IEEE 1588精密時間協(xié)議—分組網(wǎng)絡上的頻率同步

電信網(wǎng)絡正在從電路交換技術快速轉向分組交換技術，以滿足核心網(wǎng)和接入網(wǎng)對帶寬需求的迅速擴大。傳統(tǒng)的電路交換TDM網(wǎng)絡本身就支持在整個網(wǎng)絡上實現(xiàn)精密頻率同步。為了確保向終端用戶設備提供高等級QoS，無線基站和多業(yè)務接入點(MSAN)等接入平臺仍然依賴網(wǎng)絡回傳連接上提供的同步功能。在電信網(wǎng)中，能否通過以太網(wǎng)向遠端無線基站和接入平臺提供運營級的同步質量，是向以太網(wǎng)回傳網(wǎng)演進的關鍵。

時間傳輸協(xié)議

最初使用時間傳輸協(xié)議的電信設備是通過伺服控制環(huán)路驅動遠端網(wǎng)元(如街道機箱接入平臺和無線基站)中的參考振蕩器。這些遠端網(wǎng)元中的參考振蕩器以前都是從T1/E1 TDM回傳連接恢復同步。只要TDM傳輸網(wǎng)絡可以跟蹤到基準參考時鐘(PRC)，遠端網(wǎng)元就能采用相對簡單的伺服控制將它們的振蕩器鎖定到可跟蹤PRC的回傳反饋時鐘。當回傳連接變成以太網(wǎng)——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以太網(wǎng)上的IEEE 1588精密時間協(xié)議(PTP)向遠端網(wǎng)元提供同步。雖然以太網(wǎng)已得到廣泛普及，是低價連接的理想介質，但并不非常適合要求精密同步的應用。以太網(wǎng)生來就是非確定性的網(wǎng)絡，很難提供要求同步的實時或對時間敏感的應用。PTP通過網(wǎng)絡物理層的硬件時間戳技術很好地克服了以太網(wǎng)的延遲和抖動問題，因此使用以太網(wǎng)絡承載時鐘數(shù)據(jù)包可以達到100ns范圍內的空前精度，進而顯著節(jié)省成本。

下一代網(wǎng)絡的同步功能

基于GPS的衛(wèi)星接收器可以提供小于100ns的精度，經(jīng)常被用于精密時間與頻率同步非常關鍵的領域，如電信、軍事和航空應用。但提高精度成本巨大。基于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)星傳輸信號，這不僅增加了費用，而且對設施的物理架構也帶來了額外的負擔。基于這個理由，GPS最適合在中心局用作電信網(wǎng)絡的基準參考時鐘，然后使用其它技術向遠端設備分配同步和定時。電信運營商和設備制造商正在研究通過以太網(wǎng)絡提供同步的多種新方法。

* 自適應時鐘恢復(ACR)：基于電路仿真業(yè)務(CES)的許多非標準化解決方案使用ACR技術在遠端下游單元再生網(wǎng)絡時鐘。然而，運營商在使用這種技術時遇到了一些性能問題，更不用說一些主要運營商通常不愿意將大規(guī)模的新業(yè)務部署交付給非標準化解決方案來實現(xiàn)。

* 同步以太網(wǎng)：ITU最近已經(jīng)完成了旨在滿足通過以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡提供頻率同步需求的同步以太網(wǎng)(G.8261,G.8262,G.8263)的定義工作。現(xiàn)有以太網(wǎng)和同步以太網(wǎng)(Sync-E)的基本區(qū)別是發(fā)送PHY時鐘。現(xiàn)在的IEEE 802.3要求發(fā)送時鐘達到100ppb(十億分之一)的自由振蕩時鐘精度。在同步以太網(wǎng)中，發(fā)送時鐘精度必須達到4.6ppb，并能通過外部SSU/BITS參考或接收時鐘跟蹤到一級時鐘。通過簡單地將以太網(wǎng)的發(fā)送和接收時鐘鏈接起來，同步以太網(wǎng)可以用來與SONET/SDH交換數(shù)據(jù)。同步以太網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)是，在PRC和終端設備之間的整個路徑上，所有以太網(wǎng)交換機都要通過升級具備同步以太網(wǎng)功能。

* 網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)：NTP作為最流行的協(xié)議被廣泛用于LAN和WAN上的時間同步。NTP實現(xiàn)成本相對較低，幾乎不需要修改硬件。然而，目前版本的NTP和實現(xiàn)方案還不能滿足電信網(wǎng)絡同步所需的更高精度要求。

另一方面，PTP通過使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)分配網(wǎng)絡可以提供接近NTP的成本效益，并通過使用基于硬件的時間戳技術達到超過NTP的精度。PTP可以與使用高速交換機的標準以太網(wǎng)網(wǎng)絡上的正常網(wǎng)絡業(yè)務共存，同時提供毫秒級的同步精度。達到這個杰出性能指標的關鍵是硬件輔助下的時間戳技術。

PTP工作原理：硬件輔助下的時間戳技術

在網(wǎng)絡時間保持應用中必須克服的兩個主要問題是振蕩器漂移和時間傳輸延時。不管采用何種協(xié)議，振蕩器漂移問題都可以通過使用更高質量的振蕩器和從更高精度的時鐘源(如GPS)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：既有與操作系統(tǒng)處理時間數(shù)據(jù)包有關的延時，也有由于源時鐘與目的時鐘之間存在的路由器、交換機、電纜和其它硬件引起的網(wǎng)絡延時。在減少操作系統(tǒng)延時和抖動方面PTP是最成功的。

PTP將時戳單元(TSU)和主從時鐘之間時間戳交換的創(chuàng)新方法結合在一起。位于以太網(wǎng)介質訪問控制(MAC)和以太網(wǎng)PHY接收器之間的TSU同時嗅探輸入輸出數(shù)據(jù)流，當識別出IEEE 1588 PTP數(shù)據(jù)包的前導位時發(fā)布一個時間戳，用于精確標記PTP時間數(shù)據(jù)包的到達或離開(見圖1)。

F1: TSU位于以太網(wǎng)MAC和以太網(wǎng)PHY接收器之間。

為了估計和減少操作系統(tǒng)延時，主時鐘會根據(jù)本地時鐘周期性地向網(wǎng)絡上的從時鐘發(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。從時鐘也給到達的Sync報文標上時間戳，然后將到達時間和Sync報文中提供的離開時間進行比較，于是就能判斷操作系統(tǒng)中的延時量，最后對時鐘作出相應的調整。

通過測量主時鐘和從時鐘之間的來回延時可以減小與網(wǎng)絡有關的延時。從時鐘周期性地向主時鐘發(fā)送一個延時請求報文(Delay_Req)，然后由主時鐘發(fā)起一個延時應答報文(Delay_Resp)。由于這兩個報文都有精確的時間戳，從時鐘可以將這個信息和來自Sync報文的細節(jié)結合起來測量和調整網(wǎng)絡引入的延時。精密時間戳交換協(xié)議詳見圖2。

圖2：用于從PTP主時鐘向PTP從時鐘傳輸時間的數(shù)據(jù)包序列。

Sync數(shù)據(jù)包在離開主時鐘(T1)和到達從時鐘(T2)時被標上時間戳。跟隨(Follow-up)數(shù)據(jù)包將Sync數(shù)據(jù)包離開時間傳送給從時鐘。延時應答數(shù)據(jù)包在離開從時鐘(T3)和到達主時鐘(T4)時也被標上時間戳。Sync數(shù)據(jù)包和Follow-Up數(shù)據(jù)包對被主時鐘作為延時請求和延時應答數(shù)據(jù)包周期性地發(fā)送出去。用于從時鐘校正的公式為：0.5 (T1 – T2 – T3 – T4)。

確定目標精度

PTP協(xié)議采用硬件時間戳技術提供亞微秒級的精度。在電信WAN上的性能表現(xiàn)取決于以下三個主要因素：

* 主從時鐘中的時間戳引擎的分辨率和精度(起始精度)

* 穿越WAN的延時/數(shù)據(jù)包延時變化(PDV)，包括跳數(shù)、負載以及交換機/路由器配置

* 在從時鐘側的伺服處理增益和振蕩器實現(xiàn)(PDV的不確定性被濾除的效率有多高)

在起始精度較高的情況下，電信網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)包延時變化(PDV)將很快成為基于數(shù)據(jù)包的定時解決方案的誤差主導因素。注重QoS配置和負載變化的兩層交換網(wǎng)絡可以提供最佳的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)境作了優(yōu)化。然而，PDV是三層軟件路由網(wǎng)絡中的主導因素。振蕩器穩(wěn)定性和從時鐘側的伺服設計將成為確保滿足電信網(wǎng)絡同步要求的關鍵性能因素。

選擇廣播間隔和振蕩器類型

在PTP中，目標定時精度決定了同步報文廣播的頻度以及使用什么類型的振蕩器。更頻繁的廣播可以得到更精確的同步，但也會產(chǎn)生更多的網(wǎng)絡流量，雖然使用的帶寬非常小。更高質量的振蕩器也能得到更精確的同步。使用較低質量的振蕩器同時增加廣播頻率以便更經(jīng)濟地達到目標精度似乎很有誘惑力，但這種做法是不推薦的。低質量的振蕩器缺少為電信應用提供高精度PTP所需的穩(wěn)定性，因此縮短廣播間隔通常得不償失。

精度也是IEEE 1588主時鐘的功能。IEEE 1588主時鐘也被稱為最高級時鐘(grandmaster)，是網(wǎng)絡上的最終時間源。最高級時鐘通常以GPS為基準，因此非常穩(wěn)定，也非常精確。UTC(協(xié)調世界時)的精度通常在30ns RMS以上。通過使用如此高精度的時鐘和絕對時間基準，PTP網(wǎng)絡上的時間可以得到很好的同步。高品質的最高級時鐘還有其它一些測量特性，可用來表征網(wǎng)元的延時和抖動特征，并測量相對于最高級時鐘的從時鐘精度。

選擇其它硬件

在路由器緩存延時和交換機延時影響時間傳輸精度的以太網(wǎng)網(wǎng)絡上，PTP能夠很好地發(fā)揮作用。圖3比較了在典型以太網(wǎng)交換機、線速路由器和基于軟件的路由器上所做的延時和PDV測量結果。先進的線速路由器在延時和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同步分配應用。另一方面，與基于軟件的路由器相關的高延時和PDV可能成為如上所述的一個限制因素。

圖3：表明以太網(wǎng)交換機(上部)、線速路由器(中間)和軟件路由器(底部)延時的柱狀圖。線速路由器性能相當于兩層交換機，而軟件路由器的PDV高出了兩個數(shù)量級。

PTP協(xié)議還引入了一些特殊部件，如邊界時鐘和透明時鐘，即只有一個端口用于提供PTP從時鐘到主時鐘、其它端口通過增加功能來保持精度的交換機。邊界時鐘是指有一個端口是PTP從時鐘至主時鐘、其它端口是主時鐘到下游從時鐘的多口交換機。邊界時鐘提供了向眾多子網(wǎng)調節(jié)同步的好方法。但使用級聯(lián)邊界時鐘會在伺服環(huán)路中積累非線性時間偏移，最終導致不可接受的精度下降。

透明時鐘是PTP網(wǎng)絡中的另一個潛在硬件選項。這是一種帶有PTP功能的交換機，能夠通過修改Delay_Resp和Follow-Up報文中的精密時間戳消除交換機自身內部的接收和發(fā)送延時，從而改進從時鐘和主時鐘之間的同步精度。但是，當原始數(shù)據(jù)包密碼校驗和不匹配到達從時鐘處的最終數(shù)據(jù)包時，透明時鐘也可能產(chǎn)生安全問題。

PTP在電信中的應用

許多電信網(wǎng)絡設備提供商都把IEEE 1588 PTP作為滿足下一代無線和接入平臺同步要求的最具性價比方法。例如，所有GSM和UMTS基站頻率必須同步到±50ppb(十億分之一)，以支持手機從一個基站移動到另一個基站時的網(wǎng)絡切換。不能滿足50ppb的同步要求將導致通話中斷。為了滿足這個要求，基站的傳統(tǒng)做法是將內部振蕩器鎖定到從T1/E1 TDM回傳連接恢復的時鐘上。當回傳通道變?yōu)橐蕴W(wǎng)后，基站與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡同步反饋連接斷開了。圖4給出了使用PTP的無線網(wǎng)絡向遠端基站提供同步的典型部署情景。基站都將采用PTP從設備恢復出定時數(shù)據(jù)包，進而用于控制基站的內部振蕩器以滿足50ppb要求。基站中的PTP從設備需要訪問移動交換中心(MSC)中部署的運營商級PTP最高級時鐘。在MSC中部署PTP最高級時鐘的關鍵考慮因素包括：

圖4：向下一代UMTS基站提供同步需要利用在MSC/RNC中部署的PTP最高級時鐘。同步數(shù)據(jù)包從最高級時鐘流向基站中的從時鐘。

* 將PTP最高級時鐘功能集成進現(xiàn)有的MSC同步平臺(即BITS——大樓綜合時鐘供應系統(tǒng)，以及SSU——同步提供單元)。

* 以太網(wǎng)傳輸單元配置——快速交換

* 振蕩器選擇和PTP從/伺服控制

MSAN和IP-DSLAM也要求支持傳統(tǒng)的TDM應用，如T1/E1落地業(yè)務。設備制造商將PTP作為向基于遠程終端的接入平臺分配同步的方法。ITU最近發(fā)布了G.8261標準，以期確立分組網(wǎng)絡的同步要求。在具體實施時的考慮因素與上述無線平臺相同，關鍵仍然是將PTP最高級時鐘功能集成進電信中心局的BITS和SSU平臺(圖5)。

圖5：支持傳統(tǒng)TDM業(yè)務的MSAN要求從中心局開始經(jīng)以太網(wǎng)回傳進行同步分配。MSAN中的PTP從時鐘可以從中心局BITS/SSU中的PTP最高級時鐘獲得同步。

PTP發(fā)展前景

自從2002年推出以來，PTP獲得了人們高度的關注，它的影響也是與日俱增。現(xiàn)在許多網(wǎng)絡設備供應商生產(chǎn)的硬件都支持網(wǎng)絡系統(tǒng)中的PTP。IEEE 1588 PTP協(xié)議正在繼續(xù)完善，以便進一步提高精度、改進容錯性能，并增強電信應用中的管理能力。納秒級精度、部署容易及高性價比的PTP正在眾多領域悄然改變同步應用前景。