정밀 시각 프로토콜

3. 아키텍처

PTP는 IEEE 1588 표준에 정의된 대로, 하나 이상의 네트워크 세그먼트와 클럭으로 구성된 계층적 마스터-슬레이브 아키텍처를 사용하여 시계를 분배한다.^[6][23] 이 방식은 NTP보다 높은 정확도가 필요하거나 GPS 수신기 설치가 어려운 환경에 적합하다.^[2]

이 아키텍처는 여러 종류의 클럭으로 구성된다. 일반 클럭(Ordinary Clock)은 단일 네트워크에 연결되어 마스터 또는 슬레이브 역할을 수행하고, 경계 클럭(Boundary Clock)은 여러 네트워크 세그먼트를 연결하며 동기화를 중계한다. 시스템 전체의 시간 기준이 되는 최상위 클럭을 그랜드마스터(Grandmaster)라고 한다.^[6][23] 가장 기본적인 구성은 경계 클럭 없이 하나의 그랜드마스터와 여러 일반 클럭으로 이루어진다.

IEEE 1588-2008 버전(PTPv2)에서는 투명 클럭(Transparent Clock) 개념이 추가되었다. 이는 네트워크 장비(스위치, 라우터 등)를 통과하는 PTP 메시지의 타임스탬프를 수정하여 장비 자체의 지연 시간을 보상하고 동기화 정확도를 높이는 역할을 한다.^[7]

PTP는 시간 기준으로 윤초의 영향을 받지 않는 국제 원자시(TAI)를 사용하며, 에포크는 일반적으로 유닉스 시간과 동일한 1970년 1월 1일 00:00:00 TAI이다. 그랜드마스터는 현재 UTC와 TAI 간의 오프셋 정보를 제공하여 수신 측에서 PTP 시간을 협정 세계시(UTC)로 변환할 수 있도록 한다.

3. 1. 클럭의 종류

• 일반 클럭 (Ordinary Clock): 단일 네트워크 연결을 가진 장치이다. 동기화 참조의 소스(마스터, 리더) 또는 대상(슬레이브, 팔로워) 중 하나의 역할을 수행한다. 가장 단순한 PTP 시스템은 경계 클럭 없이 일반 클럭만으로 구성될 수 있으며, 이 경우 하나의 그랜드마스터가 선출되고 나머지 클럭들이 이에 동기화된다.^[6]
• 경계 클럭 (Boundary Clock): 여러 네트워크 연결을 가지며, 서로 다른 네트워크 세그먼트 간의 동기화를 담당한다. 각 네트워크 세그먼트마다 하나의 동기화 리더(마스터)가 선택된다. 전체 시스템에서 최상위 시간 참조 역할을 하는 클럭을 그랜드마스터 (Grandmaster)라고 부른다.^[6]
• 투명 클럭 (Transparent Clock): IEEE 1588-2008 버전에서 도입된 개념으로, PTP 메시지를 전달하는 네트워크 장비(예: 스위치, 라우터)와 관련된다. 투명 클럭은 PTP 메시지가 장치를 통과할 때 타임스탬프를 수정하여, 메시지가 해당 장비를 통과하는 데 걸린 시간(지연 시간)을 보정한다. 이를 통해 네트워크를 통한 전송 가변성의 영향을 줄여 동기화 정확도를 향상시킨다.^[7]

4. 프로토콜 상세

PTP 시스템의 동기화 및 관리는 통신 매체를 통해 메시지를 교환하여 수행된다.^[8][24]

4. 1. 메시지 종류

• ''Sync'', ''Follow_Up'', ''Delay_Req'', ''Delay_Resp'': 일반 클럭과 경계 클럭에서 사용하며, 클럭 동기화를 위한 시간 관련 정보를 전달한다.
• ''Pdelay_Req'', ''Pdelay_Resp'', ''Pdelay_Resp_Follow_Up'': 투명 클럭에서 통신 매체의 지연 시간을 측정하는 데 사용된다. 이 메시지들은 IEEE 1588-2008(PTPv2)에서 추가되었다.
• ''Announce'': 최적 마스터 클록 알고리즘(BMCA)에서 클럭 계층을 구축하고 그랜드마스터를 선택하는 데 사용된다.^[25]
• ''Management'': 네트워크 관리 목적으로 PTP 시스템을 모니터링, 구성, 유지 관리하는 데 사용된다.
• ''Signaling'': 클럭 간의 시간적으로 중요하지 않은 통신에 사용되며, IEEE 1588-2008에서 도입되었다.

4. 1. 1. 동기화 메시지

• ''Sync'', ''Follow_Up'', ''Delay_Req'', ''Delay_Resp'': 이 메시지들은 일반 클럭과 경계 클럭에서 사용되며, 네트워크 전체의 클럭을 동기화하는 데 필요한 시간 관련 정보를 전달한다.
• ''Sync'': 마스터 클럭이 주기적으로 전송하는 메시지로, 메시지 전송 시점의 타임스탬프 정보를 포함한다.
• ''Follow_Up'': ''Sync'' 메시지만으로는 정확한 전송 타임스탬프를 전달하기 어려운 경우, 해당 정보를 보완하여 전달하는 메시지이다.
• ''Delay_Req'': 슬레이브 클럭이 마스터 클럭과의 전파 지연 시간을 측정하기 위해 마스터 클럭에 보내는 요청 메시지이다.
• ''Delay_Resp'': 마스터 클럭이 슬레이브 클럭으로부터 ''Delay_Req'' 메시지를 받은 후, 응답으로 보내는 메시지이다. 이 메시지에는 ''Delay_Req'' 메시지를 수신한 시점의 타임스탬프 정보가 포함된다.

• 이벤트 메시지: 메시지의 전송 및 수신 타임스탬프 정확도가 클럭 동기화 정확도에 직접적인 영향을 미치는 시간 중요한 메시지이다. ''Sync'', ''Delay_Req''가 여기에 해당한다.
• 일반 메시지: 메시지에 포함된 데이터 자체는 PTP 동작에 중요하지만, 메시지의 전송 및 수신 타임스탬프는 동기화 정확도에 직접적인 영향을 주지 않는 메시지이다. ''Follow_Up'', ''Delay_Resp''가 일반 메시지에 속한다.

4. 1. 2. 피어 투 피어 지연 측정 메시지

• ''Pdelay_Req'': 인접한 클럭 간의 통신 지연 시간을 측정하기 위해 보내는 요청 메시지이다. 이 메시지는 전송 및 수신 시각의 정확성이 중요하므로 '이벤트' 메시지로 분류된다.^[8][24]
• ''Pdelay_Resp'': ''Pdelay_Req'' 메시지에 대한 응답으로 보내는 메시지이다. 이 메시지 역시 '이벤트' 메시지에 해당한다.^[8][24]
• ''Pdelay_Resp_Follow_Up'': ''Pdelay_Resp'' 메시지에 대한 추가 정보를 전달하는 메시지이다. 이 메시지는 전송 및 수신 시각의 정확성이 상대적으로 덜 중요하므로 '일반' 메시지로 분류된다.^[8][24]

4. 1. 3. 기타 메시지

• Announce 메시지는 최적 마스터 클록 알고리즘(BMCA)에서 클럭 계층을 구축하고 최상위 마스터 클럭인 그랜드마스터를 선택하는 데 사용된다.^[25] 이 메시지는 일반 메시지로 분류된다.^[8][24]
• Management 메시지는 네트워크 관리 목적으로 PTP 시스템을 모니터링, 구성 및 유지 관리하는 데 사용된다. 이 메시지 역시 일반 메시지에 속한다.^[8][24]
• Signaling 메시지는 클럭 간의 시간적으로 중요하지 않은 통신에 사용되며, IEEE 1588-2008 표준에서 도입되었다. 이 메시지도 일반 메시지로 분류된다.^[8][24]

4. 2. 도메인

5. 최적 마스터 클록 알고리즘 (BMCA)

최적 마스터 시계 알고리즘(BMCA, best master clock algorithm)은 네트워크 내에서 가장 좋은 시계를 마스터(리더)로 선정하기 위한 분산 알고리즘이다. 이 선택은 다음 시계의 특성들을 기반으로 이루어진다.

• 식별자: 각 시계는 고유한 숫자 식별자를 가지며, 이는 일반적으로 장치의 MAC 주소를 기반으로 설정된다.
• 품질: 시계의 품질은 예상되는 시간 편차, 구현 기술, 시계 계층(clock stratum) 스키마에서의 위치 등을 기준으로 정량화된다. IEEE 1588-2002 (V1) 버전에서는 'stratum' 데이터 필드를 사용했지만, IEEE 1588-2008 (V2) 버전에서는 'clockAccuracy'와 'clockClass' 데이터 필드를 통해 시계의 전반적인 품질을 정의한다.
• 우선 순위: 관리자가 PTP 도메인의 최상위 마스터 시계인 '그랜드 마스터'를 선택하기 위해 미리 할당하는 값이다. IEEE 1588-2002에서는 단일 부울 변수를 사용했지만, IEEE 1588-2008에서는 두 개의 8비트 우선 순위 필드를 사용한다.
• 분산: PTP 기준(reference)에 대한 성능 관찰을 바탕으로 한 시계의 안정성 추정치이다.

6. 동기화

BMCA(Best Master Clock Algorithm)를 통해 PTP는 IEEE 1588 도메인 및 도메인 내 각 네트워크 세그먼트의 마스터 시간 소스(마스터 클럭)를 선택한다.

클럭(슬레이브 클럭)은 자신과 선택된 마스터 클럭 간의 오프셋을 결정하여 동기화를 수행한다.^[12][37] 변수 $t$를 물리적 시간이라고 할 때, 주어진 슬레이브 장치에서 시간 $t$에서의 오프셋 $o(t)$는 다음과 같이 정의된다.

:$\backslash \; o(t)\; =\; s(t)\; -\; m(t)$

여기서 $s(t)$는 물리적 시간 $t$에서 슬레이브 클럭이 측정한 시간을 나타내고, $m(t)$는 물리적 시간 $t$에서 마스터 클럭이 측정한 시간을 나타낸다.

마스터 클럭은 주기적으로 현재 시간을 다른 클럭에게 메시지로 브로드캐스트한다. IEEE 1588-2002 표준에서는 최대 1초에 한 번, IEEE 1588-2008 표준에서는 최대 초당 10번까지 브로드캐스트가 허용된다.

• 첫째, 이 메시지 교환이 매우 짧은 기간 동안 발생하여 오프셋($\backslash tilde\{o\}$)이 그동안 일정하다고 간주할 수 있어야 한다.
• 둘째, 마스터에서 슬레이브로 가는 메시지의 전송 시간($d$)과 슬레이브에서 마스터로 가는 메시지의 전송 시간이 같다고 가정한다 (경로 대칭성).
• 셋째, 마스터와 슬레이브 모두 메시지를 보내거나 받을 때의 시간을 정확하게 측정할 수 있다고 가정한다.

7. 선택적 기능

IEEE 1588-2008 표준은 구현 시 선택적으로 지원할 수 있는 다음과 같은 기능을 정의한다.

• 대체 타임 스케일
• 그랜드마스터 클러스터
• 유니캐스트 마스터
• 대체 마스터
• 경로 추적
• 패스트 레이스

• 모듈형 투명 시계
• 내장 시간 배포 기능이 있는 전송과 인터페이스하기 위한 특수 PTP 포트
• 유니캐스트 ''Delay_Req'' 및 ''Delay_Resp'' 메시지
• BMCA(Best Master Clock Algorithm)를 무시하는 수동 포트 구성
• 비대칭 보정
• 동기식 이더넷과 같은 물리 계층 주파수 참조를 활용하는 기능
• 프로파일 격리
• 도메인 간 상호 작용
• 무결성 검사를 위한 보안 TLV(Type-Length-Value)
• 표준 성능 보고 메트릭
• 슬레이브 포트 모니터링

8. 관련 기술 및 표준

• ''정밀 시각 동기화 측정, 제어 및 통신에 관한 국제 IEEE 심포지엄''(ISPCS): IEEE가 주최하는 연례 행사로, 플러그 테스트, 논문 및 포스터 발표, 튜토리얼, PTP 관련 토론 등으로 구성된 컨퍼런스 프로그램이 포함된다.^[13]
• 취리히 응용과학 대학교/ZHAW 임베디드 시스템 연구소(InES): PTP의 실제 구현 및 적용을 다룬다.
• LXI: 테스트 및 측정 통신, 제어를 위한 표준으로, IEEE 1588을 핵심 기술로 사용한다.
• IEEE 802.1AS-2011: IEEE 오디오 비디오 브릿징 (AVB) 표준 그룹의 일부로, IEEE 802.1Q로 정의된 가상 브리지 로컬 영역 네트워크(VLAN)에서 시간 동기화를 위해 IEEE 1588-2008 표준을 활용하는 프로파일을 규정한다. 특히 802.1AS는 IEEE 802.3 (이더넷), IEEE 802.11 (Wi-Fi), MoCA가 모두 동일한 PTP 타이밍 도메인에 포함될 수 있도록 정의한다.^[14]
• SMPTE 2059-2: 방송 미디어 시스템 동기화에 사용되는 PTP 프로파일이다.^[15]
• AES67: 오디오 네트워킹 상호 운용성 표준은 SMPTE ST2059-2와 호환되는 PTPv2 프로파일을 포함한다.^[16]
• Dante: 동기화를 위해 PTPv1을 사용한다.^[17]
• Q-LAN^[18] 및 RAVENNA^[17]: 시간 동기화를 위해 PTPv2를 사용한다.
• 화이트 래빗 프로젝트: 동기식 이더넷과 PTP를 결합한 기술이다.
• 정밀 시간 프로토콜 산업 프로파일 (IEC 62439-3): 산업 자동화를 위한 PTP 프로파일(L2P2P 및 L3E2E)을 정의한다.
• IEC/IEEE 61850-9-3: IEC 61850에서 채택한 변전소 자동화용 PTP 프로파일이다.
• 병렬 중복 프로토콜 (PRP): 병렬 네트워크에서 산업 자동화를 위해 PTP 프로파일(L2P2P 및 L3E2E)을 사용한다.
• PTP는 전력 시스템의 광역 감시에서 안전한 시간 동기화 프로토콜로 적용하기 위한 연구가 진행 중이다.^[19]

참조

_[1] 웹사이트 IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, a Tutorial https://www.nist.gov[...] National Institute of Standards and Technology (NIST) 2005-10-10
_[2] 서적 Measurement, Control and Communication Using IEEE 1588 Springer Science+Business Media 2006-04
_[3] 웹사이트 IEEE 1588 Standard Version 2 - A Tutorial https://web.archive.[...] 2008-06-12
_[4] 웹사이트 1588-2019 - IEEE Approved Draft Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems https://standards.ie[...] IEEE 2020-02-15
_[5] 웹사이트 What's coming In the Next Edition of IEEE 1588? https://blog.meinber[...] 2020-02-15
_[6] 웹사이트 Meanings of common terms used in IEEE 1588 https://web.archive.[...] National Institute of Standards and Technology 2006-05-19
_[7] 웹사이트 AN-1838 IEEE 1588 Boundary Clock and Transparent Clock Implementation Using the DP83640 http://www.ti.com/li[...] Texas Instruments 2019-07-17
_[8] 간행물 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems IEEE 2008-07-24
_[9] 간행물 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems IEEE 2002-11-08
_[10] 간행물 Understanding and Applying Precision Time Protocol https://cdn.selinc.c[...] 2017-09-09
_[11] 간행물 Smart and Dumb PTP Client and the "so-called"Best Master Clock Algorithm http://www.fsmlabs.c[...] 2018-05-17
_[12] 문서 International standard IEC 61588: Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems. 2004.
_[13] 웹사이트 ISPCS website http://www.ispcs.org
_[14] 간행물 IEEE 802.1AS and IEEE 1588 https://www.itu.int/[...] 2010-05-28
_[15] 간행물 SMPTE Publishes First Two Parts of Standard Enabling Deployment of PTP-Timed Equipment in Existing SDI Plants https://www.smpte.or[...] Society of Motion Picture and Television Engineers 2015-05-21
_[16] 간행물 AES-R16-2016: AES Standards Report - PTP parameters for AES67 and SMPTE ST 2059-2 interoperability http://www.aes.org/p[...] Audio Engineering Society 2016-05-02
_[17] 웹사이트 Dead link https://www.smpte.or[...] 2022-02
_[18] 웹사이트 PTPv2 Timing protocol in AV networks https://www.luminex.[...] Luminex 2017-06-06
_[19] 간행물 2018 AEIT International Annual Conference IEEE 2018-12-17
_[20] 웹사이트 IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, a Tutorial https://www.nist.gov[...] National Institute of Standards and Technology (NIST) 2019-01-18
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_[23] 웹사이트 Meanings of common terms used in IEEE 1588 http://ieee1588.nist[...] Nation Institute or Standards and Technologies 2006-05-19
_[24] 간행물 IEEE 1588-2008 IEEE 2008-07-24
_[25] 문서 IEEE 1588-2002では、''Announce''メッセージによって運ばれる情報は''Sync''メッセージで運ばれる。IEEE 1588-2008では、''Sync''メッセージは最適化されており、この情報は''Sync''メッセージでは運ばれない。
_[26] 간행물 IEEE 1588-2002 IEEE 2002-11-08
_[27] 문서 IEEE 802.3イーサネット上のPTPは[[EtherType]] 0x88F7を使用する。
_[28] 문서 IEEE 1588-2002デフォルト以外のドメインは、宛先アドレス224.0.1.132 - 224.0.1.130を使用する（[[#ドメイン|ドメイン節]]を参照）。
_[29] 문서 ここで x は{{IETF RFC|2373}}に準拠したアドレススコープ（link-localの場合は2）である（[[マルチキャストアドレス#IPv6]]を参照）
_[30] 문서 一部のPTPアプリケーションでは、全てのPTPメッセージを01-1B-19-00-00-00に送信することが許可されている。
_[31] 문서 ピア遅延メッセージは、接続されている隣接者にすぐに伝播することを目的としている。これらのメッセージのマルチキャストアドレスはスコープ内でlink-localになるように設計されており、[[ルータ]]を通過しない。IEEE 1588-2008では、メッセージがルーティングされないことを保証するために、[[Time to live]](TTL)を1(IPv4)に、またはホップ制限を0(IPv6)に設定することも推奨されている。
_[32] 문서 ピア遅延メッセージングは、IEEE 1588-2002にはない。
_[33] 문서 IEEE 1588-2002では、「ドメイン」は（それらが互いに同期しているかどうかにかかわらず）相互接続されたクロックのセットとして定義し、IEEE 1588-2008でドメインと呼ばれるものは「サブドメイン」と呼ばれる。
_[34] 문서 IEEE 1588-2008では、全てのマルチキャストメッセージのアドレスとして224.0.1.129が使用されている。
_[35] 간행물 Understanding and Applying Precision Time Protocol https://cdn.selinc.c[...] 2017-09-09
_[36] 간행물 Smart and Dumb PTP Client and the "so-called"Best Master Clock Algorithm http://www.fsmlabs.c[...] 2015-09
_[37] 간행물 国際規格 IEC 61588: Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems 国際電気標準会議 2004