IEEE1588精密時間協(xié)議──封包網(wǎng)路上的頻率同步

1、ieee 1588精密時間協(xié)議封包網(wǎng)路 上的頻率同步電信網(wǎng)路正從電路交換技術(shù)快速轉(zhuǎn)向封包交換技術(shù)，以滿足核心網(wǎng)路和接取網(wǎng)路 對頻寬需求的迅速擴大。傳統(tǒng)的電路交換tdm網(wǎng)路本身就支援在整個網(wǎng)路上實現(xiàn) 精 密頻率同步。為了確保向終端用戶設(shè)備提供高等級qos,無線基地臺和多服 務(wù)接取點(msan)等接取平臺仍然依賴網(wǎng)路回傳連接上提供的同步功能。在電信網(wǎng) 中，能否透過乙太網(wǎng)路向遠端無線基地臺和接取平臺提供管運級的同步品質(zhì)，是 向乙太網(wǎng)路回傳網(wǎng)路演進的關(guān)鍵。時間傳輸協(xié)定 最初使用時間傳輸協(xié)定的電信設(shè)備是透過伺服控制迥路驅(qū)動遠端網(wǎng)元(如街道 機箱接取平臺和無線基地臺)中的參考振瀚器。這些遠端網(wǎng)元中的參考振

2、瀚器以 前都是從tl/el tdm回傳連接恢復(fù)同步。只要tdm傳輸網(wǎng)路可以追蹤到慕準參考 時脈(prc),遠端網(wǎng)元就能採用相對簡單的伺服控制將它們的振盪器鎖定到可追 蹤prc的回傳反饋時脈。當回傳連接變成乙太網(wǎng)路遠端網(wǎng)元與同步源相互 隔離時問題就來了。本文將討論如何使用乙太網(wǎng)路上的ieee 1588精密時間協(xié)議 (eip)向遠端網(wǎng)元提供同步。雖然乙太網(wǎng)路已得到廣泛 普及,是低價連接的理想 介質(zhì)，但並不非常適合要求精密同步的應(yīng)用。乙a網(wǎng)路生來就是非確定性的網(wǎng)路, 很難提供要求同步的即時或?qū)r間皺感的應(yīng)用。ptp透 過網(wǎng)路實體層的硬體時 間戳技術(shù)很好地克服了乙太網(wǎng)路的延遲和抖動問題，因此使用乙太網(wǎng)

3、路承載時脈 數(shù)據(jù)封包可以達到100ns範圍內(nèi)的空前精密度，進而顯著節(jié)省成本。下一代網(wǎng)路的同步功能基於gps的衛(wèi)星接收器口j以提供小於100ns的精密度，經(jīng)常被用於精密時間與 頻率同步非常關(guān)鍵的領(lǐng)域，如電信、軍事和航空應(yīng)用。但提高精密度成木巨大。 基於gps的系統(tǒng)需要安裝室外天線，確保直接看到天空以便接收低功率的衛(wèi)星 傳輸訊號，這不僅增加了費用，而且對設(shè)備的實體架構(gòu)也帶來了額外的負擔?；?於這個理由，gps最適合在局端作為電信網(wǎng)路的基準參考時脈，然後使用其它 技術(shù)向遠端設(shè)備分配同步和定時。電信廠商和設(shè)備製造商正研究透過乙a網(wǎng)路提 供同步的多種新方法。*自適應(yīng)時脈恢復(fù)(匹e):基於電路模擬服務(wù)(c

4、es)的許多汕標準化解決方案使用 acr技術(shù)在遠端下游單元再生網(wǎng)路時脈。然而，廠商在使用這種技術(shù)時遇到了 一些性能問題，更不用說一些主要廠商通常不願意採用非標準化解決方案來實現(xiàn) 大規(guī)模的新服務(wù)部署。*同步乙太網(wǎng)路:itu最近已經(jīng)完成了旨在滿足透過乙太網(wǎng)路傳輸網(wǎng)路提供頻率 同步需求的同步乙 太網(wǎng)路(g. 8261, g. 8262, g. 8263)的定義工作。現(xiàn)有乙太網(wǎng)路 和同步乙太網(wǎng)路(sync-e)的基木區(qū)別是發(fā)送phy時脈?，F(xiàn)在的ieee 802. 3要求 發(fā)送時脈達到100ppb(十億分z)的自由振盪時脈精密度。在同步乙太,網(wǎng)路屮, 發(fā)送時脈精密度必須達到4. 6ppb,並能透過外部s

5、su/bits參考或接收時脈追蹤 到一級時脈。透過簡單地將乙太網(wǎng)路的發(fā)送和接收時脈鏈接起來，同步乙太網(wǎng)路 口j以用來與sonet/sdh交換數(shù)據(jù)。同步乙太網(wǎng)路面臨的挑戰(zhàn)是，在prc和終端 設(shè)備z間的整個路徑上，所有乙太網(wǎng)路交換機都耍透過升級，才能具備同步乙太 網(wǎng)路功能。*網(wǎng)路時間協(xié)議(ntp): ntp作為最流行的協(xié)議被廣泛用於lan和wan上的時間 同步。ntp實現(xiàn)成木和對較低，幾乎不需要修改硬體。然而，目前版木的ntp 和實現(xiàn)方案還不能滿足電信網(wǎng)路同步所需的更高精密度耍求。另一方面，ptp透過使用現(xiàn)有的乙太網(wǎng)路分配網(wǎng)路町以提供接 近ntp的成本效 益，並透過使用基於硬體的時間戳技術(shù)達到超過

6、ntp的精密度。ptp可以與使用 高速交換機的標準乙太網(wǎng)路上的正常網(wǎng)路服務(wù)共存，同時捉供毫秒級的同步精 密度。達到這個傑出性能指標的關(guān)鍵是碩體輔助下的時間戳技術(shù)。ptp原理：硬體輔助的時間戳技術(shù)在網(wǎng)路時間保持應(yīng)用中必須克服的兩個主要問題是振盪器漂移和時間傳輸延 遲。不管採用何種協(xié)議，振盪器漂移問題都可以透過使用更高品質(zhì)的振盪器和從 更高精密度的時脈源ciigps)獲得時間而得以減輕。時間傳輸延遲問題解決起 來比較困難，它具有雙重性：既自與作業(yè)系統(tǒng)處理時間數(shù)據(jù)封包有關(guān)的延遲，也 有市於源時脈 與目的時脈之間存在的路由器、交換機、電纜和其它硬體引起的 網(wǎng)路延遲。在減少作業(yè)系統(tǒng)延遲和抖動方面ptp是

7、最成功的。ptp將時戳單元(tsu)和主從時脈z間時間戳交換的創(chuàng)新方法結(jié)合在一起。位於 乙太網(wǎng)路介質(zhì)存取控制(mac)和乙太網(wǎng)路phy接收器z間的tsu同時嗅探輸 入輸 出數(shù)據(jù)串流，當識別出ieee 1588 ptp數(shù)據(jù)封包的前導(dǎo)位元時發(fā)佈一個時間戳， 用於精確標記ptp時間數(shù)據(jù)封包的到達或離開(圖1)。為了估計和減少作業(yè)系統(tǒng)延遲，主時脈會根據(jù)本地時脈週期性地向網(wǎng)路上的從時 脈發(fā)送一個同步(sync)報文。tsu對發(fā)送的sync報文標記上確切的時間。從時 脈也給到達的sync報文標上時間戳，然後將到達時間和sync報文中提供的離開 時間進行比較，於是就能判斷作業(yè)系統(tǒng)屮的延遲量，最後對時脈作岀相

8、應(yīng)的調(diào) 整。透過測量主時脈和從時脈之間的來回延遲可以減少與網(wǎng)路有關(guān)的延遲。從時脈週 期性地向主時脈發(fā)送一個延遲請求報文(delay_req),然後由主時脈發(fā)起一個延 遲應(yīng)答報文(delay rcsp)。由於這兩個報文都有精確的時間戳，從時脈可以將這 個資訊和來自sync報文的細節(jié)結(jié)合起來測量和調(diào)整網(wǎng)路導(dǎo)入的延遲。精密時間 戳交換協(xié)議詳見圖20圖2：用於從ptp主時脈向ptp從時脈傳輸時間的數(shù)據(jù)封包序列。sync數(shù)據(jù)封包在離開主時脈(t1)和到達從時脈(t2)時被標上時間戳。跟隨 (follow- up)數(shù)據(jù)封包將sync數(shù)據(jù)封包離開時間傳送給從時脈。延遲應(yīng)答數(shù)據(jù) 封包在離開從時脈(t3)和到達

9、主時脈(t4)時也被標上時間戳。sync數(shù)據(jù)封包和 eollow-up數(shù)據(jù)封包對被主時脈作為延遲請求和延遲應(yīng)答數(shù)據(jù)封包週期性地發(fā) 送出去。用於從時脈校正的公式為：0.5 (t1-t2-t3+t4) o確定目標精密度ptp協(xié)議採用駛騁時間戳技術(shù)提供亞微秒級的精密度。在電信wan h的性能表 現(xiàn)取決於以下三個主要因素： *主從時脈屮的時間戳引擎的解析度和精密度(起始精密度)*穿越wa的延遲/數(shù)據(jù)封包延遲變化(pdv),包括跳數(shù)、負載以及交換機/路由 器配置 *在從時脈側(cè)的伺服處理增益和振盪器實現(xiàn)(pdv的不確定性被濾除的效率有多 高)在起始精密度較高的情況卜，電信網(wǎng)路上的數(shù)據(jù)封包延遲變化(pdv)

10、將很快成為 基於數(shù)據(jù)封包的定時解決方案的誤差主導(dǎo)因素。注重qos配置和負載變化的兩層 交換網(wǎng)路可以提供最佳的pdv性能。這種情 況非常適合ieee 1588 ptp,因為 ptp針對兩層交換環(huán)境作了最佳化。然而，pdv是三層軟體路由網(wǎng)路屮的主停因 索。振盪器穏定性和從時脈側(cè)的伺服設(shè)計將成為確保滿足電信網(wǎng)路同步要求的 關(guān)鍵性能因素。選擇廣播間隔和振盪器類型在ptp中，目標定時精密度 決定了同步報文廣播的頻度以及使用什麼類型的振 盪器。更頻繁的廣播可以得到更精確的同步，但也會產(chǎn)生史多的網(wǎng)路流量，雖然 使用的頻寬非常小。更高品質(zhì)的振盪器也能得到更精確的同步。使用較低品質(zhì) 的振盪器同時增加廣播頻率以便

11、更經(jīng)濟地達到門標精密度似乎很有誘惑力，但這 種做法是不推薦的。低品質(zhì)的振盪器缺少為電信應(yīng)用提供高精密度ptp所需的 穩(wěn)定性，因此縮短廣播間隔通常得不償失。精密度也是ieee 1588主時脈的功能。ieee 1588主時脈也被稱為最高級時脈 (grandmaster),是網(wǎng)路上的最終時間源。最高級時脈通常以gps為基準，因此 非常穩(wěn)定，也非常精確。utc(協(xié)調(diào)世界時)的精密度通常在30ns rms以上。透 過使用如此高精密度的時脈和絕對時間基準，ptp網(wǎng)路上的時間可以得到很好的 同步。高晶質(zhì)的最高級時脈還有其它一些測量特性，可用來表徵網(wǎng) 元的延遲和 抖動特徵，並測量相對於最高級時脈的從時脈精密度

12、。選擇其它硬在路由器緩衝記憶騁延遲和交換機延遲影響時間傳輸精密度的乙太網(wǎng)路上，ptp 能夠很好地發(fā)揮作用。圖3比較了在典型乙太網(wǎng)路交換機、線速路由器和基於軟 體的路由器上所做的延遲和pdv測量結(jié)果。先進的線速路由器在延遲和pdv方 面可以提供與傳統(tǒng)兩層交換相媲美的快速交換，使得它們非常適合ptp同步分配 應(yīng)用。另一方面，與基於軟騁的路由器相關(guān)的高延遲和pdv可能成為如上所述 的一個限制因素。ethernet switchsl«r*imd dcvrkn s2.b5 racesl«ivj«id oevwmn ju, mw<wire-speed router引&q

13、uot;6 j oltfmlm% 20 44 umcsoftware based router圖3：顯示乙太網(wǎng)路交換機（上部）、線速路由器（屮間）和軟鵡路由器（底部）延遲 的柱狀圖。線速路由器性能相當於兩層交換機,而軟體路由器的pdv高出了兩 個數(shù)量級。ptp協(xié)議還導(dǎo)入了一些特殊元件，如邊界時脈和透明時脈，即只有一個 埠用於 提供ptp從時脈到主時脈、其它埠透過增加功能來保持精密度的交換機。邊界時 脈是指有一個埠是ptp從時脈至主時脈、其它埠是主時脈到下游從時脈的多埠 交換機。邊界時脈提供了向衆(zhòng)多了網(wǎng)調(diào)節(jié)同步的好方法。但使用串聯(lián)邊界時脈會 在伺服迴路中積累非線性時間偏移，最終導(dǎo)致不可接受的精密

14、度下降。透 明時脈是ptp網(wǎng)路中的另一個潛在硬體選項。這是一種具冇ptp功能的交換 機，能夠透過修改i）elay_rcsp和follow-up報文中的精密時間戳消除交換機口 身內(nèi)部的接收和發(fā)送延連，因而改進從時脈和主時脈z間的同步精密度。但是,當原始數(shù)據(jù)封包密碼校驗和不匹配到達從時脈處的最終數(shù)據(jù)封包時，透明時脈 也可能產(chǎn)生安全問題。ptp在電信中的應(yīng)用許多電信網(wǎng)路設(shè)備供應(yīng)商都把teee 1588 ptp作為滿足下一代無線和接取平臺同 步要求的最具性價比方法。例如，所有g(shù)sm和umts基地臺頻率必須同步到土50ppb（十億分z-）,以支援手機從一個基地臺行動到另一個基地臺時的網(wǎng)路 切換。不能滿足

15、50ppb的同步要求將導(dǎo)致通話中斷。為了滿足這個要求，基地臺 的傳統(tǒng)做法是將內(nèi)部振瀚器鎖定到從tl/el tdm冋傳連接恢復(fù)的時脈上。當冋 傳通道變?yōu)橐姨W(wǎng)路後，基地臺與傳統(tǒng)的網(wǎng)路同步反饋連接斷開了。圖4為使用 ptp的無線網(wǎng)路向遠端基地臺提供同步的典型部署情景。基地臺都將採用ptp 從設(shè)備恢復(fù)出定時數(shù)據(jù)封包，進而用於控制基地臺的內(nèi)部振盪器以滿足50ppb 要求?；嘏_中的ptp從設(shè)備需要存取行動交換中心（msc）中部署的廠商級ptp 最高級時脈。在msc屮部署ptp最高級時脈的關(guān)鍵考慮因素包括：umts網(wǎng)絡(luò) bits/ssumsc/1 rncptp主時忖以太網(wǎng)回傳ptp從時鐘ip回傳ptp從

16、時鐘匕ptp從時鐘ptp從時鐘圖4：向下一代umts基地臺提供同步需要利用在msc/rnc屮部署的ptp最高級 時脈。同步數(shù)據(jù)封包從最高級時脈流向基地臺中的從時脈。*將ptp最高級時脈功能整合進現(xiàn)有的msc同步平臺（即bits人樓合成時脈 供應(yīng)系統(tǒng)，以及ssu同步提供單元）。*乙太網(wǎng)路傳輸單元配置快速交換 *振盪器選擇和ptp從/伺服控制msax和ip-dslam也要求支援 傳統(tǒng)的tdm應(yīng)用，如t1/e1落地服務(wù)。設(shè)備製造 商將ptp作為向基於遠端終端的接取平臺分配同步的方法。itu最近發(fā)佈了g. 8261標準，以期確立 封包網(wǎng)路的同步要求。在具體實施時的考慮i大i素與上述 無線平臺相同，關(guān)鍵仍然是將ptp最高級時脈功能整合進電信局端的bits和ssu 平臺（圖5） o圖5：支援傳統(tǒng)tdm服務(wù)的msan要求從局端開始