IEEE 802.1AS — Ethernet AVB 네트워크의 모든 노드가 공통 시간축(wall time)을 갖도록 동기화하는 표준. IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)의 프로파일로 정의되어, 1588의 옵션을 대폭 축소·고정해 Ethernet/Wi-Fi 환경에 특화된 동기화 절차를 제공한다. 카메라·오디오·AVTP 스트림이 동일 시간 기준으로 타임스탬프를 찍고 재생되도록 하는 AVB의 시간 기준점.
IEEE 1588 PTP 개요
IEEE 1588은 Precision Time Protocol(PTP)로 불리는 정밀 클럭 동기화 표준. 네트워크를 통해 실시간으로 노드 간 시각을 동기화한다.
기본 용어
| 용어 | 의미 |
|---|---|
| Grandmaster clock (GM) | PTP 네트워크에서 시간 기준이 되는 최상위 클럭 |
| Master clock | 해당 포트가 다른 포트들의 시간 기준이 되는 상태 |
| Slave clock | Master clock의 포트에 동기화되는 상태 |
| Node | PTP 패킷을 수신할 수 있는 장치 |
| Time stamping | 메시지 송수신 시간을 기록하는 행위 |
| Best Master Clock Algorithm (BMCA) | 최적의 GM을 선정하는 알고리즘 (ANNOUNCE 메시지 비교) |
동기화 원리
Master와 Slave는 PTP 메시지로 시간 정보를 교환하여 Offset과 Delay를 계산·보정한다.
- Offset = — Slave와 Master의 시각 차이. 예: Master보다 Slave가 2초 늦으면 Offset = −2초.
- Delay — Master와 Slave 사이 메시지 도달 시간. 직접 측정 어려워 4-메시지 교환으로 추정.
4-메시지 교환 절차
Master(M), Slave(S) 간 4개 메시지로 를 수집한다.
| 메시지 | 방향 | 내용 |
|---|---|---|
| SYNC | M → S | M 전송 시각 , S 수신 시각 기록 |
| FOLLOW_UP | M → S | 이전 Sync의 을 S에게 전달 |
| DELAY_REQ | S → M | S 전송 시각 , M 수신 시각 기록 |
| DELAY_RESP | M → S | 를 S에게 전달 |
Slave가 4개 시각을 모두 확보하면:
과정을 반복하며 Slave는 Offset이 0에 수렴하도록 자신의 시계를 보정.
PTP V1 vs V2
| 구분 | V1 | V2 |
|---|---|---|
| 정밀도 | — | 1 ns 이하 (Sub-nanosecond) |
| 프레임 길이 | 165 octet | 44 octet (네트워크 부하 감소) |
| Sync 간격 | 1초 이상 | 10회/초 (고샘플링) |
| BMCA 메시지 | Sync 내부 | 별도 Announce 메시지 |
| Delay 메커니즘 | Delay_Req / Delay_Resp | + Pdelay_Req / Pdelay_Resp / Pdelay_Resp_Follow_Up |
| Transparent Clock | — | TC 도입 (E2E·P2P 모드) |
| 유니캐스트 | — | P2P 유니캐스트 추가 |
PTP V2 메시지 타입 분류
| 메시지 | Type | V1/V2 | 타임스탬프 |
|---|---|---|---|
| Sync | Event | V1/V2 | O |
| Delay_Req | Event | V1/V2 | O |
| Pdelay_Req | Event | V2 | O |
| Pdelay_Resp | Event | V2 | O |
| Follow_Up | General | V1/V2 | X |
| Delay_Resp | General | V1/V2 | X |
| Pdelay_Resp_Follow_Up | General | V2 | X |
| Announce | General | V2 | X |
| Signaling | General | V2 | X |
| Management | General | V2 | X |
- Event 메시지: 송수신 시각을 타임스탬프하여 동기화 계산에 사용.
- General 메시지: 타임스탬프 불필요. 정보 전달용.
클럭 종류
| 클럭 | 포트 수 | 역할 |
|---|---|---|
| Ordinary Clock (OC) | 1 | Master 또는 Slave 시계로 동작하는 단순 엔드포인트 |
| Transparent Clock (TC) | 다수 | 스위치 체류 시간을 측정·전달 (PTP 이벤트 메시지 이동 시간) |
| Boundary Clock (BC) | 다수 | 한쪽은 Slave로 동기화되고 다른 쪽은 Master로 재배포 |
PTP V1 BC의 문제점
V1에서는 Path Delay 보정에 BC가 필수였으나, BC를 다단으로 사용하면 오차가 누적(jitter 증가)되는 한계. V2는 TC를 도입해 이를 개선.
TC 작동 모드 (V2)
| 모드 | 계산 대상 | 동작 |
|---|---|---|
| E2E (End-to-End) | 스위치 내 체류 시간만 | Sync·Delay_Req 결과에 체류 시간을 더해 Slave에 전달 |
| P2P (Peer-to-Peer) | 스위치 체류 + Peer Delay 메커니즘의 링크 지연 | Slave는 체류 지연 + 경로 지연을 모두 획득해 Offset 계산 |
타임스탬프 생성 위치
PTP 정밀도는 타임스탬프를 기록하는 OSI 계층 위치에 좌우된다.
| 방식 | 구현 | 정밀도 | 특징 |
|---|---|---|---|
| Software-only | Application 계층에서 RTC 컨트롤·타임스탬핑 | 1 ms 이하 (Sub-ms) | 프로토콜 스택의 지연·변동이 오차로 반영 → 최대 오차 |
| Hardware-assisted | H/W RTC + Time Stamp Unit(TSU)을 MII에 연결 | 1 ns 이하 (Sub-ns) | MCU H/W로 노이즈·오차 감소, PHY에 근접해 타임스탬프 |
Hardware assisted 구성은 MCU가 H/W TSU 위에 PTP 스택을 실행하며 MII(MAC-PHY 인터페이스) 단에서 직접 타임스탬프를 삽입·추출한다.
IEEE 802.1AS vs IEEE 1588
IEEE 802.1AS는 1588을 그대로 쓰지 않고 프로파일로 가두어 AVB에 필요한 동작만 남긴다.
| 항목 | IEEE 1588 | IEEE 802.1AS |
|---|---|---|
| 포지션 | 일반 표준 | 1588의 Subset (PTPv2 호환) |
| 대상 매체 | 범용 | IEEE 802.3 (Ethernet) / 802.11(Wi-Fi) 특화 |
| PTP 도메인 | 다중 가능 | 단일 PTP 도메인 |
| 전파 지연 측정 | Delay_Req/Resp 또는 Peer Delay | Peer Delay 메커니즘만 사용 |
| 지원 클럭 | OC / TC / BC | OC + P2P TC 만 사용 (BC·E2E TC X) |
| 옵션 | 다수 | 대폭 제거·간소화 |
결과적으로 AVB 네트워크에서 GM 동기화는 P2P TC를 통한 경로로만 수행된다.
BMCA GM 선정 시나리오
IEEE 802.1AS의 동기화는 두 단계:
- BMCA로 GM 선정
- GM을 기준으로 나머지 노드(Time-Aware Bridge·엔드포인트)를 동기화
BMCA는 ANNOUNCE 메시지의 비트 비교를 통해 수행된다.
1단계: 최초 GM 확정
- 모든 GM 후보가 ANNOUNCE 메시지 전송.
- 수신 노드는 best ANNOUNCE 정보와 비교 — “I’m the best” 판단.
- 가장 우수한 후보를 GM으로 확정.
2단계: 새 후보 출현
- 기존 GM이 있는 상태에서 더 우수한 후보가 ANNOUNCE 송신.
- 각 노드는 두 ANNOUNCE 정보를 비교 — 하급 GM은 무시.
- 모든 노드가 새 GM을 인정, 이전 GM은 Slave로 전환.
3단계: GM 소실 후 재선정
- 현재 GM이 사라지면 나머지 GM 후보들이 ANNOUNCE 재송신.
- 다시 BMCA로 새 GM 선정.
AVB 관점의 효용
- 여러 Zone에 흩어진 디스플레이·스피커가 같은 시각 기준으로 미디어를 재생 (Multi-zone media streaming 동기화).
- IEEE 1722 프레임의 Presentation Time이 동일한 wall time을 참조하므로 지연 차이를 보상 가능.