf alle Domains auswirken.
Die Bedeutung der logischen Segmentierung
Da die Segmentierung logisch und nicht physisch erfolgt, kann ein Gerät gleichzeitig zu mehreren PTP-Domains gehören. Auf diese Weise kann die Isolierung der verschiedenen Domains überwunden werden. Tatsächlich besteht keine Notwendigkeit, dass eine Uhr in jeder Domain die gleiche Rolle einnimmt. Eine Uhr kann Slave für eine Domain 1 und Master für eine Domain 2 sein. Diese Uhr wird also von der GMC in Domain 1 aktualisiert und verteilt ihre Zeitstempel in Domain 2. Auch wenn Domain 1 in diesem Fall die Nachrichten von Domain 2 ignoriert und umgekehrt, kann man die Uhrzeit von Domain 1 zur Synchronisierung von Domain 2 verwenden. Diese Lösung kann vorübergehend verwendet werden, wenn die GMC von Domain 2 ausfällt. Die Uhr, die sie ersetzt, ist nicht mehr unmittelbar mit einer Referenzuhr verbunden, sondern einfach mit einer Master-Uhr einer anderen Domain.
Durch die Überlappung der verschiedenen Domains ist es zudem möglich, die großen Master-Uhren jeder Domain zu überwachen und so mögliche Ausfälle zu erkennen. Wenn ein Slave-Rechner zu allen Domains gehört, dann empfängt er alle Zeitstempel. Sind also nicht alle Uhren synchronisiert, kann mit einer Mehrheitsabstimmung festgestellt werden, welche Master-Uhr eine zeitliche Verschiebung aufweist.
Schlussfolgerung
Werden die PTP-Domains des eigenen Netzwerks sorgfältig konfiguriert, kann eine Übereinstimmung zwischen dem Zeitnetzwerk und den Synchronisationsanforderungen der Anwendungen im System erreicht werden. Diese zusätzliche Konfiguration ist sehr kostengünstig und sorgt für die beste Effizienz innerhalb des Netzwerks.
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