IEEE1588時(shí)鐘同步在PTN網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)

劉建成，方 鵬，何宗應(yīng)

（朗訊科技光網(wǎng)絡(luò)有限公司 上海研發(fā)中心，上海 200233）

業(yè)務(wù)IP化、傳送分組化是通訊技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。PTN基于純分組內(nèi)核，融合了傳輸網(wǎng)的可靠性與數(shù)據(jù)網(wǎng)的靈活性，在擁有全面電信級特性和強(qiáng)大管理能力的同時(shí)，又繼承了良好的可擴(kuò)展性，并具備高效的統(tǒng)計(jì)復(fù)用能力，能適應(yīng)高價(jià)值分組業(yè)務(wù)的承載要求。PTN分組傳送網(wǎng)是目前公認(rèn)的取代SDH的下一代傳輸技術(shù)。而IEEE1588時(shí)鐘同步技術(shù)是PTN分組網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在工業(yè)測量和控制等應(yīng)用領(lǐng)域，目前大量使用基于網(wǎng)絡(luò)通信和本地計(jì)算的分布式系統(tǒng)。為了確保分布式終端能夠?qū)崿F(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)，需要整個(gè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的參考時(shí)間，并且應(yīng)該使所有分布式終端的本地時(shí)鐘與該系統(tǒng)時(shí)間保持同步。分布式終端與系統(tǒng)時(shí)間的同步需要依靠某種通信協(xié)議完成，為了使不同的系統(tǒng)器件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商之間互聯(lián)，美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）開發(fā)并發(fā)布了 “網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems）”，即 IEEE1588 協(xié)議，簡稱為PTP（Precision Time Protocol）協(xié)議。 IEEE1588 協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，具有亞微秒級的時(shí)間同步性能、良好的載體移植能力及穿透非1588網(wǎng)絡(luò)的貫通能力。IEEE1588有三種時(shí)鐘模式：普通時(shí)鐘（OC）、邊界時(shí)鐘（BC）和透明時(shí)鐘（TC）。OC通常是網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個(gè)1588端口且只能作為Slave（從端口）或Master（主端口）。BC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)備，該設(shè)備有多個(gè)1588端口，其中一個(gè)端口可作為Slave，設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率和時(shí)間同步于上一級設(shè)備，其他端口作為Master，可以實(shí)現(xiàn)逐級的時(shí)間傳遞。TC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)備，實(shí)現(xiàn)1588報(bào)文透傳。

1 IEEE1588同步原理

IEEE 1588通過交換報(bào)文來確定主時(shí)鐘（Master）和從時(shí)鐘（Slave）之間的時(shí)間偏差及報(bào)文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。圖1為IEEE 1588同步原理圖。Master端發(fā)Sync消息給Slave，Sync消息中包括其離開Master時(shí)的時(shí)間t1，Slave接收后記錄該消息到達(dá)時(shí)間 t2；Slave發(fā) Delay_Req消息給 Master，并記錄Delay_Req的離開時(shí)刻t3；Maste端記錄Delay_Req到達(dá)時(shí)間t4，并通過 Delay_Resp 把 t4發(fā)回給 Slave。 Slave 根據(jù) t1，t2，t3，t4來計(jì)算主從時(shí)間偏差及傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。

這里把主從時(shí)間偏差記作Δtoffset，而發(fā)送Sync消息傳輸需要的時(shí)間記作Δtdelay12，發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時(shí)間記作 Δtdelay34。

從而得到主從時(shí)間偏差:

在IEEE1588協(xié)議里假設(shè)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸是對稱的，我們標(biāo)記傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲為Δtdelay，即公式（3）。

圖1 同步過程Fig.1 Synchronization process

從而得到公式（4）中的主從時(shí)間偏差以及平均傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲：

從原理中可以看出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲嚴(yán)重影響時(shí)鐘同步精度。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲包含協(xié)議棧、存貯轉(zhuǎn)發(fā)及物理網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)延。物理網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的線路延時(shí)一般是穩(wěn)定的，而協(xié)議棧及存貯轉(zhuǎn)發(fā)在運(yùn)行過程中由于受不確定因素影響會產(chǎn)生較大的抖動，這對同步的精度有較大的影響。為此IEEEl588協(xié)議提出了一種基于軟件和硬件相結(jié)合的時(shí)間同步方法，將時(shí)間戳的標(biāo)記點(diǎn)下移到MAC層和PHY層之間，即圖2中的A點(diǎn)，降低協(xié)議棧及業(yè)務(wù)流量對同步時(shí)間的影響，使同步過程中的主要延時(shí)為物理層延時(shí)，如圖2所示。

圖2 硬件打時(shí)間戳模型Fig.2 Timestamp generation model

2 IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1850TSS是阿爾卡特朗訊推出的PTN傳送解決方案，1850TSS系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了IEEE1588時(shí)鐘同步。TSS-5產(chǎn)品IEEE1588時(shí)鐘同步的系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。從系統(tǒng)的功能上分，可以把該系統(tǒng)分為6個(gè)功能模塊：物理PHY模塊，時(shí)間戳模塊，MAC模塊，包處理模塊、時(shí)鐘處理模塊和IEEE1588協(xié)議處理模塊。相比一般的PTN節(jié)點(diǎn)，為支持IEEE1588時(shí)鐘同步該網(wǎng)元增加了時(shí)間戳模塊、IEEE1588協(xié)議處理模塊和時(shí)鐘處理模塊3部分。

時(shí)間戳模塊包括時(shí)間戳產(chǎn)生器，對輸入輸出消息進(jìn)行識別分類，并對事件消息進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。在接收方向，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)識別Sync與Dly_Req包，并把收到包的時(shí)間插入到IEEE1588報(bào)文的TLV里，然后把報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給交叉芯片，由交叉芯片轉(zhuǎn)發(fā)給CPU口的IEEE1588協(xié)議處理模塊 （軟件模塊）。在發(fā)送方向，F(xiàn)PGA會在Sync與Dly_Req報(bào)文發(fā)送之前，為報(bào)文打時(shí)間戳，更新IEEE1588報(bào)文中的CF以及發(fā)送時(shí)間。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖Fig.3 Hardware architecture

圖4 系統(tǒng)功能框圖Fig.4 Functional model

IEEE1588協(xié)議處理模塊主要包括最佳主時(shí)鐘 （BMC）算法與本地時(shí)鐘同步LCS算法。BMC算法其作用為：建立主從同步鏈，保證時(shí)鐘路由不成環(huán)；支持多個(gè)時(shí)間源的自由選擇和自動切換。協(xié)議處理模塊通過BMC算法來決策哪個(gè)時(shí)鐘是最好的，并據(jù)此來決定端口的下一個(gè)狀態(tài)值是Master、Slave還是Passive。，然后根據(jù)主從節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送不同的IEEE1588報(bào)文。LCS算法則根據(jù)IEEE1588報(bào)文里的時(shí)間戳信息，計(jì)算出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲及主從時(shí)間偏差，并利用主從時(shí)間偏差調(diào)整本地時(shí)間，完成本地時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與主時(shí)鐘的校準(zhǔn)。

時(shí)鐘處理模塊在Server模式下，接收GPS或1PPS/ToD等信息作為GrandMaster時(shí)鐘，提供時(shí)間戳產(chǎn)生時(shí)的精確時(shí)間；在Slave狀態(tài)時(shí)，接收IEEE1588協(xié)議產(chǎn)生的時(shí)間差值調(diào)整本地時(shí)間；在Master狀態(tài)時(shí)提供精確的本地時(shí)間用于時(shí)間戳的產(chǎn)生，同時(shí)也可輸出1PPS／TOD信息供外部設(shè)備使用。特別說明一點(diǎn)兒，為了讓1588協(xié)議處理模塊接口保持一致性，F(xiàn)PGA仿真成Master，把接收的1PPS/ToD信息進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成Announce和Sync消息再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)議處理模塊。

3 時(shí)鐘同步性能測試

PTN網(wǎng)絡(luò)時(shí)間傳遞性能受時(shí)間傳遞方法的影響較大，不同的方法，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌漭敵鐾较辔患皶r(shí)鐘抖動相差較大。2011年TSS－5參與并通過了中國移動PTN測試，TSS－5時(shí)鐘同步性能表現(xiàn)穩(wěn)定。這里給出實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果。測試設(shè)備連接如圖5所示，由GPS提供ToD信號，頻率與時(shí)間測量儀1PPS信號同步，輸出1PPS信號到時(shí)間測量儀。測試的時(shí)間性能如圖6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明時(shí)鐘同步具有穩(wěn)定的性能，在主從同步穩(wěn)定后，時(shí)間偏差在－100～100 ns。

圖5 測試配置框圖Fig.5 Test configuration

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TSS－5時(shí)鐘同步具有穩(wěn)定的性能，同步精度達(dá)到亞微秒級，可滿足PTN產(chǎn)品高精度時(shí)鐘同步的要求。利用IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)PTN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步是是未來移動承載網(wǎng)研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。非對稱光纖鏈路的時(shí)延計(jì)算與補(bǔ)償、鏈路保護(hù)倒換的收斂時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)OAM等問題是TSS－5產(chǎn)品正在研究實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)問題，而這些也正是PTN急需解決的問題。

[1]Ouellette M，Ji K，Liu S.Using IEEE1588 and boundary clocks for clock synchronization in telecom networks[J].IEEE Communications Magazine，2011:164－171.

[2]HEZong-ying.IEEE1588 proposal for TSS-5R：Alcatel-Lucent Technical Volume[C]//Shanghai：Alcatel-Lucent，2010：9－10.

[3]FANG Peng.IEEE1588 SW FOD on TSS-3.Alcatel-Lucent Technical Volume[C]//Shanghai:Alcatel-Lucent，2011:6－7.

[4]Burch J，Green K，Nakulski J，et al.Verifying the performance of transparent clocks in PTPsystems[J].ISPCS 2009 International IEEE Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement，Control and Communication，2009:1－6.

[5]LV Shuai，LU Yue-ming，JI Yue-feng.An enhanced IEEE 1588 time synchronization for asymmetric communication link in Packet Transport Network[J].IEEE Communications Letters，2010，14（8）:764－766.

[6]IEEE Instrumentation and Measurement Society.IEEE 1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2008.

[7]Vallat A，Scheuwly D.Clock synchronization intelecommunicationsvia PTP （IEEE 1588） in Proc[J].IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequenc and Time Forum，2007:334－341.

[8]Lee S.An enhanced IEEE 1588 time synchronization algorithm for asymmetric communication link using block burst transmission[J].IEEECommun，2008，12（9）:687－689.