基于IEEE 1588的同步以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式

1  背景

IP化是未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢，而以太網(wǎng)以其優(yōu)越的性價(jià)比、廣泛的應(yīng)用及產(chǎn)品支持，成為以IP為基礎(chǔ)的承載網(wǎng)的主要發(fā)展方向。在部署電信級以太網(wǎng)時(shí)，如何解決時(shí)鐘同步問題是一個(gè)要考慮的方面。對分組網(wǎng)絡(luò)的同步需求有兩個(gè)方面：一是，分組網(wǎng)絡(luò)可以承載TDM業(yè)務(wù)，并提供TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘恢復(fù)的機(jī)制，使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足一定的性能指標(biāo)；二是，分組網(wǎng)絡(luò)可以像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣，提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或終端的同步需求。

同步以太網(wǎng)（SyncE）就是最新的標(biāo)準(zhǔn)解決方法。在SyncE中，以太網(wǎng)采用與SONET（同步光纖網(wǎng)絡(luò)）/SDH（同步數(shù)字系列）相同的方式，通過高品質(zhì)、可跟蹤一級基準(zhǔn)時(shí)鐘信號同步其位時(shí)鐘。2006年，國際電信聯(lián)盟在其G.8261中描述了SyncE概念。2007年，在G.8262中對SyncE的性能要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定了同步以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的時(shí)鐘的最低性能要求。IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)，2005年又制定了新版本的IEEE 1588，即IEEE 1588v2。

2  相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議

2.1  IEEE 1588

IEEE 1588通過硬件和軟件配合獲得更精確的定時(shí)同步；在傳輸時(shí)間時(shí)鐘信號時(shí)無需額外的時(shí)鐘線，仍然使用原來以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線傳送時(shí)鐘信號，既簡化了組網(wǎng)連接，又降低了成本。

IEEE 1588在技術(shù)規(guī)范中特別定義了一套基于消息的同步協(xié)議，通過周期性地發(fā)布帶有時(shí)間戳的信息包，可以使各個(gè)測控節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘得到校正，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的同步運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1  時(shí)鐘誤差校正原理

首先，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)周期性(一般為2 s)地向整個(gè)系統(tǒng)發(fā)送同步包(Sync)，接著將同步包時(shí)間戳打包再發(fā)送同步跟隨包(Follow Up)。當(dāng)各從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步包和同步跟隨包后，依據(jù)各自時(shí)間戳、接收同步包時(shí)間戳和解析同步跟隨包的時(shí)間戳，計(jì)算主從時(shí)鐘差值；并用這個(gè)差值調(diào)整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步為止。

分布式測控系統(tǒng)中，每個(gè)測控設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中所處位置、布線方式、布線長度以及目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的固有問題，也將造成測控?cái)?shù)據(jù)在傳輸過程中的不同延遲。為了有效消除網(wǎng)絡(luò)延遲對分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響，IEEE 1588也定義了2個(gè)信息包，校正原理如圖2所示。

圖2  網(wǎng)絡(luò)延遲校正原理

從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)可以不定期(一般為4～60 s)地向主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送延遲請求包(Delay Request)，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲請求包后，立即將接收時(shí)間戳打包并返回延遲應(yīng)答包。當(dāng)從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲應(yīng)答包后，依據(jù)自身發(fā)送延遲請求包時(shí)間戳和解析延遲應(yīng)答包時(shí)間戳計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間，并用這個(gè)差值調(diào)整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步�；�于以上方法，可以有效消除主從時(shí)鐘差異和測控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲，從而實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

2.2  基準(zhǔn)時(shí)鐘信號的分配方式

G．8261定義了分組網(wǎng)中的定時(shí)同步網(wǎng)元，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中所容許的最大抖動(dòng)和漂移值，以及分組網(wǎng)邊界與TDM接口時(shí)需要達(dá)到的抖動(dòng)和漂移容限的最小值；概述了網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)同步功能的最小要求；提出了兩種基準(zhǔn)時(shí)鐘信號的分配方式——網(wǎng)絡(luò)同步方式（同步以太網(wǎng)）和基于分組方式，解決了分組網(wǎng)特別是以太網(wǎng)的同步問題。特別指出的是，兩種分配方式各有優(yōu)點(diǎn)，其混合應(yīng)用將構(gòu)建既能實(shí)現(xiàn)頻率同步，又能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的下一代同步網(wǎng)。

（1） 網(wǎng)絡(luò)同步方式（同步以太網(wǎng)）

與現(xiàn)在的SONET/SDH鏈路一樣，同步以太網(wǎng)通過OSI七層協(xié)議的第一層（即物理層）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步。同步以太網(wǎng)方式又稱“PRC分配方式”（如GPS）或用同步物理層的主從方式。它支持基于網(wǎng)絡(luò)同步線路碼方式的時(shí)鐘分配，已廣泛地運(yùn)用到同步TMD網(wǎng)中。