交換機(jī)中同步以太網(wǎng)技術(shù)的研究及其實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了一種支持同步以太網(wǎng)交換機(jī)工作在主從模式狀態(tài)下同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，及其在不同工作模式下的時(shí)鐘同步機(jī)制；提出了交換機(jī)工作在從模式狀態(tài)系統(tǒng)同步鏈路時(shí)鐘的優(yōu)先級(jí)選擇策略，以及工作在主模式狀態(tài)下交換機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘指定選擇原則。實(shí)踐表明，這種同步以太網(wǎng)時(shí)鐘架構(gòu)和同步機(jī)制能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 同步以太網(wǎng)；以太網(wǎng)同步狀態(tài)消息；鎖相環(huán)；漂移

Abstract： In this paper， we propose a synchronous clock network architecture for the Ethernet switch （ES） so that synchronous Ethernet （Sync-E） is achieved when the ES is in slave or master mode. We also propose different synchronous clock mechanisms for the ES in different modes. We introduce the priority selection strategy of synchronous clock link when the ES is in slave mode. The specific selection principle for the system clock when the ES is working in the master mode is also introduced. Finally， we suggest that this synchronous Ethernet clock architecture and mechanisms can meet needs of network applications.

Key words： synchronous Ethernet； Ethernet synchronization messaging channel； phase locked loop（PLL）； wander

電信網(wǎng)絡(luò)正在從基于時(shí)分的電路交換向基于分組的包交換的下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，電信服務(wù)都可以統(tǒng)一到統(tǒng)一的包交換平臺(tái)上來。以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)匯聚中扮演越來越重要的作用，現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)匯聚和骨干網(wǎng)絡(luò)以及在城域網(wǎng)中都在應(yīng)用以太網(wǎng)。不少接入網(wǎng)需要接入單元間時(shí)鐘的同步，比如基站、無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）接入以太網(wǎng)，這就涉及到同步以太網(wǎng)的問題。接入單元有的需要頻率同步，比如無線網(wǎng)絡(luò)中GSM、UMTS/W-CDMA、LTE（FDD）只需要頻率同步；有的還需要相位和頻率都同步，比如CDMA2000、LTE（TDD）、TD-SCDMA、WiMAX等網(wǎng)絡(luò)。同步以太網(wǎng)技術(shù)用于分布式網(wǎng)絡(luò)的頻率同步，但其不支持相位同步。使用同步以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均需支持同步以太網(wǎng)。傳統(tǒng)的運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)一般建有自己的SDH/PDH同步網(wǎng)絡(luò)，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻率同步。目前通過以太網(wǎng)來承載傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻率同步和時(shí)間同步信息有著現(xiàn)實(shí)的迫切要求。圖1是同步以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用場景[1-2]。最上端是元時(shí)鐘（PRC），每個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)單元都含有以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘（EEC）。在正常情況下EEC是鎖定某一輸入業(yè)務(wù)端口的頻率，業(yè)務(wù)輸出端口頻率和輸入端口同步。這種鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)EEC至上而下的頻率同步，最終和PRC時(shí)鐘同步，這種同步方式類似SDH/SONET同步網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械耐街С謫卧⊿SU）作用是減少鏈路抖動(dòng)和漂移的累計(jì)，另外也可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘給別的設(shè)備提供同步。在上游設(shè)備時(shí)鐘出現(xiàn)問題，比如PRC時(shí)鐘丟失時(shí)，自身可提供保持功能，直至上游設(shè)備時(shí)鐘恢復(fù)。

1 以太網(wǎng)中的同步技術(shù)

1.1 同步以太網(wǎng)主設(shè)備

對(duì)于同步以太網(wǎng)主設(shè)備，其功能模塊時(shí)鐘拓?fù)淙鐖D2所示。設(shè)備一般是在設(shè)備外接標(biāo)準(zhǔn)的高精度時(shí)鐘源，比如2 MHz時(shí)鐘或者2 Mb/s數(shù)據(jù)或者是別的時(shí)鐘源輸入接口。2 MHz時(shí)鐘通過鎖相環(huán)輸出，時(shí)鐘的頻率及其參數(shù)可以通過鎖相環(huán)參數(shù)配置。2 Mb/s數(shù)據(jù)通過大樓綜合定時(shí)（供給）系統(tǒng)（BITS）收發(fā)芯片接收鏈路碼流提取2 MHz時(shí)鐘，然后將提取的鏈路時(shí)鐘2 MHz送給鎖相環(huán)，再由中央處理單元中鎖相環(huán)通過配置輸出一個(gè)設(shè)置時(shí)鐘。鎖相環(huán)輸出所需要時(shí)鐘送給邏輯單元，邏輯單元分發(fā)出若干路下發(fā)時(shí)鐘到各個(gè)接入單元，再由接入單元的鎖相環(huán)輸出到接入單元交換芯片媒體訪問控制層（MAC）、物理層（PHY）作為其工作時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘源和接入單元交換芯片和PHY芯片的時(shí)鐘同步。主設(shè)備通過接入單元的PHY鏈路數(shù)據(jù)輸出。從設(shè)備接入單元根據(jù)主設(shè)備接入單元輸出鏈路數(shù)據(jù)，通過提取鏈路時(shí)鐘，然后根據(jù)從設(shè)備時(shí)鐘同步原理而實(shí)現(xiàn)主交換設(shè)備和從交換設(shè)備的同步。以太網(wǎng)從設(shè)備不需要外接時(shí)鐘源。

1.2 同步以太網(wǎng)從設(shè)備

同步以太網(wǎng)從設(shè)備利用從主設(shè)備互聯(lián)的數(shù)據(jù)流端口，通過PHY或者M(jìn)AC芯片數(shù)據(jù)接收端集成的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）來提取接收數(shù)據(jù)鏈路的時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘除了可以用作發(fā)送端時(shí)鐘外，還可以用于芯片對(duì)接收數(shù)據(jù)的解串行化和解復(fù)用高速串行數(shù)據(jù)成低速并行數(shù)據(jù)，恢復(fù)功能可從發(fā)送方數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘。圖3為同步以太網(wǎng)從設(shè)備時(shí)鐘拓?fù)淇驁D。選擇從哪路端口恢復(fù)時(shí)鐘是可以配置選擇的。根據(jù)電路所采用PHY的數(shù)量，恢復(fù)出來的每路高精度時(shí)鐘，送給一個(gè)多路選擇器或者邏輯，按照一定的規(guī)則選擇一路恢復(fù)時(shí)鐘送給一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）。PLL輸出某一頻率的高精度時(shí)鐘送給中央處理單元。中央處理單元通過一個(gè)復(fù)用器按照一定的選擇規(guī)則選擇多個(gè)輸入的接入單元時(shí)鐘的一個(gè)，作為主控鎖相環(huán)PLL的輸入時(shí)鐘源，然后中央處理單元PLL輸出一高精度的時(shí)鐘，通過時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)緩存器分發(fā)給各個(gè)接入單元。各個(gè)接入單元根據(jù)中央單元輸入的時(shí)鐘，通過配置鎖相環(huán)輸出接入單元MAC和PHY所需要的頻率，作為接入單元MAC和所有PHY的發(fā)送工作時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)交換設(shè)備與主設(shè)備同步。一般接入設(shè)備只需MAC和PHY和主設(shè)備同步。

1.3 以太網(wǎng)同步狀態(tài)消息ESMC的

應(yīng)用

一般來說，同步以太網(wǎng)既可以工作在普通模式，也可以工作在同步模式，默認(rèn)是普通以太網(wǎng)方式。工作在同步模式時(shí)，接收端除了從輸入信號(hào)提取輸入信號(hào)頻率并送給時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行處理進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)外，還獲取并處理以太網(wǎng)同步消息信道（ESMC）狀態(tài)消息，獲取鏈路提供的時(shí)鐘質(zhì)量等級(jí)（QL）。

QL可以作為本地進(jìn)行時(shí)鐘切換依據(jù)，根據(jù)當(dāng)前獲取的鏈路的時(shí)鐘質(zhì)量等級(jí)，以判斷系統(tǒng)是否切換到更高級(jí)別的時(shí)鐘。在同步以太網(wǎng)模式，鏈路發(fā)送端鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘用于數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)還產(chǎn)生ESMC消息發(fā)送鏈路時(shí)鐘質(zhì)量等級(jí)QL到下游環(huán)節(jié)，ESMC包含鏈路同步狀態(tài)消息（SSM），用于表示EEC時(shí)鐘等級(jí)，這個(gè)信道是按照組織特性慢協(xié)議（OSSP）協(xié)議提供。同步狀態(tài)消息的數(shù)據(jù)格式如表1所示[3]。

表1中，目的地址是組播地址，低速協(xié)議類型及其協(xié)議子類型固定為88-09-0A[4-5]。在ESMC PDU中數(shù)據(jù)和填充區(qū)域用4個(gè)字節(jié)來表示時(shí)鐘的質(zhì)量等級(jí)，其時(shí)鐘質(zhì)量等級(jí)采用類型長度值（TLV）來表示，其數(shù)據(jù)格式如表2所示。在同步以太網(wǎng)中，SSM用于表示上游設(shè)備給下游設(shè)備所同步跟蹤的時(shí)鐘源的質(zhì)量。SSM包含在ESMC PDU中，周期性由上游設(shè)備發(fā)給下游設(shè)備作為下游設(shè)備選擇時(shí)鐘源的重要根據(jù)。下游設(shè)備時(shí)鐘子系統(tǒng)根據(jù)端口收到的SSM級(jí)別，總是選擇最高級(jí)別的時(shí)鐘源，當(dāng)高級(jí)級(jí)別時(shí)鐘源發(fā)生故障后，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)的當(dāng)前的SSM等級(jí)，選擇次之的時(shí)鐘源。如果存在等級(jí)相同的時(shí)鐘源就按照定義的優(yōu)先級(jí)選擇時(shí)鐘源，如果所有鏈路時(shí)鐘均不可用，選擇本地時(shí)鐘作為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘。如果丟失所有的參考時(shí)鐘源，鎖相環(huán)PLL進(jìn)入保持（holdover）狀態(tài)；SSM消息需要沿著鏈路依次逐級(jí)傳遞，每級(jí)EEC都支持SSM消息的處理。時(shí)鐘子系統(tǒng)通過這種方法選擇系統(tǒng)源時(shí)鐘，以使系統(tǒng)保持穩(wěn)定工作。同步以太網(wǎng)ESMC中的SSM定義了2種時(shí)鐘質(zhì)量等級(jí)，如表3所示。

表3中，QL-EEC1主要適用于同步以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘架構(gòu)為2048 kb/s的體系，QL-EEC2主要面向同步以太網(wǎng)時(shí)鐘架構(gòu)為1544 kb/s的同步體系。

2 同步以太網(wǎng)的調(diào)試方法

2.1 同步以太網(wǎng)基本調(diào)試方法

采用若干套交換設(shè)備分別級(jí)聯(lián)組網(wǎng)也可以混合組網(wǎng)，這時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間上下游構(gòu)成主從設(shè)備。這里以同步以太網(wǎng)組網(wǎng)中兩個(gè)上下游節(jié)點(diǎn)為例，上游設(shè)備配置為主設(shè)備、下游設(shè)備配置從設(shè)備，從設(shè)備端口提取上游設(shè)備鏈路時(shí)鐘。一個(gè)同步以太網(wǎng)流量測試環(huán)境如圖4所示。

圖4中，以太網(wǎng)流量測試儀器的一對(duì)端口的收發(fā)端口與設(shè)備A的第一個(gè)以太網(wǎng)接口收發(fā)端口收發(fā)互連。圖4中設(shè)備每個(gè)方格為一對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)端口，上下一組以太網(wǎng)端口構(gòu)成一對(duì)虛擬局域網(wǎng)（VLAN）。相鄰一對(duì)VLAN通過網(wǎng)線或者光纖連接。設(shè)備A最后一個(gè)以太網(wǎng)的收發(fā)端口和設(shè)備B的收發(fā)端口收發(fā)互聯(lián)。上下兩對(duì)以太網(wǎng)接口構(gòu)成一對(duì)VLAN，相鄰VLAN通過網(wǎng)線或者光纖依次連接。設(shè)備B最后一對(duì)以太網(wǎng)的收發(fā)和以太網(wǎng)流量測試儀器的另一個(gè)收發(fā)端口互聯(lián)。設(shè)備A配置成主設(shè)備，設(shè)備B為從設(shè)備。設(shè)備B從連接設(shè)備A的一個(gè)輸出端口的接口提取鏈路時(shí)鐘，通過設(shè)備B的時(shí)鐘子系統(tǒng)的一系列變換形成設(shè)備B發(fā)送鏈路時(shí)鐘。設(shè)備B通過讀取PHY或者M(jìn)AC的狀態(tài)判斷接入端口是否鎖定上游設(shè)備鏈路時(shí)鐘；另外，也通過以太網(wǎng)流量測試儀器發(fā)送以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)入設(shè)備A，并通過一系列的設(shè)備端口連接和軟件配置，使得輸出設(shè)備A的報(bào)文進(jìn)入設(shè)備B，然后最終回到以太網(wǎng)流量測試器的輸入端口，同時(shí)在設(shè)備B到設(shè)備A方向通過以太網(wǎng)流量測試儀器對(duì)發(fā)反方向報(bào)文，這樣可以同時(shí)驗(yàn)證兩個(gè)方向在同步以太網(wǎng)模式下端口報(bào)文收發(fā)情況，報(bào)文可采用線速隨機(jī)長度報(bào)文。通過這些方法可以觀察同步以太網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的同步穩(wěn)定性。

2.2 同步以太網(wǎng)的時(shí)序特性

對(duì)于支持同步以太網(wǎng)的設(shè)備，其時(shí)序特性主要是滿足ITU-T Recommendation G.8262/Y.1362標(biāo)準(zhǔn)中支持2048 kb/s體系EEC-option1選項(xiàng)和支持1544 kb/s體系的EEC-option2選項(xiàng)，符合業(yè)務(wù)端口輸出漂移最大時(shí)間間隔誤差（MTIE）和時(shí)間偏差（TDEV）的指標(biāo)要求。對(duì)于輸入端口需要滿足輸入端口漂移容限MTIE和TDEV模板的要求，端口還需滿足抖動(dòng)方面的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求[6-8]。滿足這些指標(biāo)要求便于實(shí)現(xiàn)上下游同步以太網(wǎng)設(shè)備單元間的互操作性，便于設(shè)備間的對(duì)接。對(duì)于同步以太網(wǎng)設(shè)備端口的漂移特性主要是以MTIE、TDEV來表征。MTIE反映信號(hào)的頻率偏差和相位的瞬態(tài)變化，TDEV反映信號(hào)的頻率成分。MTIE是指在采樣間隔τ0，總觀測時(shí)間τ=nτ0，測量周期T =（N -1）τ0，時(shí)間間隔誤差（TIE）峰峰值的最大值，其中觀測周期包含在測量周期中。

對(duì)于同步以太網(wǎng)輸入輸出漂移指標(biāo)必須符合標(biāo)準(zhǔn)中的模板要求。圖5所示測試環(huán)境可以測試同步以太網(wǎng)業(yè)務(wù)輸出輸入端口漂移最大時(shí)間間隔誤差和時(shí)間偏差，可以用于業(yè)務(wù)端口的輸入抖動(dòng)容限和端口的抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性，還可以模擬ESMC狀態(tài)測試時(shí)鐘狀態(tài)切換。不同的測試，儀器需要不同的配置設(shè)置。漂移測試需要外接一個(gè)高精度的穩(wěn)定時(shí)鐘源。

漂移指標(biāo)主要包括漂移容限、漂移轉(zhuǎn)移特性，漂移轉(zhuǎn)移特性主要是考察設(shè)備對(duì)輸入漂移的抑制能力。抖動(dòng)測試主要是測試輸出抖動(dòng)和輸入抖動(dòng)容限，測試輸出抖動(dòng)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，測試輸入端口容許的最大輸入抖動(dòng)，設(shè)備正常工作也不告警。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)同步以太網(wǎng)主從設(shè)備同步時(shí)鐘鏈路部分的研究和設(shè)計(jì)，對(duì)同步以太網(wǎng)設(shè)備的基本功能測試，通過對(duì)同步以太網(wǎng)端口漂移、抖動(dòng)指標(biāo)等重要指標(biāo)的測試，可以很好、可靠地實(shí)現(xiàn)同步以太網(wǎng)功能，滿足同步以太網(wǎng)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文鼐， 王斌， 糜正琨. 分組通信網(wǎng)的同步與定時(shí)技術(shù)（2） [J]. 中興通訊技術(shù)， 2011，17（2）：56-60.

[2] 李勤. PTN時(shí)鐘同步技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 中興通訊技術(shù)， 2010，16（3）：26-30.

[3] ITU-T G.8264/Y.1364. Distribution of timing through packet networks [S]. 2008：3-17.

[4] KENNETH H. Tellabs synchronous Ethernet to transport frequency and phase/time [J]. IEEE Communication Magazine， 2012，180（8）：152-160.

[5] ITU-T G.810. Definitions and terminology for synchronization networks [S]. 1996：16-19.

[6] ITU-T G.8261/Y.1361. Timing and synchronization aspects in Packet Networks [S]. 2006：16-21.

[7] ITU-T G.8262/Y.1362. Timing characteristics of synchronous Ethernet equipment slave clock （EEC） [S]. 2007：2-29.

[8] ITU-T .813. Timing characteristics of SDH equipment slave clocks （SEC） [S]. 2003.

[9] ITU-T O.172. Jitter and wander measuring equipment for digital systems which are based on the synchronous digital hierarchy （SDH） [S]. 2005：18-26.