基于IEEE 1588的同步以太網實現方式

吳敏涼,石旭剛,張勝,沈一波

(1.浙江工業大學 信息工程學院,杭州310014; 2.浙江工業大學 浙江省光纖重點實驗室; 3.杭州奧博通信有限公司)

1 背 景

IP化是未來網絡業務的發展趨勢,而以太網以其優越的性價比、廣泛的應用及產品支持,成為以IP為基礎的承載網的主要發展方向。在部署電信級以太網時,如何解決時鐘同步問題是一個要考慮的方面。對分組網絡的同步需求有兩個方面:一是,分組網絡可以承載TDM業務,并提供TDM業務時鐘恢復的機制,使得TDM業務在穿越分組網絡后仍滿足一定的性能指標;二是,分組網絡可以像TDM網絡一樣,提供高精度的網絡參考時鐘,以滿足網絡節點或終端的同步需求。

同步以太網(SyncE)就是最新的標準解決方法。在SyncE中,以太網采用與SONET(同步光纖網絡)/SDH(同步數字系列)相同的方式,通過高品質、可跟蹤一級基準時鐘信號同步其位時鐘。2006年,國際電信聯盟在其G.8261中描述了SyncE概念。2007年,在G.8262中對SyncE的性能要求進行了標準化,規定了同步以太網網絡設備中使用的時鐘的最低性能要求。IEEE在2002年發布了IEEE 1588標準,該標準定義了一種精確時間同步協議(PTP),2005年又制定了新版本的IEEE 1588,即IEEE 1588v2。

2 相關標準與協議

2.1 ⅠEEE 1588

IEEE 1588通過硬件和軟件配合獲得更精確的定時同步;在傳輸時間時鐘信號時無需額外的時鐘線,仍然使用原來以太網的數據線傳送時鐘信號,既簡化了組網連接,又降低了成本。

IEEE 1588在技術規范中特別定義了一套基于消息的同步協議,通過周期性地發布帶有時間戳的信息包,可以使各個測控節點的時鐘得到校正,從而實現整個系統的同步運行。其實現原理如圖1所示。首先,主時鐘節點周期性(一般為2 s)地向整個系統發送同步包(Sync),接著將同步包時間戳打包再發送同步跟隨包(Follow Up)。當各從時鐘節點收到主時鐘節點發來的同步包和同步跟隨包后,依據各自時間戳、接收同步包時間戳和解析同步跟隨包的時間戳,計算主從時鐘差值;并用這個差值調整自身時鐘,直到與主時鐘同步為止。

圖1 時鐘誤差校正原理

分布式測控系統中,每個測控設備在網絡中所處位置、布線方式、布線長度以及目前網絡技術中的固有問題,也將造成測控數據在傳輸過程中的不同延遲。為了有效消除網絡延遲對分布式系統實時性的影響,IEEE 1588也定義了2個信息包,校正原理如圖2所示。

圖2 網絡延遲校正原理

從時鐘節點可以不定期(一般為4～60 s)地向主時鐘節點發送延遲請求包(Delay Request),主時鐘節點收到延遲請求包后,立即將接收時間戳打包并返回延遲應答包。當從時鐘節點收到延遲應答包后,依據自身發送延遲請求包時間戳和解析延遲應答包時間戳計算網絡延遲時間,并用這個差值調整自身時鐘,直到與主時鐘同步。基于以上方法,可以有效消除主從時鐘差異和測控數據在網絡中的傳輸延遲,從而實現分布式網絡化測控系統的時鐘同步。

2.2 基準時鐘信號的分配方式

G.8261定義了分組網中的定時同步網元,規定了網絡中所容許的最大抖動和漂移值,以及分組網邊界與TDM接口時需要達到的抖動和漂移容限的最小值;概述了網元實現同步功能的最小要求;提出了兩種基準時鐘信號的分配方式——網絡同步方式(同步以太網)和基于分組方式,解決了分組網特別是以太網的同步問題。特別指出的是,兩種分配方式各有優點,其混合應用將構建既能實現頻率同步,又能實現時間同步的下一代同步網。

(1)網絡同步方式(同步以太網)

與現在的SONET/SDH鏈路一樣,同步以太網通過OSI七層協議的第一層(即物理層)實現網絡同步。同步以太網方式又稱“PRC分配方式”(如GPS)或用同步物理層的主從方式。它支持基于網絡同步線路碼方式的時鐘分配,已廣泛地運用到同步TMD網中。

其特點是:使用以太網物理層;僅能分配同步頻率,不能分配同步時間;不會因網絡高層產生損傷而受到影響,同步質量好,可靠性高。

(2)基于分組方式

該方式是指定時信息由分組承載,發送專門的時間戳消息,雙向傳送定時信息的方法可能是NTP或類似的協議。值得注意的是,雙向協議還能傳送時間信息。

其特點是:與物理層無關;能分配同步頻率和同步時間;會因電信網的損傷而受到影響,如分組延時抖動。

3 應用實例

3.1 Si5315芯片

在實際應用中,采用Silicon Labs公司生產的Si5315芯片。該芯片為一款抖動衰減時鐘倍頻芯片,采用8 kHz～644.53 MHz的雙時鐘輸入,并且產生2個獨立的倍頻時鐘。在同步方面,主要采用Silicon Labs的第三代DSPLL技術,能夠產生任意比率的頻率合成以及在高速率下的去抖動。除支持SONET/SDH和以太網時鐘外,Si5315還可支持10G線路編碼率的同步以太網時鐘倍頻芯片。

具體應用實例如圖3所示。本地時鐘輸入62.5 M Hz作為芯片的一路輸入,經過Si5315倍頻后輸出端口一路為125 M Hz。將其信號引入以太網設備的CDR模塊(數據時鐘恢復模塊)作為參考時鐘。當數據進入CDR后恢復出一個接近62.5 MHz的時鐘,再次輸入Si5315,經過DPLL鎖相達到芯片認為符合要求的時鐘后,本地時鐘的輸入被屏蔽。當網絡中所有的設備都完成此項操作后,整個網絡的時鐘同步完成。在具體的應用中前級的數據時鐘往往抖動十分嚴重,經過Si5315芯片處理后,時鐘能恢復得很好,并且所有設備的時鐘都保持了一致性。

圖3 Si5315同步芯片應用實例

3.2 DP83640芯片

IEEE 1588的精密時鐘協議(PTP)能夠實現高精度的以太網時間同步,但是如果需要達到ns級的時鐘同步性能,僅僅通過軟件是很難實現的。因為在線路上接收PTP包之后,對它們進行處理的每一種器件都會增加同步誤差。DP83640通過在物理層以硬件加軟件的方式使得ns級的時鐘同步成為可能。

DP83640是一款基于IEEE 1588標準的時鐘同步芯片,采用硬件和軟件結合的方式提供最高的精確度實時工業的時鐘同步,可確保分布式上各節點能按照主機時鐘的時間同步定時,并確保各節點之間的時間偏差不會超過8 ns。一旦線路上有 PTP包,即被 DP83640的精密PHYTER所讀取。

DP83640具有幾個內部時鐘,包括本地參考時鐘、1個以太網接收時鐘和1個PTP時鐘信號源;同時,還包括1個內部的PTP數字計數器,以及可以控制數字計數器和PTP時鐘速率(頻率)的邏輯。

在同步以太網交換機的方案中,通過替換以太網層并增加IEEE 1588 PTP軟件實現。如圖4所示,CPU、交換芯片和DP83640通過MII口連接起來組成一個系統。交換機成為以太網中同步的一個器件,使得交換機所形成的以太網及該網絡下所掛的器件都滿足IEEE 1588協議,最終形成同步以太網。

圖4 基于DP83640的同步以太網交換機應用框圖

結 語

從目前的原型實驗和應用來看,IEEE 1588中標準化的精確時間協議可以達到亞微秒級的同步精度,并且有可能達到更高的精度。IEEE 1588為基于多播技術的標準以太網的實時應用提供了有效的解決方案,但同時也存在一些尚待進一步研究的問題,如主時鐘的容錯性能、振蕩器的穩定性對時鐘的影響等。相信今后該標準會更加完善,也會有更多的具體應用可以參考。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

[1]IEEE Std.1588—2002 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

[2]Kendal R,Sivaram B,Anatoly M.The Application of IEEE 1588 to a Distributed Motion Control System[OL].[2009-08].http://ieee1588.nist.gov/.

[3]Roes F E,Vaman D R.IsoEthernet:An Integrated Services LAN[J].IEEE Communications Magazine,1996,34(8).

[4]韋樂平.電信級以太網的崛起[OL].[2009-08].http://www.Chinatelecom.com.cn.

[5]胡昌軍.電信級以太網技術漫談[OL].[2009-08].http://catr.com.cn.