分組通信網的同步與定時技術(2)

5 同步以太網

近年來，以太網的應用范圍從最初的局域網被不斷拓展到城域網和廣域網，網絡接口類型、交換性能、組織方式和管控能力都得到了極大的提升，而在業務供給、故障保護和同步與定時方面的新發展，則進一步增強了以太網的電信級服務能力。由國際電信聯盟遠程通信標準化組織(TTU-a3制訂的以太網同步相關建議，涵蓋了組網結構、技術需求、時鐘功能、實現方法和技術路線等。

5.1 ITU-T系列標準

ITU-T SGl5研究組Q13專題制訂了分組網同步的標準，包括G，826x和G.827x系統建議，分別針對分組網頻率同步和時間及相位同步。圖1給出了系列建議的主題及相互關系。從圖1可以看出，與同步以太直接相關的ITU-T建議，包括G.8260、G.8261、G.8262和G.8264。他們規定采用帶外方式逐跳傳送時鐘頻率信號，不提供時間和相位的同步功能。

G.8260明確了分組網頻率同步和時間及相位同步的概念與術語，給出了衡量同步穩定性等質量指標的數學表達式，并新增了分組延時變化(PDV)來描述分組網的同步損傷；G.8261定義了分組網中的定時同步網元，規定了網絡中和時分復用模式(TDM)接口上所容許的最大抖動和漂移，描述了網元實現同步的最低功能要求，提出了兩種基準時鐘信號的分配方式：網絡同步方式和基于分組方式，用以解決分組網特別是以太網的同步問題；G.8262主要針對同步以太網的節點設備，即同步以太網設備時鐘(EEC)，制訂接口帶寬、頻率準確度、守時性能和噪聲約束的需求；G.8262明確了同步以太網采用TDM網絡同步信號傳送方式，即通過同步物理層或TDM系統分配定時信號；G.8264主要針對定時信息，即同步狀態消息(SSM)，制訂了同步以太網設備的互操作方式和SSM協議及消息格式，以便從時鐘掌握定時信號的質量以提高網同步的可靠性。

5.2同步以太網的體系結構

(1)頻率同步信號的分配

同步以太網通過通信線路上的位流定時信息傳送時鐘頻率，這種頻率信號的傳送方式與基于El／Tl以及同步數字體系／同步光纖網絡(sDH／SONET)的同步極為相似，他要求設備的物理端口能以一種持續不斷的方式連續發送信號。因此，同步以太網也被認為是TDM同步技術在以太網的延伸。

提供頻率同步的以太網設備，其時鐘部件稱為EEC，他可跟蹤同步網的基準時鐘。并向下游設備提供頻率參考信號。圖2為同步以太網頻率分配的典型體系結構。

同步以太網的頻率信號分配也采用了與SDH／SONET完全相同的體系結構，除了基準頻率時鐘(PRC)和EEC之外，都引入了可獨立運行的同步供給單元(sSU)，以便在3個方面增強電信級應用能力：

·減少因抖動和漂移累積而導致的同步性能劣化

·向各種不同的應用目標供給同步和定時參考

·在PRC故障時增強同步的保持能力和恢復能力

同步以太網參照SDH／SONET的網同步規范(G.803)，在PRC到SSU之間以及SSU到SSU之間的同步鏈中，規定其間SDH設備時鐘(sEC)的數量不能超過20，串接在一條PRC分支鏈中的SSU數量不能越過10，EEC數量不能超過60。實際應用中，為留有一定余地，同步鏈中通常間隔10-15個EEC并穿插一個SSU，以適應擴容和演進之需。

(2)同步信令

在以TDM為基礎的同步網中，SSM也稱為同步信令，用于在時鐘之間傳遞時鐘的質量等級(QL)信息。基準時鐘的質量等級名為QL_PRC，處于保持工作模式的SDH時鐘名為QL_SEC。G.8264為同步以太網新定義了2個質量等級：QL_ECCI和QL_ECC2，分別對應自由運行的ECC和保持運行的ECC，相應的性能指標在G.8262中得到約定。

在SDH／SONET中，SSM通過STM-N／OC-N幀開銷的SSM字節傳遞；而同步以太網中，SSM則通過名為以太網同步消息信道(ESMC)的特殊以太網幀傳遞。ESMC是ITU-T在IEEE 802.3制訂的組織機構專用慢協議(OSSP)基礎上，擴展用于以太網同步信令的規范，其消息格式如表1和表2所示。

同步以太網時鐘質量采用TLV編碼方法，對應于表2中的類型(T)、長度(L)和SSM碼(V)，其中SSM碼由4個比特位組成，已規范的取值有兩個，值0AH對應于QLEEC2，值0BH對應于QL_EECl。表1中的“事件標識”字段取l時，用于心跳，發送周期為1秒，以便接收時鐘快速判定上游時鐘是否可用。

(3)與SDH混合組網的同步

眾所周知，以太網與sDH／SONET會長期共存。實際網絡中，骨干網核心層更多可能采用SDH／SONET技術，而網絡的匯聚層或接入層則更可能采用以太網技術。這種情況下，兩種技術網絡的互連邊界節點，既存在SDH接口，也存在以太網接口。由于EEC采用了與SEC等同的規范結構，同步以太網有利于混合組網的同步組織。圖3給出了混合組網的同步信號分配結構。

圖3中，混合節點設備(H)從SEC獲取定時參考，并向EEC提供定時參考。在一般情況下，混合節點設備可從SEC、EEC和SSU獲取時鐘參考信號，并可向SEC、EEC以及SSU提供時鐘參考。

6 IEEE 1588以太網同步

IEEE 1588同步技術最初由安捷倫提出，第一版標準于2002年得到了批準，第二版標準于2008年頒布。IEEE 1588標準的全稱是“網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議標準”，簡稱為精確定時協議(PTP)，他可以使基于以太網的分布式系統達到精確同步。2009年中國通信標準化協會發布了相對應的YD／T 2022“時間同步設備技術要求”規范。

6.1 IEEE 1588系統結構

IEEE 1588系統由PTP設備和無PTP功能的網絡設備組成。根據功能的不同，PTP設備可分類為：普通時鐘(OC)、邊界時鐘(Bc)、透明時鐘(TC)和管理節點。只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。從通信關系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP子系統內只能有一個主時鐘。

系統中的最優時鐘為最高級時鐘(GMC)，有著最好的穩定性和準確性。根據各節點上時鐘的精度和級別以及世界協調時(UTC)的可追溯性等特性，由最佳主時鐘選擇算法來自動選擇各子網內的主時鐘；在只有單一PTP子網中，主時鐘就是GMC。每個系統只有一個GMC，且每個子網內只有一個主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。

如果不同PTP子網需要互聯，則必須由BC來實現。BC的某個端口會作為從屬端口與GMC相聯，并為整個系統提供時間標準。BC的其他端口作為主端口，將同步信息傳送到其他子系統。圖4給出了一個簡單IEEE 1588系統的結構示意。

PTP透明時鐘，位于主時鐘和從時鐘的通信路徑之中，通常為以太網交換機或中繼器，主要為延時測量提供精確測量出的收發時間，并添加到同步消息中，為主從同步操作中的延時計算提供準確依據。

PTP同步過程中需要記錄經由物理層的發出和接收時間，并添加到同步信息的“時間戳”字段。PTP的協議功能，主要用于主、從時鐘之間相互交換用于同步的時間戳信息，以便從時鐘計算得到其相對標準時間偏差，用于時間校對。PTP的協議報文，包括以下10類：

(1)同步(Sync)，包含了一個時間戳，描述了數據包發出的預計時間；

(2)跟隨(Follow_Up)，包含測量出的同步報文發送時間；

(3)延時請求(Delay_Req)，要求對端返回接到報文的時間；

(4)延時應答(Delay_Resp)，包含測量出的Delay_Resp報文接收時間；

(5)對等延時請求(PDelay_Req)，包含透明時鐘測到的延時修正；

(6)跟隨對等延時請求(Pdelay_Resp_Follow_Up)，包含透明時鐘測到的延時修正；

(7)對等延時應答(PDelay_Resp)，包含透明時鐘測到的延時修正；

(8)申明，用于在以太網中建立等級制的同步樹；

(9)管理，在管理節點與PTP時鐘之間實現配置和管理消息傳送；

(10)信令，在時鐘節點之間傳送其他消息。

在簡單配置結構中，通過(1)～(4)類PTP報文交換，從時鐘可與直連的主時鐘達到時間同步。

6.2同步機制

PTP同步過程分為漂移測量階段和偏移與延時測量階段。第一階段修正從時鐘與主時鐘之間的時間偏差，稱為漂移測量。如圖5所示，在修正漂移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間(缺省是2s)周期性地向相應的從時鐘發出同步報文。同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量傳遞的準確時間(TM)，從時鐘測量接收的準確時間(fS)。之后主時鐘發出跟隨報文，此報文與同步報文相關聯，包含了此前同步報在物理接口發送的更為精確的測量時間，即TM。從時鐘根據同步報文的接收時間和TM計算本地時間偏移量，修正從時鐘的時間。

如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鐘就達到同步。如果路徑延時不可忽略，需要通過如圖6所示的第二階段同步操作，把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延時考慮進來，達到精確同步。

從時鐘向主時鐘發出一個延時請求報文，主時鐘收到請求報文后，在延遲響應報文中把接收時間戳送回到從時鐘。根據發送時間戳和主時鐘提供的接收時間戳，從時鐘計算得到其主時鐘之間的延時。與偏移測量不同，延時測量的間隔時間(缺省值是4-60 s之間的隨機值)比偏移值測量間隔時間要大，以保證網絡尤其是設備終端的負荷不會太大。

主、從時鐘的通信路徑包含交換機等中間設備時，要求中間設備支持透明時鐘功能，以便從時鐘能扣除同步消息在中間設備上的延時變化和收發路徑上的不對稱延時。

6.3最佳主時鐘選擇算法

IEEE 1588系統中，通常會存在多個時鐘設備，都可以選作為主時鐘。最佳主時鐘選擇算法，可依據時鐘特性、網絡拓撲、端口狀態和管理要求，在一個PTP系統中自行選取最佳時鐘。IEEE 1588允許不同的應用擴展采用不同的時鐘選擇算法，但在一般情況下，首選時鐘等級高(級數小)的時鐘，同等級情況下首選媒體接人控制(MAC)地址值大的時鐘。由IEEE1588附帶的最佳主時鐘判定規則包括6條，如表3所列。

最佳主時鐘選擇由每個時鐘分立計算，各時鐘之間通過申明報文交換上述數據信息。表3中，1類優先級、2類優先級和部分的時鐘類別，由面向特定應用的PTP配置來約定。比如，PTP的電信級應用，由ITU-T G.8265.1／2和G.8275.1／2給出相應定義。再比如，IEEEPC37.238針對電力系統應用制訂了專門的PTP配置，IEEE 802.1AS針對AVB制訂了相應PTP配置，IETF TICTOC工作組則正在制訂針對MPLS傳送的PTP相關配置。

6.4 IEEE 1588與同步以太網的聯合應用

IEEE 1588采用分組方式傳送時間同步消息，其同步性能低于采用TDM方式的同步以太網。但是，IEEE 1588適用面更廣，技術成熟度較高，且不占用專門的傳輸資源，特別有利于部署在網絡的接人部分。如前所述，同步以太網能與現有TDM為基礎的同步網平穩互聯，因此更適宜部署在網絡的核心側。這種橫向聯合的技術應用方案，既可以發揮同步以太網的高性能和兼容性，也可以充分利用IEEE 1588的經濟性。

同步以太網主要面向時鐘頻率的同步要求，IEEE 1588則主要面向時間的同步要求。在準確度方面，同步以太網技術很容易實現10ns以內的頻率準確度，而IEEE 1588的時間準確度通常要低于100ns。重疊部署同步以太網和IEEE 1588，在實現頻率同步和時間同步的基礎上，同時也可以大幅度地提升以太網的時間同步性能。

早在2007年，研究人員就已提出了采用縱向聯合的技術方案，在實驗室內得到了準確度達亞納秒的實驗測試結果，如表4所示。在單獨應用IEEE 1588的同步實驗中，時間準確度最差達到約120 ns，這與中國運營企業的實驗結果是相互吻合的。而啟用同步以太網提供頻率同步服務后，時間同步準確度小于1ns，性能改善了2個數量級。

需要強調的是，無論是橫向方案還是縱向方案，IEEE 1588與同步以太網的聯合應用，其技術可行性和同步性能都還有待于進一步的研究和探索。

(待續)