app_23_part 2_ptp

16

Click here to load reader

Upload: manash-kc

Post on 22-Jun-2015

9 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

app

TRANSCRIPT

Page 1: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

app23 

 

NTP (Network Time Protocol) 

and 

PTP (Precision Time Protocol)  

 

 

PART 2 ‐ PTP  

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

 

   

Introduction 

This paper addresses two protocols available for time transfer over Ethernet, NTP (Network Time Protocol) and PTP 

(Precision Time Protocol). The paper is in two parts, Part 1 for NTP, and Part 2 for PTP. Both protocols rely upon the 

exchange of information packets over a network. The packets contain time stamps defining when a packet was 

transmitted and when it was received, and by analyzing these timestamps it is possible to determine the relative time 

between the exchanging elements. Both protocols also contain mechanisms for the host to act as either a provider 

(server) of time or a recipient (client) receiving time. This paper is written more from the perspective of a time provider 

and does not cover in as much detail the receiving end of the transfer. 

NTP has been around for many years (since the early 1980's) and is widely used in many time and frequency applications 

today either just for a coarse time measure, supplemented by some other precision timing mechanism (e.g. 1PPS), or 

can be used directly for time stamping events in applications where precision of a few milliseconds is sufficient .   There 

are many NTP "clients" freely available for download on the internet which makes this a popular choice for many 

applications. 

The newer PTP (often referred to by the name of the standard that defines it, IEEE 1588) was first introduced in the early 

2000's and adds additional capability allowing much higher precision of time transfer (sub microseconds) albeit at 

greater complexity. PTP is now in its second iteration (IEEE 1588 ‐ 2008, or PTP v2). This second  iteration includes 

additional features to achieve higher accuracies, e.g. inclusion of a capability that allows application specific "profiles" 

that provide better estimation of timing delays etc. to be expected in particular application situations.  

Both protocols also provide different "modes" of operation whereby a provider (server) may interact directly with a 

request from a receiver (client) in "Unicast" mode, or when operating in "Multicast" mode, may send the time message 

at regular intervals to a pre‐defined IP address, from which multiple clients receive the data. 

   

Page 3: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

PART 2 ‐ Precision Time Protocol (PTP) In many ways, PTP (Precision Time Protocol) has been built upon the success of NTP but with some important 

differences, and additional complexity needed to provide the enhanced accuracy. The initial IEEE standard (IEEE 1588) 

for PTP was published in 2002. Several years later the Standard was revised and improved,  and a new version, IEEE 1588 

‐ 2008, was released , often referred to as PTP v2. PTP v2 is not compatible with PTP v1. This discussion primarily relates 

to PTP v2. 

 In concept PTP is similar to NTP, with message packets containing  timestamps being passed between "Master Clocks" 

(equivalent to NTP servers) and "Slave Clocks" (similar to NTP clients). These Master and Slave clocks are referred to 

collectively as "Ordinary Clocks" in the PTP nomenclature. Also whereas NTP typically utilizes one basic message, PTP has 

a number of different messages (actually a total of 10 types in PTP v2), with considerably more information being passed 

to and fro.  

From here on out however NTP and PTP diverge rapidly.  

First, the PTP second is not based upon UTC but upon another international time scale called TAI (from the French 

"Temps Atomique International", or International atomic time). TAI does not have "leap" seconds like UTC. When UTC 

was introduced (January 1, 1972) it was determined there should be a difference of 10 seconds between the two time 

scales. Since then an additional 25 leap seconds (including one in June 2012) have been added to UTC to put the current 

difference between the two timescales at 35 seconds. 

By default PTP uses the same "epoch" (i.e. origination or reference start time and date of the timescale) as UNIX time, of 

00:00, January 1, 1970. In PTP v2 however the option was introduced within the "profile" capability to choose a different 

epoch if more appropriate for a specific application. The UTC offset is transmitted as part of the "announce" message by 

the "Grand Master" clock (see below). The GPS time epoch is 00:00 on January 6, 1980 

PTP seconds = NTP seconds ‐ 2,208,988,800 + leap seconds    and  PTP seconds = GPS seconds ‐ 315,964,819 

 

 Second, in a multi clock, multi network PTP system,  one of the "ordinary" clocks in each network is designated as a 

master (time server) and in the complete time distribution system there is also one time source designated as the 

"Grandmaster" that is the reference for all the other clocks. In addition to the "ordinary"  clocks there are two more 

clock types, the "boundary" clock, and a newly introduced clock type (in PTPv2) the "transparent" clock. A boundary 

clock connects to multiple networks, transferring the time stamped PTP messages between them. The new 

"transparent" clock also connects between networks, but modifies the PTP messages by adding a correction 

(correctionField in PTP header ‐ see below) for the timestamps to account for the time spent traversing the networks i.e. 

making the time spent traversing networks "transparent". 

 

Third, the obtainable time transfer accuracy is ultimately dependent upon the precision of the message time stamping, 

and to this end there is an optional "hardware assisted" enhancement to PTP that brings this time stamping mechanism 

as close to the actual receive/transmit ports as possible (eliminating the delays/jitter caused by relying on software 

interrupts). Special integrated circuits are available to help with the implementation of this hardware time stamping 

(e.g. National Semiconductor DP83640).   

Page 4: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

Message Interchange Overview. 

Before examining each of the individual PTP messages, it is useful to review the message exchanges that take place 

within a PTP domain. There are two phases to establishing (or joining) a PTP domain. 

Phase 1. 

In Phase 1 a hierarchy of clocks is established to determine which clock should be designated as "master" ( the 

controlling source of time for this domain) and which clocks will be members. Each port of each of the clocks (ordinary 

clocks and boundary clocks) establishes its own role based upon information received in "Announce" messages from 

ports of the other clocks that are in the "master" state. The received data is compared to its own "local" clock data and 

determines whether it should be "master" or just a "member"  of the domain. 

Phase 2 

Once hierarchy has been established as described in Phase 1, the clocks in the domain are synchronized by exchanging 

the following synchronization messages; 

Master to Member    sync message time stamped when sent by Master and time stamped when received by Member 

Member to Master  delay_request message time stamped when sent by Member and time stamped when received  

      by Master 

Master to Member  delay_response message (includes Master delay_request time stamp) 

Member     uses the time stamp data to synchronize to Master 

 

In all there are ten different messages used within the PTP protocol, each message having its own specific function 

within the overall protocol design. Descriptions of the structure and function of these messages is provided on the 

following pages.  

There are also "one step" and "two step" systems. A two step system uses "follow up" messages to supply the critical 

time stamp information. The reason for the two step system is that it is less demanding (therefore less expensive) to 

precisely record the time stamp and then insert it into a follow up message than trying to insert the data into a message 

in real time. 

 

   

Page 5: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

PTP v2 Messages. 

 

There are a total of ten different types of PTP messages, split into two groups (Event and General)  as follows; 

 

      Message      Length (bits)  Function Event Messages       Sync        352    Clock synchronization        Delay_Req      352    Clock synchronization        Pdelay_Req      432    Point to point delay characterization        Pdelay_Resp      432    Point to point delay characterization General Messages       Announce      512    Establishment and maintenance of clock                    hierarchy/Best master clock algorithm(BMC)        Follow_Up      352    Clock synchronization (two step system)        Delay_Resp      432    Clock synchronization        Pdelay_Resp_Follow_Up  432    Point to point delay characterization        Management        384+m(octets)  Query/update PTP data sets, system 

              where m is  customization, event generation, system 

              determined  initialization, fault generation/reporting  

              by the data to   

              be sent 

 

      Signaling      48 + n(octets)  Used to pass Type/Length/Value variables 

               where n is   between system elements. 

              determined  

              by the data to  

              be sent 

 

The event messages are time critical and the accuracy of their time stamping has a direct impact on the distributed time 

accuracy. The Pdelay_XXX messages are used for determining point‐to‐point link propagation time between clocks, and 

are not forwarded by boundary clocks or transparent clocks.  

Although the data within the general messages is important to the functioning of PTP, the transmit and receipt 

timestamps do not impact system accuracy. 

   

Page 6: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

The PTP Message Header 

All of the above messages start with a 272 bit header. This header provides the following information fields; 

 

Field      Length  Description 

 

transportSpecific  4 bits  Currently two valid values: default = 0,  802.1AS = 1 

  

messageType    4 bits  Identifies the message type (Sync, Delay_Req etc.) by number 

        SYNC=0x0, DELAY_REQ=0x1, PDELAY_REQ=0x2,PDELAY_RESP=0x3,         FOLLOW_UP=0x8, DELAY_RESP=0x9, PDELAY_RESP_FOLLOW_UP=0xA,         ANNOUNCE=0xB, SIGNALING=0xC, MANAGEMENT=0xD  reserved     4 bits 

 

version PTP     4 bits  Currently could be 1 or 2 (IEE 1588 ‐ 2002 or IEEE 1588 ‐ 2008 respectively) 

 

messageLength   16 bits  Full length of message including header, body and any suffix (but not padding) 

 

domainNumber   8 bits  Value can be 0 to 128 and identifies the (clock) domain # to which this clock belongs. 

 

Reserved    8 bits 

 

Flags      16 bits  Alternate Master, two step, Unicast, Profile Specific 1, Profile Specific 2, Security,         Leap Indicator 61, Leap Indicator 59, UTC Reasonable, Timescale, Time Traceable,          Frequency Traceable  correctionField    64 bits  clock corrections, 48 bits nano seconds, 16 bits sub nano seconds for residence time in  

        transparent clock, also path delay for peer‐to‐peer transparent clocks. 

 

Reserved    32 bits 

 

sourcePortIdentity  80 bits  identifies the originating port for this message 

 

sequenceID    16 bits  sequence number for message type 

 

controlField    8 bits  value depends upon message type (from PTP v1) 

 

logMessageInterval    8 bits  stored as 2n e.g. for interval of 0.125 seconds Message Interval = ‐3   (i.e. 2‐3) 

Value is determined by the type of message (Sync maybe -3, Announce maybe 3)

   

Page 7: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

Message formats are as follows: 

Message    Content      Length    Description  Sync      Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       originTimestamp    80 bits    48 bits for seconds, 32 bits for nano seconds  Delay_Req    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       originTimestamp    80 bits    Epoch(16 bits), Seconds(32 bits),nano seconds                    32 bits. (Epoch contains seconds overflows)  Pdelay_Req    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       originTimestamp    80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)       reserved      10 bits  Pdelay_Resp    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       receiveReceiptTimestamp  80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)       requestingPort Ientity    10 bits    The sourcePortIdentity from the header  of the                    associated PDelay_Req message of the delay                    requester peer‐to‐peer clock that requested                    this message  PDelay_Resp_Follow_Up Header      272 bits   PTP message header ‐ see above       responseOriginTimestamp  80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)       requestingPort Ientity    10 bits    The sourcePortIdentity from the header  of the                    associated PDelay_Req message of the delay                    requester peer‐to‐peer clock that requested                    this Pdelay_Resp  message  Announce    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       originTimestamp    80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)       currentUtcOffset    16 bits    UTC offset       reserved      8 bits       grandmasterPriority 1    8 bits    Designated priority 1       grandmasterClockQuality  32 bits    Quality of clock       grandmasterPriority2    8 bits    Designated priority 2       grandmasterIdentity    64 bits    Identity of Grand Master       stepsRemoved      16 bits    # of steps away from Primary Clock Source       timeSource      8 bits    Master time source  Follow_Up    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       preciseOriginTimestamp  80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)    Delay_Resp    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       receiveTimestamp    80 bits    Epoch,  Seconds, nano seconds(16,32,32)       requestingPort Identity    80 bits    

Page 8: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 Signaling    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       targetPort Identity      80 bits   Identity of target       one or more TLV's      N bits    Target, Length Value identifiers (N is dependent                   upon specific TLV)  Management    Header        272 bits   PTP message header ‐ see above       targetPort Identity      80 bits   Identity of target       startingBoundaryHops        8 bits   number of boundary clocks that this message is                    allowed to be retransmitted by        boundaryHops          8 bits   the number of remaining boundary clock                    retransmissions left for this particular                     message, request or reply. Identical value to                   startingBoundaryHops field for initial                      transmission from issuing clock/node.       reserved/Action field(4bits)        8 bits  Type of action for this message. (Get, Set,                    Response, Command, Acknowledge)            reserved           8 bits         managementTLV         M bits  Target, Length, Value. M=48+N (see below)    format of the managementTLV fields is:       tlvType        16 bits    should be set to "Management" (0x01)       lengthField      16 bits    length of the TLV.       managementID     16 bits    Identifies the type of management message this                   is e.g. Initialize, Enable_Port, Disable_Port       dataField      N octets  dependent upon managementID     

 

 

   

Page 9: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

All PTP messages are Multicast, with an option in PTP v2 for a Unicast mode. Separate ports are used for Event and General type messages. Event messages are sent to port 319, and General messages use port 320.  The multicast address for most of the messages in PTP v2 is: IPv4     224.0.1.129    IPv6  FF0x::181  Peer delay messages (Pdelay_Req, Pdelay_Resp and Pdelay_Resp_Follow_Up) however use a different multicast address: IPv4     224.0.0.107    IPv6  FF02::6B  The peer to peer delay messages are not intended to be transmitted between different clock domains (or networks) and therefore time to live should be set to 1 (hops to 0 in IPv6)  If  operating in Unicast mode, message are sent back to the originating Unicast address.   Best Master Clock Algorithm (BMC)  One of the key aspects of PTP is the BMC. The algorithm selects the best clock in a clock domain according to the following properties that are contained within the Announce message fields:  grandmasterIdentity      ‐  this 64 bit field contains up to 8, 8 bit clock identities, usually based on MAC address grandmasterClockQuality ‐   this 32 bit field contains a structure consisting of three sets of data:   clockClass     unsigned 8 bit integer (default class is 248, 13 is when synchronized to an application          specific source and also indicates should not be slaved to another clock) See note 1.   clockAccuracy    8 bit enum (0x20= 25ns...0x31+>10ns, 0xFE=Unkown ). See note 2.   offsetScaledLogVariance 16 bit unsigned integer indicating the clock stability. See note 3. grandmasterPriority 1   ‐     |  Two 8 bit fields used to indicate the clock precedence. If set to mid point (128) grandmasterPriority 2  ‐     |  allows easy control of BMC algorithm  The BMC algorithm evaluates and selects based on the above properties in the following order; grandmasterPriority 1 grandmasterClockQuality grandmasterPriority 2 grandmasterIdentity     

Page 10: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

Note 1.  Clock Classes)  0   Reserved to enable compatibility with future versions. 1‐5   Reserved 6   Designates a clock that is synchronized to a primary reference time source. The timescale distributed is   PTP. A clock Class 6 clock shall not be a slave to another clock in the domain. 7   Designates a clock that has previously been designated as clock Class 6 but that has lost the ability to   synchronize to a primary reference time source and is in holdover mode and within holdover specifications. The   timescale distributed is be PTP. A clock Class 7 clock shall not be a slave to another clock in the domain. 8   Reserved 9‐10   Reserved to enable compatibility with future versions. 11‐12   Reserved 13   Designates a clock that is synchronized to an application specific source of time. The timescale distributed   is ARB*1. A clock Class 13 clock shall not be a slave to another clock in the domain. 14  Designates a clock that has previously been designated as clock Class 13 but that has lost the ability to   synchronize to an application specific source of time and is in holdover mode and within holdover specifications.   The timescale distributed shall be ARB *1. A clock Class 14 clock shall not be a slave to another clock in the   domain. 15‐51   Reserved 52   Degradation alternative A for a clock of clock Class 7 that is not within holdover specification. A clock of   clock Class 52 shall not be a slave to another clock in the domain. 53‐57   Reserved 

58   Degradation alternative A for a clock of clock Class 14 that is not within holdover specification. A clock of   clock Class 58 shall not be a slave to another clock in the domain. 59‐67   Reserved 68‐122  For use by alternate PTP profiles 123‐127 Reserved 128‐132 Reserved 133‐170 For use by alternate PTP profiles 171‐186 Reserved 187   Degradation alternative B for a clock of clock Class 7 that is not within holdover specification. A clock of   clock Class 187 may be a slave to another clock in the domain. 188‐192 Reserved 193   Degradation alternative B for a clock of clock Class 14 that is not within holdover specification. A clock of   clock Class 193 may be a slave to another clock in the domain. 194‐215 reserved 216‐232 For use by alternate PTP profiles 

233‐247 Reserved 248   Default. This clock Class is used if none of the other clock Class definitions apply. 249‐250 Reserved 251   Reserved for PTP version 1 compatibility 252‐254 Reserved 255 Shall be the clock Class of a slave‐only clock 

*1.   ARB is ARBitrary time scale, running at the rate of the SI second but with its epoch set arbitrarily. 

Page 11: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

Note 2. Clock Accuracy 

0x00‐0x1F   reserved 0x20     Accurate to within 25 ns 0x21     Accurate to within 100 ns 0x22    Accurate to within 250 ns 0x23     Accurate to within 1 us 0x24     Accurate to within 2.5 us 0x25     Accurate to within 10 us 0x26     Accurate to within 25 us 0x27     Accurate to within 100 us 0x28     Accurate within 250 us 0x29     Accurate to within 1 ms 0x2A    Accurate to within 2.5 ms 

0x2B    Accurate to within 10 ms 0x2C    Accurate to within 25 ms 0x2D    Accurate to within 100 ms 0x2E     Accurate to within 250 ms 0x2F     Accurate to within 1 s 0x30     Accurate to within 10 s 0x31     Accurate to >10 s 0x32‐0x7F   reserved 0x80‐0xFD   For use by alternate PTP profiles 0xFE     Unknown 0xFF     reserved 

  Note 3. Calculation of offsetScaledLogVariance  As detailed in standard 802.1AS‐2011, the value of the offsetScaledLogVariance is calculated according to the value of PTPDEV at an observation interval equal to the default Sync message transmission interval (0.125 seconds).  The default value provided in the 802.1AS‐2011 standard is based on measurement data for an inexpensive oscillator and yields an offsetScaledLogVariance value of  17258 (or in Hexadecimal 0X436A) ‐ this is a corrected value based on recalculating from the revised 802.1AS TDEV mask (the original value was 16640 (0X4100).   The value of offsetScaledLogVariance for a precision GPS based local clock with a high performance OCXO is calculated 

as follows; 

start with the Allan Deviation of the OCXO at the sync message time interval of 0.125 seconds (see chart below);  

 

1.00E‐13

1.00E‐12

1.00E‐11

1.00E‐10

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000 10000.000 100000.000

Averaging Time, Seconds

ptf 3203A Frequency Stability

Page 12: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

   

  Allan Deviation(0.125 seconds)   =  σy(0.125)   =   4.964 x 10‐12  (from chart above)  

next calculate PTPDEV = Allan Deviation x τ /(3)  

  PTPDEV   .  

      4.964 10 .

 

  PTPDEV   =  3.582 x 10‐13  =   0.3582 pico seconds    

next, the PTP variance  ( PTPDEV2  i.e.  σ2) is calculated  

  PTP VAR   =   (σy2PTP)   =   ( 3.582 x 10‐13 )2    =    1.2831 x 10‐25  

 to calculate the offsetScaledLogVariance the log base 2 of PTP VAR is taken, and then multiplied by 28 to produce a scaled value ;  

  log2 (σy2PTP)    =   log10 (σy

2PTP)/ log10 2 

        =  ‐24.8917/0.301         =  ‐82.6886 

 

  28 x log2 (σy2PTP)   =   ‐21168.282      

   which is then truncated to give    

  28 x log2 (σy2PTP)   =   ‐21168 

   Represented in hexadecimal this gives 0xAD50  now the two's complement is taken and 0x8000 is added to the result :     (0xFFFF ‐ 0xAD50) + 0x8000   =  0x52AF + 0x8000   yielding an offsetScaledLogVariance of  =  0xD2AF              =  53935 in decimal notation      Therefore for an instrument such as the ptf 3203A fitted with a high performance OCXO the offsetScaledLogVariance value would be 53935     

Page 13: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 Clock Synchronization  Once the clock hierarchy has been established (i.e. a master has been selected) through interchange of "announce" messages and use of the BMC (Best Master Clock) algorithm the process of synchronizing the member clocks to the master can begin.   In the example below, we show the passage of the event messages through End to End (E2E) transparent clocks (TC). The E2E TCs add a correction into the correction field of the message header, for the time taken for a message to traverse the TC, thus making the TC "transparent".  

   

Page 14: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

From the above diagram;  Clock Offset   =  ( T2 ‐ T1) ‐ ( mpd )    where mpd = mean path delay mpd       =  ((T2‐T1) + (T4‐T3))/2    mean path delays are assumed to be symmetrical  Therefore; Clock offset = (T2 - T1) - (T2-T1)/2 - (T4-T3)/2 = (2*T2 - 2*T1 - T2 +T1 )/2 - (T4-T3)/2 = (T2 -T1)/2 - (T4-T3)/2 or re-written; Clock offset = [ (T2-T1) +(T3 - T4) ] / 2 which of course is exactly the same equation we had for NTP  Summary 

 

Precision Time Protocol comprises two message types namely, system management and synchronization. In PTP v2, 

synchronization message lengths have been reduced for higher efficiency,  and are now either 352 bits long (Sync etc.) 

or 432 bits long (Delay_Resp) and are sent at a default interval of 0.125 seconds each. System management messages 

are typically greater in length, but are sent at much reduced intervals (e.g. 2 seconds). 

 

The attainable accuracy of PTP comes from the precision of time stamping (can be enhanced with special hardware time 

stamping) and additional fields provided within the protocol for other network delay correction factors.  

 

PTP is more suited to operating within Local Area Networks than on Wide Area Networks, as cascading a large number 

of system elements can result in a significant increase in time errors. 

 

Used within closed networks, PTP provides an economically attractive solution to time synchronization requirements 

down to microsecond levels (1 to 10 microseconds). With hardware assisted time stamping and a carefully controlled 

network it is possible to achieve synchronization down to sub microsecond levels.   

 

It should also be noted that typically manufacturers of PTP clocks quote the time stamping accuracy on specifications, 

not the synchronization accuracy across a network. This is understandable as there are many factors and variables 

within a network that will ultimately have an impact on the actual synchronization accuracy that is attainable using PTP. 

 

The telecommunications industry is becoming a driving force in the PTP market. GSM, WCDMA, and CDMA2000 telecom 

standards all require frequency accuracies of around 5x10‐8 at the air interface. The CDMA2000 and WCDMA standards 

also require timing synchronization accuracies of <10 microseconds and <1.25 microseconds respectively, making them 

an ideal target for a PTP solution. 

 

A table showing some typical application frequency and timing requirements for which PTP could be considered a good 

solution is shown below. 

Page 15: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

Application  Frequency  Accuracy (df/F) 

Phase Accuracy(seconds) 

Time  Accuracy(seconds) 

Telecommunications       

CDMA2000  5E‐8     10E‐6 

WCDMA(TDD)  5E‐8  2.5 E‐6   

GSM  5E‐8     

TD‐SCDMA  5E‐8  3E‐6   

LTE(eMBMS with SFN)  5E‐8  1E‐6   

WiFi       

Mobile WiMax  5E‐8  1E‐6   

Smart Grid(Power Utilities)       

Fault Detection/Recording    1E‐3  1E‐3 

Bus Synchronization    1E‐6  1E‐6 

Data Acquisition    1E‐6  1E‐6 

 

 

 

 

   

Page 16: App_23_part 2_PTP

 

Precise Time and Frequency, Inc. 50L Audubon Road, Wakefield, MA 01880, USA 

Tel: +1 781 245 9090    Fax: +1 781 245 9099  www.ptfinc.com 

 

Part 1 and Part 2 Conclusions  

NTP and PTP both have a place within the time synchronization world, and both have significant benefits to offer in the 

right applications. PTP utilizing standard network cabling is well positioned to economically fill a void between NTP and 

direct 1PPS (One Pulse Per Second) timing synchronization that requires dedicated local hardware. 

 

NTP has been established for over twenty years, and there are many hardware and software solutions available for 

implementation, whereas due to its relatively recent introduction, the number of hardware and software solutions 

available for implementing PTP is still very limited. As PTP becomes more popular, especially in high volume consumer 

driven applications such as telecommunications,  additional hardware and software solutions will inevitably become 

available, providing end users with a broader choice of system implementations.  

 

As PTP is ultimately derived from some form of local clock, most typically a GPS receiver, it will never be able to provide 

a better accuracy than the clock upon which it relies. For ultimate synchronization accuracy, down to a few tens of nano 

seconds,  a 1PPS timing pulse remains the preferred solution as it is capable of delivering the clock accuracy directly to 

the synchronization port. This can be supplemented with NTP (or PTP) to obtain "absolute" time referenced to UTC.