一、前言

        前面几篇文章介绍了Linux中的各种各样的时间、时钟源以及时间维护的方式，其中在timekeeper等数据结构中，我们当时略过了NTP相关的字段，为了补充这一段内容，从本篇开始会介绍时间同步的基本概念、及常见的时间同步协议，后面会介绍NTP校时的原理，以及硬件如何支持PTP协议。

二、时间同步的概念

        时间同步的含义，是指两个设备在宇宙维度的任意时刻，都可以取得相同的时间戳(timestamp)。时间戳就是时间的刻度，它的基本单位是秒，CIPM（国际计量大会）定义秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间

        时间同步有三个维度的意思：频率同步，相位同步，和时间同步。

1. 频率同步

        频率同步是指不同的信号在相同的时间间隔内有相同的脉冲个数。和脉冲出现的顺序和每个脉冲开始和结束的时间无关系。频率同步只关心不同的信号在相同的时间间隔内是否有相同的脉冲个数，而不关心脉冲出现的顺序以及开始和结束的时间，即信号1的脉冲是第1，2，3，4个脉冲，信号2的脉冲可以是第3，4，5，6个脉冲，而且每个脉冲开始和结束的时间可以不一样。频率同步要求每秒的变化，快慢是一致的。就像两块机械表，走时快的频率高，走时慢的 频率低。

图1. 频率不同步的2个时钟信号

图2. 频率同步的2个时钟信号

2. 相位同步

        相位同步是指两个信号具有相同的频率，并且每个脉冲的开始和结束时间也相同，但是和脉冲出现的顺序没有关系。一般计算机的时钟信号是上升沿触发。一个周期时钟信号一个上升沿。上升周期对齐就是 相位对齐就是相位同步。如果频率不同步，相位无法同步。

图3. 相位不同步的2个时钟信号

图4. 相位同步的2个时钟信号

 3. 时间同步

        时间同步是指两个信号具有相同的频率，相同的相位，并且脉冲出现的顺序也相同。以下面的两张图为例，两个信号具有相同的频率，而且脉冲出现的顺序也相同，即信号1和信号2都是按照脉冲1，2，3，4同时顺序出现的。如果信号1和信号2脉冲的相位没有同步好，我们可以说这两个信号的时间没有同步好，如下图5所示。而图6所示，则是很好的时间同步。

图5.时间不同步的两个时钟信号

图6.时间同步的两个时钟信号        

 4. 为什么需要时钟同步

        对于集中式系统，系统内部的时钟就是全局时钟，每个部件都可以实现在时间上的同步，即使晶振不准，大家一起快或者慢，是没有问题的。但是如果是分布式系统，每个子系统都有自己参考的时钟。要让每 个子系统都可以在同一时刻触发动作，就需要把每个系统的时钟进行同步。

三、常见的时间同步协议

        本节转载（常见时钟同步协议比较及解析-北斗邦泰）

        时钟同步协议可以分为两类：基于硬件的协议和基于软件的协议。基于硬件的协议通常依赖于专用硬件设备来确保时钟同步，例如全球定位系统（GPS）和IEEE 1588 Precision Time Protocol（PTP）。而基于软件的协议则是通过在计算机系统上运行的软件包来实现时钟同步，例如网络时间协议（NTP）和时钟同步协议（TSP）。

　基于硬件的协议通常具有更高的精度和稳定性，因为它们可以提供高精度和高分辨率的计时器。但是，这些协议的成本通常比基于软件的协议更高。另一方面，基于软件的协议通常较为简单并且适用于普通的硬件设备。

　　因此，在选择时钟同步协议时，需要考虑成本、精度和可用性等因素，根据具体情况做出选择。

1. NTP协议

        网络时钟协议（NTP）是一种基于UDP协议的协议，用于同步计算机系统的时钟。它是由David Mills在1985年创造的，目前已成为广泛应用于互联网的标准协议。NTP使用树形结构来实现时间同步。它分为时钟源和时钟客户端两个角色，时钟源提供时间标准，时钟客户端通过和时钟源通信来同步本地时钟。

　　在NTP中，存在不同级别的时钟源，称为本地时钟和外部时钟。本地时钟通过同步其他本地时钟来实现时间同步，而外部时钟通过GPS等信号来同步时间。由于NTP支持多个时钟源，它可以提供非常高的精度和可靠性。但是，其精度和可靠性也受到网络延迟、带宽限制等因素的影响。

        除了基本的时间同步功能外，NTP还具有其他功能，如纪元计数和主从模式等。纪元计数用于确认计时器从未被恶意更改，主从模式用于在多个主机之间同步时间。

2. PTP协议

         IEEE 1588 Precision Timing Protocol（PTP）是一种基于网络的时钟同步协议，旨在为工业自动化、电信和计算机应用提供高精度的同步服务。

　　PTP使用了分时比较同步的方法，基于时钟同步消息进行同步。它具有高精度、高可靠性和时延较小等特点。它使用Master-Slave模型，其中主节点负责分配计时信息和时间戳，在其他节点上生成同步时间戳。

　　PTP支持多个时钟源和层次结构，它可以实现子微秒级别的时钟同步。该协议通常用于实时应用中，例如工业自动化和航空航天领域。

3. 其他同步协议

        此外，还有其他一些常用的时钟同步协议，例如时钟同步协议（TSP）、日内时同步协议（ITS）、时隙同步协议（SSP）等。

　　时钟同步协议（TSP）是一种基于软件的协议，主要用于Unix系统中。TSP采用了时间递减算法，通过计算时间差异来同步时钟。日内时同步协议（ITS）是一种专为交易所设计的协议，用于确保不同交易所之间的时间同步。它使用PTP作为基础协议。

　　时隙同步协议（SSP）是一种针对TDMA网络的同步协议。该协议使用同步槽和时间标签来确保时钟同步。它通常用于低功耗无线传感器网络。

四、总结

        OK，本篇是一些基本概念的介绍，下一篇我们详细介绍NTP及NTP如何校时。