分组通信网的同步与定时技术（2）

    [编者按]分组通信网同步与定时，其技术需求源于分组网与传统通信网的互连互通，是分组网承载电路仿真业务和实时型业务的前提条件，是移动回传网、音视频桥和无线传感网等应用的关键技术之一。无线分组网的定时与同步，面向无线传感网和物联网的控制与应用，具有广阔的发展前景。本讲座从技术发展、有线和无线环境3个方面，分期论述分组网同步与定时技术：第1讲概要介绍同步与定时的技术概念、需求和现状，第2讲着重讨论以太网为主的同步技术标准，第3讲对无线分组网的同步算法及性能进行综述和介绍。

5 同步以太网
    近年来，以太网的应用范围从最初的局域网被不断拓展到城域网和广域网，网络接口类型、交换性能、组织方式和管控能力都得到了极大的提升，而在业务供给、故障保护和同步与定时方面的新发展，则进一步增强了以太网的电信级服务能力。由国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T)制订的以太网同步相关建议，涵盖了组网结构、技术需求、时钟功能、实现方法和技术路线等。

5.1 ITU-T系列标准
    ITU-T SG15研究组Q13专题制订了分组网同步的标准，包括G.826x和G.827x系统建议，分别针对分组网频率同步和时间及相位同步[1]。图1给出了系列建议的主题及相互关系。从图1可以看出，与同步以太直接相关的ITU-T建议，包括G.8260、G.8261、G.8262和G.8264。他们规定采用带外方式逐跳传送时钟频率信号，不提供时间和相位的同步功能。

    G.8260明确了分组网频率同步和时间及相位同步的概念与术语，给出了衡量同步稳定性等质量指标的数学表达式，并新增了分组延时变化(PDV)来描述分组网的同步损伤；G.8261定义了分组网中的定时同步网元，规定了网络中和时分复用模式(TDM)接口上所容许的最大抖动和漂移，描述了网元实现同步的最低功能要求，提出了两种基准时钟信号的分配方式：网络同步方式和基于分组方式，用以解决分组网特别是以太网的同步问题；G.8262主要针对同步以太网的节点设备，即同步以太网设备时钟(EEC)，制订接口带宽、频率准确度、守时性能和噪声约束的需求；G.8262明确了同步以太网采用TDM网络同步信号传送方式，即通过同步物理层或TDM系统分配定时信号；G.8264主要针对定时信息，即同步状态消息(SSM)，制订了同步以太网设备的互操作方式和SSM协议及消息格式，以便从时钟掌握定时信号的质量以提高网同步的可靠性[2-4]。

5.2 同步以太网的体系结构
    (1) 频率同步信号的分配
    同步以太网通过通信线路上的位流定时信息传送时钟频率，这种频率信号的传送方式与基于E1/T1以及同步数字体系/同步光纤网络(SDH/SONET)的同步极为相似，他要求设备的物理端口能以一种持续不断的方式连续发送信号。因此，同步以太网也被认为是TDM同步技术在以太网的延伸。

    提供频率同步的以太网设备，其时钟部件称为EEC，他可跟踪同步网的基准时钟，并向下游设备提供频率参考信号。图2为同步以太网频率分配的典型体系结构。

    同步以太网的频率信号分配也采用了与SDH/SONET完全相同的体系结构，除了基准频率时钟(PRC)和EEC之外，都引入了可独立运行的同步供给单元(SSU)，以便在3个方面增强电信级应用能力：

• 减少因抖动和漂移累积而导致的同步性能劣化
• 向各种不同的应用目标供给同步和定时参考
• 在PRC故障时增强同步的保持能力和恢复能力

    同步以太网参照SDH/SONET的网同步规范(G.803)，在PRC到SSU之间以及SSU到SSU之间的同步链中，规定其间SDH设备时钟(SEC)的数量不能超过20，串接在一条PRC分支链中的SSU数量不能越过10，EEC数量不能超过60。实际应用中，为留有一定余地，同步链中通常间隔10~15个EEC并穿插一个SSU，以适应扩容和演进之需。

    (2) 同步信令
    在以TDM为基础的同步网中，SSM也称为同步信令，用于在时钟之间传递时钟的质量等级(QL)信息。基准时钟的质量等级名为QL_PRC，处于保持工作模式的SDH时钟名为QL_SEC。G.8264为同步以太网新定义了2个质量等级：QL_ECC1和QL_ECC2，分别对应自由运行的ECC和保持运行的ECC，相应的性能指标在G.8262中得到约定。

    在SDH/SONET中，SSM通过STM-N/OC-N帧开销的SSM字节传递；而同步以太网中，SSM则通过名为以太网同步消息信道(ESMC)的特殊以太网帧传递。ESMC是ITU-T在IEEE 802.3制订的组织机构专用慢协议(OSSP)基础上，扩展用于以太网同步信令的规范，其消息格式如表1和表2所示。

    同步以太网时钟质量采用TLV编码方法，对应于表2中的类型(T)、长度(L)和SSM码(V)，其中SSM码由4个比特位组成，已规范的取值有两个，值0AH对应于QL_EEC2，值0BH对应于QL_EEC1。表1中的“事件标识”字段取1时，用于心跳，发送周期为1秒，以便接收时钟快速判定上游时钟是否可用。

    (3) 与SDH混合组网的同步
    众所周知，以太网与SDH/SONET会长期共存。实际网络中，骨干网核心层更多可能采用SDH/SONET技术，而网络的汇聚层或接入层则更可能采用以太网技术。这种情况下，两种技术网络的互连边界节点，既存在SDH接口，也存在以太网接口。由于EEC采用了与SEC等同的规范结构，同步以太网有利于混合组网的同步组织。图3给出了混合组网的同步信号分配结构。

    图3中，混合节点设备(H)从SEC获取定时参考，并向EEC提供定时参考。在一般情况下，混合节点设备可从SEC、EEC和SSU获取时钟参考信号，并可向SEC、EEC以及SSU提供时钟参考。

6 IEEE 1588以太网同步
    IEEE 1588同步技术最初由安捷伦提出，第一版标准于2002年得到了批准，第二版标准于2008年颁布[5-6]。IEEE 1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精确时钟同步协议标准”，简称为精确定时协议(PTP)，他可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步[7]。2009年中国通信标准化协会发布了相对应的YD/T 2022“时间同步设备技术要求”规范。

6.1 IEEE 1588系统结构
    IEEE 1588系统由PTP设备和无PTP功能的网络设备组成。根据功能的不同，PTP设备可分类为：普通时钟(OC)、边界时钟(BC)、透明时钟(TC)和管理节点。只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个 PTP子系统内只能有一个主时钟。

    系统中的最优时钟为最高级时钟(GMC)，有着最好的稳定性和准确性。根据各节点上时钟的精度和级别以及世界协调时(UTC)的可追溯性等特性，由最佳主时钟选择算法来自动选择各子网内的主时钟；在只有单一PTP子网中，主时钟就是GMC。每个系统只有一个GMC，且每个子网内只有一个主时钟，从时钟与主时钟保持同步。

    如果不同PTP子网需要互联，则必须由BC来实现。BC的某个端口会作为从属端口与GMC相联，并为整个系统提供时间标准。BC的其他端口作为主端口，将同步信息传送到其他子系统。图4给出了一个简单IEEE 1588系统的结构示意。

    PTP透明时钟，位于主时钟和从时钟的通信路径之中，通常为以太网交换机或中继器，主要为延时测量提供精确测量出的收发时间，并添加到同步消息中，为主从同步操作中的延时计算提供准确依据。

    PTP同步过程中需要记录经由物理层的发出和接收时间，并添加到同步信息的“时间戳”字段。PTP的协议功能，主要用于主、从时钟之间相互交换用于同步的时间戳信息，以便从时钟计算得到其相对标准时间偏差，用于时间校对。PTP的协议报文，包括以下10类：

(1) 同步(Sync)，包含了一个时间戳，描述了数据包发出的预计时间；
(2) 跟随(Follow_Up)，包含测量出的同步报文发送时间；
(3) 延时请求(Delay_Req)，要求对端返回接到报文的时间；
(4) 延时应答(Delay_Resp)，包含测量出的Delay_Resp报文接收时间；
(5) 对等延时请求(PDelay_Req)，包含透明时钟测到的延时修正；
(6) 跟随对等延时请求(Pdelay_Resp_Follow_Up)，包含透明时钟测到的延时修正；
(7) 对等延时应答(PDelay_Resp)，包含透明时钟测到的延时修正；
(8) 申明，用于在以太网中建立等级制的同步树；
(9) 管理，在管理节点与PTP时钟之间实现配置和管理消息传送；
(10) 信令，在时钟节点之间传送其他消息。

    在简单配置结构中，通过(1)~(4)类PTP报文交换，从时钟可与直连的主时钟达到时间同步。

6.2 同步机制
    PTP同步过程分为漂移测量阶段和偏移与延时测量阶段。第一阶段修正从时钟与主时钟之间的时间偏差，称为漂移测量。如图5所示，在修正漂移量的过程中，主时钟按照定义的间隔时间（缺省是2 s）周期性地向相应的从时钟发出同步报文。同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值。主时钟测量传递的准确时间(TM)，从时钟测量接收的准确时间(TS)。之后主时钟发出跟随报文，此报文与同步报文相关联，包含了此前同步报在物理接口发送的更为精确的测量时间，即TM。从时钟根据同步报文的接收时间和TM计算本地时间偏移量，修正从时钟的时间。

    如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就达到同步。如果路径延时不可忽略，需要通过如图6所示的第二阶段同步操作，把主时钟到从时钟的报文传输延时考虑进来，达到精确同步。

    从时钟向主时钟发出一个延时请求报文，主时钟收到请求报文后，在延迟响应报文中把接收时间戳送回到从时钟。根据发送时间戳和主时钟提供的接收时间戳，从时钟计算得到其主时钟之间的延时。与偏移测量不同，延时测量的间隔时间（缺省值是4~60 s之间的随机值）比偏移值测量间隔时间要大，以保证网络尤其是设备终端的负荷不会太大。

    主、从时钟的通信路径包含交换机等中间设备时，要求中间设备支持透明时钟功能，以便从时钟能扣除同步消息在中间设备上的延时变化和收发路径上的不对称延时。

6.3 最佳主时钟选择算法
    IEEE 1588系统中，通常会存在多个时钟设备，都可以选作为主时钟。最佳主时钟选择算法，可依据时钟特性、网络拓扑、端口状态和管理要求，在一个PTP系统中自行选取最佳时钟。IEEE 1588允许不同的应用扩展采用不同的时钟选择算法，但在一般情况下，首选时钟等级高(级数小)的时钟，同等级情况下首选媒体接入控制(MAC)地址值大的时钟。由IEEE 1588附带的最佳主时钟判定规则包括6条，如表3所列。

    最佳主时钟选择由每个时钟分立计算，各时钟之间通过申明报文交换上述数据信息。表3中，1类优先级、2类优先级和部分的时钟类别，由面向特定应用的PTP配置来约定。比如，PTP的电信级应用，由ITU-T G.8265.1/2和G.8275.1/2给出相应定义。再比如，IEEE PC37.238针对电力系统应用制订了专门的PTP配置，IEEE 802.1AS针对AVB制订了相应PTP配置，IETF TICTOC工作组则正在制订针对MPLS传送的PTP相关配置。

6.4 IEEE 1588与同步以太网的联合应用
    IEEE 1588采用分组方式传送时间同步消息，其同步性能低于采用TDM方式的同步以太网。但是，IEEE 1588适用面更广，技术成熟度较高，且不占用专门的传输资源，特别有利于部署在网络的接入部分。如前所述，同步以太网能与现有TDM为基础的同步网平稳互联，因此更适宜部署在网络的核心侧。这种横向联合的技术应用方案，既可以发挥同步以太网的高性能和兼容性，也可以充分利用IEEE 1588的经济性。

    同步以太网主要面向时钟频率的同步要求，IEEE 1588则主要面向时间的同步要求。在准确度方面，同步以太网技术很容易实现10 ns以内的频率准确度，而IEEE 1588的时间准确度通常要低于100 ns。重叠部署同步以太网和IEEE 1588，在实现频率同步和时间同步的基础上，同时也可以大幅度地提升以太网的时间同步性能。

    早在2007年，研究人员就已提出了采用纵向联合的技术方案，在实验室内得到了准确度达亚纳秒的实验测试结果，如表4所示。在单独应用IEEE 1588的同步实验中，时间准确度最差达到约120 ns，这与中国运营企业的实验结果是相互吻合的。而启用同步以太网提供频率同步服务后，时间同步准确度小于1 ns，性能改善了2个数量级[8]。

    需要强调的是，无论是横向方案还是纵向方案，IEEE 1588与同步以太网的联合应用，其技术可行性和同步性能都还有待于进一步的研究和探索。   （待续）

7 参考文献
[1] FERRANT J L,RUFFINI S. Q13 Standards Updates[R]. IETF 79/TICTOC.2010.
[2] ITU-T G.8261/Y.1361. Timing and Synchronization Aspects in Packet Networks [S]. 2006.
[3] ITU-T G.8262/Y.1362. Timing Characteristics of Synchronous Ethernet Equipment Slave Clock (EEC) [S]. 2007.
[4] ITU-T G.8264/Y.1364. Distribution of Timing Information through Packet Networks [S]. 2008.
[5] IEEE 1588. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S]. 2008
[6] Harris K R, Balasubramanian S, Moldavansky A. The Application of IEEE 1588 to a Distributed Motion Control System [EB/OL].
   http://www.ab.com/networks/ethernet/get/AMotionControlApplicationUsing1588.pdf.
[7] MILLER D. DP83640 synchronous Ethernet mode: Achieving Sub-Nanosecond Accuracy in PTP Applications[R]. National Semiconductor Application Note 1730.2007
[8] 李晗. PTN 承载高精度时间同步协议技术研究[J]. 中兴通讯技术, 2010, 16(3):35-39.

收稿日期：2011-01-20