一. 简介
早在1985年，业界就提出了NTP(Network Time Protocol)(RFC1305)协议，可以将多台终端的时间同步在500us-50ms的精确度范围以内。在1992年，业界又有了SNTP（Simple Network Time Protocol）协议（RFC2030)，可以将多台终端的时间同步在50-150ms的精确度范围以内。之后在2002年，终于又有了更高精度的时间同步协议：PTP（Precision Time Protocol）(IEEE 1588-2002)，精度提高到了10ns-100us。后续2008年又提出了v2版本IEEE 1588-2008，进一步将精度提升到了1ns-500ns的时间范围内，这就是目前通用的纳秒级高精度时间同步协议了，也就是本文的重点分析内容。另外，在2019年，还有一篇补充文档IEEE 1588-2019 。再后续，还有针对音视频以及时延敏感网络的 IEEE 802.1AS。
二. 算法原理介绍
PTP的设计原理并不复杂：由一个绝对领导权的master发布时间并对slave们进行时间同步。精髓在于通过带上时间戳的请求及回复，了解双向链路各自的时延情况。
总体来说，一共会有四条消息，时序如下
- T1时间，master发送sync message给slave，收到的时间是T2
- master发送 sync follow up message
- T3时间，slave发送delay request message，收到的时间是T4
- master发送delay respond message
假设master相对slave时间偏差为Toffset，则T1 + Delay + Toffset == T2， 即 T2 - T1 == Delay + Toffset。我们想知道时间偏差，需要将时延的因素给去掉。
另一方面，T3 + Delay - Toffset == T4, 即 T4 - T3 == Delay - Toffset
所以 Delay == ((T2 - T1) + (T4 - T3)) / 2
时间偏差 Toffset == ((T2 - T1) - (T4 - T3)) / 2
对于slave，则应该将时间更新为time - Toffset
这里实际上在实现机制上存在两种：可以将follow up消息包含在sync message中一起发过去，省略一条消息，这种称之为One-Step Clock，反之则是Two-Step Clock。
为什么需要两种：两步对于那些T1时间创建而并未发送的包有奇效。
BMCA(Best Master Clock Algorithm)：确保只有一个grand master的存在，其实现机制类似于raft的leader election。
三. 源码分析
编译LinuxPTP，会得到多个可执行文件，其名字极其功能如下
- hwstamp_ctl(8)：用于获取/设置硬件时间戳，利用SIOCSHWTSTAMP ioctl(2)实现，属于debug工具，ptp4l不需要该工具实现时钟设置。
- nsm(8)：NetSync Monitor (NSM) client的实现，属于PTP协议扩展内容，用于监控网络内各支持NSM的客户端之间的时钟差值。
- phc2sys(8)：核心模块，用于同步系统内两个或者多个时钟。一般是获取来自ptp4ll的时间然后进行操作。
- phc_ctl(8)：用于控制PHC时钟设备。
- pmc(8)：PTP管理客户端（PTP Management Client)。
- ptp4l(8)：核心模块，包含Boundary Clock (BC), Ordinary Clock (OC), and Transparent Clock (TC)几个部分功能。
- timemaster(8)：使用ptp4l和phc2sys混合chronyd或者ntpd取同步NTP/PTP时钟源，通过比较选用最佳时钟。
- ts2phc(8)：同步PTP硬件时钟（PHC）给外部设备，可用于分发时间。
- tz2alt(8)：保存各种修改及时间调节的log到local time zone database。
四. 实现优化
可以通过netmap实现kernal bypass进行效率优化。
五. 智能网卡使用方案
参考思科手册，发现思科的智能网卡支持PPS和PTP两种模式，其中对于PTP多为slave，对部分产品亦可作为master。
六. LinuxPTP(ptp4l) vs ptpd
ptpd是比较早出现的，之后有一个叫做Richard Cochran的大佬发现了ptpd存在诸如版本老旧、代码庞杂且难以阅读、难以维护扩展等问题，并且在社区提出观点后未得到响应，于是自己写了ptp4l，并且意图实现跨操作系统并支持硬件时间戳的ptp版本。
