时间同步概述
本文涉及的时间同步协议包括：NTP、PTP。泛泛而谈，以构建对时间同步的基本认识。
当我第一次接触时间同步的概念时，是很疑惑的。为什么要做时间同步？时间同步是什么？为什么会有各种各样的协议？本文将尽量以我的认识从几个方面解答：
- 什么是时间同步；
- 为什么要做时间同步；
- 时间同步协议的基本原理；
1和2是困扰我比较久的问题，3则是可以通过代码和文档直接获得的知识，没有太多的阻塞点。
什么是时间同步
对时间同步最直接的理解，就是同步不同“设备”之间的时间，让他们保持一致。
比如我们日常使用的电脑、手机，在连网的状态下，可以发现这些设备的时间一般都可以在“秒”的数量级上保持一致。而对于一些机械手表、老式的电子手表等，它们显示的时间误差有时候可能到“分钟”甚至“小时”数量级。
对于机械手表之类的设备，一般通过人类手动做时间同步，一方设备是手表（目标时钟），另一方设备是电脑或者电视直播等可信度较高的时钟源，但是通过人类手动操作（同步方式），这种同步方式的精度和效率都不高。而对于电脑、手机等设备（目标时钟），一般通过网络（同步方式）和网络上的另一方设备（时钟源）自动同步时间，这种同步方式的精度和效率都较高。
这些方式可以总结出来一些包含共性：
- 源时钟
- 目标时钟
- 同步方式（协议）
源时钟和目标时钟不一定是具象的设备，也可以是软件等虚拟设备。上文涉及的同步方式，具体化就是：
- 私有协议（手动方式，每个人的操作不一定完全一致）
- NTP（网络时间协议）
我们日常使用的UTC时间是一个相对的时间，通过UTC时间，可以比较直观的判断出现在是上午还是下午，这种时间方式偏向于人类可读性。时间是相对的，我们所能接触到的所有时间都是从某个节点开始记为0时刻，然后按照某个周期时间计数器累加，这个累加的计数器给出的值就是时间戳，当然，其单位可以有很多，比如1ms、5ms、1/12ns等等，甚至也可以不需要单位，时间戳偏向于机器可读性。
为什么要做时间同步
首先，结合上文的例子，以及生活经验，可以认识到时钟设备一个问题：自身精度问题，比如某个时刻调整好了手表的时间，但是没准几天后就慢或快了几分钟，又需要再次调整。对于手机、电脑这些设备，出于成本考虑，精度也不会太高，只不过相较于机械手表等设备可能要好一些。造成精度差异的原因之一，就是定时器自身的频率和稳定性之间的差异。
对于这些设备，如果只在出厂后调整一次时间，那么在使用过程中，设备的时间和真实时间的偏差就会逐渐增大，直至完全无法满足需求。不会有人愿意，明明定好了早上8点的闹钟，按时起床，结果外面太阳居然已经落山了这样的事情发生。为了解决这个问题，很自然的想法就是，每间隔一段时间，就调整一次时间。时间同步一般具有周期性。
另外，通过上面的例子也可以发现，不同的同步方式（下文就以协议称呼了）带来的同步精度也是不一样的。手动调整手表的误差可能是几秒，又因为调整周期较长，这种误差会逐渐扩大到几分钟；NTP的误差可能是几十毫秒，又因为通过软件自动调整的周期较小，即使误差扩大，也会很快纠正回来，所以一般也不会超过秒的数量级。
对于日常使用来说，秒或毫秒级别的误差就已经足够了。但是对于某些工业生产或者安全性较高的自动化过程来说，毫秒级别的误差太大。对于搭载激光雷达的自动驾驶方案，激光雷达输出的点需要和摄像头采集的帧作匹配（或许也有其他信号），这时候厂商一般会需要微妙级的精度（不知是否是车规要求）。使用NTP协议，很难满足这种精度要求。所以会有其他的时间同步协议，比如PTP，来满足更高精度的同步要求。
所以，为什么需要时间同步？
我们生活的很多方方面面都需要查看时间，人需要查看时间，机器也需要查看时间，又考虑到高精度硬件时钟的成本原因，那么就一定会涉及到时间同步。如果未来我们所有的时间设备都使用独立的标准原子钟，那么时间同步就不再是一个问题了，只需要出厂时同步时间即可。
NTP、PTP和手动调表没有区别，它们可以理解为是为了不同的精度需求和场景限制，而发明的不同“调表”方式。
时间同步协议的基本原理
以上，解答是什么和为什么两个问题，现在简单总结一下：
- 时间同步是什么？时间同步就是调表。
- 为什么要做时间同步？一般的表容易走偏，一段时间后的误差就不可接受，所以需要经常调。如果每个表的走时都一样，那就不存在调整了，只需出厂时调整一次即可。
考虑了比较久这一小结应该如何构建，本想通过代码或者协议文档来细节讲解。但是那样文章篇幅可能很大，需要查阅的代码量也很大。以后自身回看时也不一定真的能全部看完。所以，还是决定按照我此前对时间同步的学习步骤来，先作概念和原理性的学习，未来再查阅也能提供思路和方向。如果之后再涉及到了代码，再来深究。
以下，将介绍NTP、PTP时间同步协议的主要思想。
NTP
NTP算是我们日常能接触最多的时间同步协议，基本每台手机、电脑都使用NTP协议做时间同步。这就容易想到，NTP要面对的是一个巨大且复杂的网络，这种情况下，一般就需要客户端主动和服务端通信以同步时间。NTP通过一次完整的通信，就可以获取时间差。
同步步骤为：
- 客户端向服务器发送请求，并将发送时间戳T1一并发送
- 服务器收到请求后，记录收到时间戳T2，然后向客户端发送响应，并将T1、T2和发送时间戳T3一并发送
- 客户端收到响应后，记录收到时间戳T4
通过这个步骤，客户端可以计算出网络延迟（delay）和偏差（offset）。原理如下：
- T1、T4是客户端的时间戳，T2、T3是服务器的时间戳
- 假设客户端和服务器完全同步，那么T2 - T1 = delay，T4 - T3 = delay
- 但是客户端和服务器存在偏差offset，先记为服务器 = 客户端 + offset
- 那么公式修改为：T2 - (T1 + offset) = delay，T4 + offset - T3 = delay
- 根据3, 公式调整为：T2 - T1 = delay + offset，T4 - T3 = delay - offset
- 根据4，可以计算出offset = (T2 - T4 + T3 - T1) / 2，delay = (T2 - T1 + T4 - T3) / 2
通过这个公式，可以看出NTP作了一些假设：
- 网络延迟是对称的，即客户端到服务器的延迟和服务器到客户端的延迟是一样的
- 同步的时间段内，偏差是不变的（一般来说同步时间段内的偏差会小于同步精度）
PTP
PTP相对NTP来说，使用场景里面涉及到的设备数量少的多，只需要面对若干已知设备。数量的减少和可信度的提高，可以想象PTP的一般模式：
- 广播（组播也可以单播）消息（设备数量少，所以对网络影响小）
- 同步频率高
- 自适应主从模式（设备可信度高，所以只要有满足条件的设备，就可以尝试设置为主时钟设备）
PTP时间同步的基本原理如何？如图：
用文字描述这个步骤就是：
- 主时钟发送Sync报文，并记录Sync报文的发送时间戳T1，从时钟收到Sync报文，并记录收到的时间戳T2
- 主时钟发送Sync报文后，立即发送Follow_Up报文，其中包含了记录的时间戳T1
- 从时钟受到Follow_Up报文后，向主时钟发送Delay_Req报文，然后记录发送时间戳T3
- 主时钟收到Delay_Req报文后，记录收到时间戳T4，然后向从时钟发送Delay_Resp报文，其中包含了T4
以上，从时钟获得了T1、T2、T3、T4四个时间戳，那么就可以计算出主从时钟之间的延迟（delay）和偏差（offset）。原理如下：
- T1、T4是主时钟的时间戳，T2、T3是从时钟的时间戳
- 假设主时钟和从时钟完全同步，那么T2 - T1 = delay，T4 - T3 = delay
- 但是主时钟和从时钟存在偏差offset，先记为主时钟 = 从时钟 + offset
- 那么公式修改为：T2 + offset - T1 = delay，T4 - (T3 + offset) = delay
- 根据4, 公式调整为：T2 - T1 = delay - offset，T4 - T3 = delay + offset
- 根据5，可以计算出offset = (T4 - T3 - T2 + T1) / 2，delay = (T2 - T1 + T4 - T3) / 2
通过这个公式也看出，PTP作了一些假设：
- 网络延迟是对称的，即主时钟到从时钟的延迟和从时钟到主时钟的延迟是一样的
- 同步的时间段内，偏差是不变的（一般来说同步时间段内的偏差会小于同步精度）
可以发现，这些基本假设和NTP是一致的，计算公式也是一致的，再参考上一篇文章《clockdiff时间差测量原理》，这两种假设看起来是网络时间测量、同步的共性。
PTP和NTP原理类似，但是也有一些区别：
- PTP作一次时间同步的通信次数为4次，而NTP为2次
- PTP由服务端主动发起通信，NTP由客户端发起通信
通信次数的区别影响的是携带时间戳的精确性。对NTP，收发时间戳来自应用层；对PTP，收发时间戳来自数据链路层。从数据链路层获取时间戳，可以减少报文在设备内部处理时间的影响，提高时间戳的精确性。
如果更进一步，PTP还有不少高级特性，比如：主时钟选择、E2E和P2P模式、透明时钟、硬件时钟、频率同步（“调表”可以认为是相位同步）等等。