P-OTN網絡中IEEE1588v2時間同步技術的實現

余 躍 ， 劉 華

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢 430074）

近年來，隨著寬帶、移動通信等業務的快速發展，業務類型重心逐漸向分組業務轉變，承載網中IP流量飛速增長，城域網壓力越來越大。傳統OTN（optical transport network，光傳送網）通過整合以太網、MPLS-TP等技術，向分組增強型OTN（P-OTN）演進，來適應這些需求[1]。同時，隨著4G的逐漸商用，移動通信對時間同步精度的需求越來越高，承載網的同步發展是大趨勢。而GPS衛星系統存在著諸如安全隱患高、施工難等問題[1]，因此能夠實現高精度地面時間同步的IEEE1588方案成為了人們的關注焦點。本文詳細介紹了IEEE1588v2時間同步技術的原理，結合對OTN網絡中ODUk（optical channel data unit-k，光通路數據單元）幀結構的分析，提出了P-OTN系統中實現高精度時間同步的方案。

1 IEEE1588v2基本原理

IEEE1588協議全稱為IEEEStandard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，即網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準，簡稱為 PTP（precision time protocol）精確時間協議[2]。

1.1 IEEE1588v2時間同步機制

PTP協議的核心是主從時鐘模型和延遲測量機制。通過將高精度的時間信息寫入PTP報文，并進行交互，以此計算出主從時鐘之間時間偏差值并進行補償，從而實現主從時鐘之間時間的精確同步。測量過程分為兩部分：偏移校正測量和延遲校正測量[2]。

圖1 基本同步報文交互過程Fig.1 Basic synchronization message exchange

圖 1 中所示的 Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp 4種報文即為同步過程中主從（Master、Slave）時鐘之間交互的PTP報文。 t1、t2、t3、t4是 PTP報文發送或者接收時記錄的時間戳。t-ms、t-sm表示主從時鐘之間的鏈路延時，假設網絡是對稱的，t-ms=t-sm。則通過公式計算可得[3]：

MASTER與SLAVE時鐘之間的時間偏移量：

MASTER與SLAVE時鐘之間的線路延遲：

因為上述公式假設的是鏈路對稱的通信網，所以最后計算得到的Tdelay代表的是平均線路延遲，即t-ms和t-sm的平均值。實際場景中常為非對稱鏈路，需要開始進行測量補償。

1.2 最佳主時鐘BMC算法

數據集比較算法和端口狀態決策算法，這兩個算法共同組成了BMC（Best Master Clock，最佳主時鐘）算法。PTP系統中主從時鐘通過BMC算法交互的過程大致為圖2所示。

圖2 主從時鐘BMC同步交互Fig.2 Master-Slave clock's synchronization based on BMC

BMC算法是是實現PTP系統正常運作的關鍵。在獲取到相關時鐘信息，如時鐘精度，時鐘等級，時鐘優先級等，BMC算法可以自動選擇出當前傳輸路徑少，時鐘優先級、精度高的時間源，并同步到該時鐘。如果選擇同步的時間源經BMC算法判斷不再是最優時鐘時，節點時鐘能夠自動同步到更新后的時間源上。

2 P-OTN中實現時間同步的方式

根據PTP報文在P-OTN網絡中承載方式的不同，分為3種方式：1）通過客戶信號（Client）通道來傳送PTP報文，又稱為純透傳方式；2）通過OTN特定開銷（OH）傳送PTP報文，又稱為帶內（ESC）方式；3）通過OSC通道來傳送PTP報文，或通過傳送1PPS+TOD信號來進行時間同步，又稱為帶外方式[4]。OTN中ITU-T G.709標準中規定的光傳送模塊（Optical Transport Module，OTM）接口模式如圖 3 所示[5]。

圖3 光傳送網傳輸模塊層次結構Fig.3 Structure of OTN transfer modules

純透傳方式下OTN網絡自身不處理PTP報文，僅僅是

2.1 OTN采用客戶信號承載PTP報文

起到了提供一個傳送通道的作用，1588v2報文并不參與到同步網絡中。

這種方式中存在著因設備內部業務處理或者網絡延時而帶來的無法估計的時間差，最終影響整個PTP系統同步的時間精度，一般不建議采用。

2.2 OTN采用特定開銷承載PTP報文

帶內方式通過使用OTN特定的開銷（OTN開銷待定）傳送PTP時間同步信息。在每個OTN節點均需處理PTP報文，而且需要考慮補償相鄰節點之間光纖鏈路的不對稱性。

帶內方式下PTP報文的傳送精度可以保證，因為：1）在業務單板的物理接口上，1588報文已經獲取時間戳信息，因此報文在設備內部的映射/解映射過程不影響時間精度。帶內方式逐跳支持1588v2，可隨時OTN內部業務路徑不一致帶來的不對稱時延，因此不影響時間精度。2）1588v2同步信號隨支路以太口業務傳送，不需額外處理，這樣將方便實現不同廠家的互通[6]。

若采用帶內方式進行全網同步，那么OTN現網中的業務單盤都需要相應地支持PTP同步功能，這樣運營商投入的成本會較高，可在后期組網時部署。

2.3 OTN通過帶外方式同步

帶外方式即通過OSC帶外監控信道傳送：1）基于PTP時間同步信息接口；2）基于1PPS+TOD信號同步接口。

基于專門PTP接口的OSC帶外方式在每個OTN節點及OA站都處理PTP報文，需要考慮補償相鄰節點之間光纖鏈路的不對稱性。與PTN對接時，每個方向均需采用獨立支持PTP功能的OSC單盤來實現時間同步功能[6]。

1PPS+TOD帶外方式目前其相關接口規范是依據中國移動行業標準，主要用在時間注入源BITS與OTN設備對接授時，OTN與PTN對接授時的場景中，這種同步方式下的時間精度受路徑延時影響較大，需要配置延時補償。

帶外方式實現的時間精度高，但是目前不同廠家有不同的實現方式，這給互通和端到端組網帶來很多不便。

綜合來看，初期對現網已部署的承載網OTN進行升級改造時，建議采用升級改造難度和成本都較低的帶外OSC方式實現時間同步。后期應以帶內開銷同步方式為主要研發目標，待技術成熟之后后續的城域網設備部署都要求支持帶內方式。這樣就不再需要單獨規劃時間鏈路，實現了隨路傳送時間信息，不同廠家之間的互通難度也會很小，易于實現。

3 P-OTN中時間同步方案設計

IEEE 1588v2同步功能包括PTP協議棧、硬件驅動和時間源接口3部分。在P-OTN系統中，采取了基于硬件的頻率恢復技術。在系統組網時，1588v2頻率恢復技術成為備用技術方案。

基于后期組網需求，本方案通過帶內方式實現PTP時間同步。時鐘部分使用美高森美公司的Zarlink芯片，來獲取穩定、高精度的時間信息。分組交換的多業務光傳送網處理器采用的是博安思通信公司的芯片。

3.1 P-OTN中IEEE1588v2同步系統基本構架設計

圖4為P-OTN系統中實現具備時間同步功能的設備的基本構架。報文經由業務盤出/入口時，由單盤獲取出/入時間戳，或者是從主控時鐘盤面板口獲取帶外（1PPS+TOD）信號，并送至主控時鐘盤。主控時鐘盤負責同步運算選取最佳時間源，并進行時鐘處理。其間本地時鐘的高精度時間戳信息由Zarlink芯片提取，再配合Announce報文中所攜帶的時間源信息，經由BMC算法完成選源及更新端口狀態的功能，最終完成整個時間同步的過程。

圖4 P-OTN中時間同步系統基本架構Fig.4 Structure of time synchronization in P-OTN

當BMC算法選定面板PPS+TOD作為本站設備的1588時鐘源時，面板1PPS+TOD接口工作狀態設置為輸入模式，此時，TOD發送模塊把系統同步的1PPS+TOD信息廣播發送出去給各業務單盤。所有其他業務盤的端口均配置為master端口。

當BMC算法選定某個業務盤端口作為1588時鐘源時，面板的1PPS+TOD接口工作狀態設置為輸出模式，主控盤的TOD模塊輸出被選定。

3.2 P-OTN系統中帶內方式下PTP報文處理模塊

如圖5所示，本模塊用于實現OTN開銷接口的1588協議傳輸， 處理 包含 Sync、Follow_Up、Delay_Rep、Delay_Resp和Announce報文。所有報文的收發由FPGA根據軟件配置自行維護，收方向需向主控時鐘單元上報完整Announce報文和 T1、T2、T3、T4時戳。1588協議傳輸需要的時間戳由FPGA維護。

圖5 帶內方式下PTP報文處理模塊Fig.5 PTPmessage processing module in ESCway

通過帶內方式實現時間同步，復用1588報文至OTN顆粒時，由于PTP報文的長度超過了單個的OTN報文開銷長度，即需要多個OTN幀開銷字節來承載信息，因此需要采用MFAS（Multi-frame Alignment Signal，復幀定位信號）來定位處理[5]。本方案是采用多個連續的MFAS的OTN報文開銷的RES保留字節，作為1588v2協議傳輸通道。

圖6 OTN幀開銷結構Fig.6 Structure of overhead bytes in OTN

3.3 軟件模塊總體結構設計

軟件開發環境選擇美國WindRiver公司推出的VxWorks操作系統。本設計在VxWorks實時操作系統中發起兩個并行的任務（task）來分別完成BMC算法處理模塊和PTP基本協議運行模塊的功能。模塊之間信息傳遞由共享數據結構完成。

3.3.1 PTP基本協議模塊

本模塊主要完成1PPS+TOD接口處理輸入/輸出信號的處理；各個端口PTP報文的收發；時間戳的計算，調整本地時鐘；收集告警、狀態和性能用于上報等功能。

圖7 軟件模塊總體結構Fig.7 System structure of software modules

其中為了實現納秒級別的時間同步，時間戳模塊的設計要在識別PTP報文的前提下盡可能的靠近物理層接口。

3.3.2 BMC算法處理模塊

BMC算法功能模塊包括以下幾部分：

1）Announce報文處理模塊：①接收Announce報文，獲取相應的時間源信息；②進行Announce報文的封裝，并進行轉發；

2）同步時鐘和路徑選擇模塊：負責時間源選擇，同步路徑選擇和切換；

3）端口工作狀態設置模塊：按照上層網管設置及選擇的路徑設置端口工作狀態；

4）上層接口模塊：提供與上層模塊交互配置、狀態等數據的接口。

3.4 實驗數據

本方案在烽火通信公司設備上已經驗證實現，如圖8所示，測試時間為44 000秒，時間精度平均約為58納秒，且能夠保持穩定，波動范圍在20納秒以內，滿足P-OTN系統高精度的時間同步需求。

圖8 實驗數據Fig.8 Experiment record

4 結束語

本文介紹了IEEE1588v2協議的基本原理，結合實際應用，提出了一種通過帶內方式實現P-OTN網絡高精度時間愛你同步的系統方案，給出了軟件功能模塊的設計，具有很強的實用性。本文所采用的帶內同步方式，經測試滿足現網需求，已投入實際應用。

[1]于雷，劉祥義，李新華.如何解決OTN網絡時鐘同步傳遞[J].電腦知識與技術，2013（24）:5423-5425.YU Lei，LIU Xiang-yi，LI Xin-hua.How to solve time synchronization in OTN[J].Computer Knowledge and Technology，2013（24）:5423-5425.

[2]李恩，劉志強，敬玉鄉，等.基于IEEE 1 588v2協議的光網絡時間同步技術研究[J].光通信技術，2011（8）:47-49.LI En，LIU Zhi-qiang，JING Yu-xiang，et al.Research of time synchronization technology based on IEEE 1588v2 in optical communication network[J].Optical Communication Technology，2011（8）:47-49.

[3]IEEE Std 1588TM-2008，IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2008.

[4]程明，蔣銘，朱俊，等.分組增強型 OTN技術現狀及其在城域網中的應用[J].電信科學，2013（9）:127-131.CHENG Ming，JIANG Ming，ZHU Jun，et al.Status of packet enhanced optical transport network technology and its application in metropolitan area network[J].Telecommunications Science.2013（9）:127-131.

[5]ITU-T Recommendation G.709-2009，Interfaces for the Optical Transport Network[S].2009.

[6]胡昌軍.PTP over OTN的若干實現方式及其優劣分析[J].電信網技術，2011（12）：5-7.HU Chang-jun.Several implementations and analyses of PTP over OTN[J].Telecommunications Network Technology，2011（12）:5-7.