精密时间协议──封包网路上的频率同步模板.doc

IEEE 1588精密時間協議──封包網路上頻率同时

電信網路正從電路交換技術快速轉向封包交換技術, 以滿足关键網路和接取網路對頻寬需求快速擴大。傳統電路交換TDM網路本身就支援在整個網路上實現精 密頻率同时。為了確保向終端用戶設備提供高等級QoS, 無線基地台和多服務接取點(MSAN)等接取平台仍然依賴網路回傳連接上提供同时功效。在電信網 中, 能否透過乙太網路向遠端無線基地台和接取平台提供營運級同时品質, 是向乙太網路回傳網路演進關鍵。
時間傳輸協定
最初使用時間傳輸協定電信設備是透過伺 服控制迴路驅動遠端網元(如街道機箱接取平台和無線基地台)中參考振盪器。這些遠端網元中參考振盪器以前都是從T1/E1 TDM回傳連接恢復同时。只要TDM傳輸網路能够追蹤到基準參考時脈(PRC), 遠端網元就能採用相對簡單伺服控制將它們振盪器鎖定到可追蹤PRC 回傳反饋時脈。當回傳連接變成乙太網路──遠端網元與同时源相互隔離時問題就來了。本文將討論怎样使用乙太網路上IEEE 1588精密時間協議(PTP)向遠端網元提供同时。雖然乙太網路已得到廣泛 普及, 是低價連接理想介質, 但並不非常適合要求精密同时應用。乙太網路生來就是非確定性網路, 很難提供要求同时即時或對時間敏感應用。PTP透 過網路實體層硬體時間戳技術很好地克服了乙太網路延遲和抖動問題, 所以使用乙太網路承載時脈數據封包能够達到100ns範圍內空前精密度, 進而顯著 節省成本。
下一代網路同时功效
基於GPS衛星接收器能够提供小於100ns 精密度, 經常被用於精密時間與頻率同时非常關鍵領域, 如電信、 軍事和航空應用。但提升精密度成本巨大。基於GPS系統需要安裝室外天線, 確保直接看 到天空方便接收低功率衛星傳輸訊號, 這不僅增加了費用, 而且對設備實體架構也帶來了額外負擔。基於這個理由, GPS最適合在局端作為電信網路基準 參考時脈, 然後使用其它技術向遠端設備分配同时和定時。電信廠商和設備製造商正研究透過乙太網路提供同时多種新方法。
* 自適應時脈恢復(ACR): 基於電路模擬服務(CES)許多非標準化解決方案使用ACR技術在遠端 下游單元再生網路時脈。然而, 廠商在使用這種技術時碰到了部分性能問題, 更不用說部分关键廠商通常不願意採用非標準化解決方案來實現大規模新服務布署。
* 同时乙太網路: ITU最近已經完成了意在滿足透過乙太網路傳輸網路提供頻率同时需求同时乙 太網路(G.8261,G.8262,G.8263)定義工作。現有乙太網路和同时乙太網路(Sync-E)基础區別是發送PHY時脈。現在 IEEE 802.3要求發送時脈達到100ppb(十億分之一)自由振盪時脈精密度。在同时乙太網路中, 發送時脈精密度必須達到4.6ppb, 並能透過外部 SSU/BITS參考或接收時脈追蹤到一級時脈。透過簡單地將乙太網路發送和接收時脈鏈接起來, 同时乙太網路能够用來與SONET/SDH交換數據。同 步乙太網路面臨挑戰是, 在PRC和終端設備之間整個路徑上, 全部乙太網路交換機都要透過升級, 才能具備同时乙太網路功效。
* 網路時間協議(NTP): NTP作為最流行協議被廣泛用於LAN和WAN上時間同时。NTP實現成本相對較低, 幾乎不需要修改硬體。然而, 现在版本 NTP和實現方案還不能滿足電信網路同时所需更高精密度要求。
其次, PTP透過使用現有乙太網路分配網路能够提供接 近NTP成本效益, 並透過使用基於硬體時間戳技術達到超過NTP精密度。PTP能够與使用高速交換機標準乙太網路上正常網路服務共存, 同時提供 毫秒級同时精密度。達到這個傑出性能指標關鍵是硬體輔助下時間戳技術。
PTP原理: 硬體輔助時間戳技術
在 網路時間保持應用中必須克服兩個关键問題是振盪器漂移和時間傳輸延遲。不管採用何種協議, 振盪器漂移問題都能够透過使用更高品質振盪器和從更高精密度 時脈源(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, 它含有雙重性: 现有與作業系統處理時間數據封包有關延遲, 也有由於源時脈 與目時脈之間存在路由器、 交換機、 電纜和其它硬體引发網路延遲。在減少作業系統延遲和抖動方面PTP是最成功。
PTP 將時戳單元(TSU)和主從時脈之間時間戳交換創新方法結合在一起。位於乙太網路介質存取控制(MAC)和乙太網路PHY接收器之間TSU同時嗅探輸 入輸出數據串流, 當識別出IEEE 1588 PTP數據封包前導位元時發佈一個時間戳, 用於精確標記PTP時間數據封包到達或離開(圖1)。

圖1: TSU位於乙太網路MAC和乙太網路PHY接收器之 間。
為了估計和減少作業系統延遲, 主時脈會根據当地時脈週期性地向網路上從時脈發送一個同时(Sync)報文。TSU對發送Sync報文標記上確切 時間。從時脈也給到達Sync報文標上時間戳, 然後將到達時間和Sync報文中提供離開時間進行比較, 於是就能判斷作業系統中延遲量, 最後對時脈 作出相應調整。
透過測量主時脈和從時脈之間來回延遲能够減少與網路有關延遲。從時脈週期性地向主時脈發送一個延遲請求 報文(Delay_Req), 然後由主時脈發起一個延遲應答報文(Delay_Resp)。由於這兩個報文都有精確時間戳, 從時脈能够將這個資訊和來自 Sync報文細節結合起來測量和調整網路導入延遲。精密時間戳交換協議詳見圖2。

圖2: 用於從PTP主時脈向PTP從時脈傳輸時間數據 封包序列。
Sync數據封包在離開主時脈(T1)和到達從時脈(T2)時被標上時間戳。跟隨(Follow- up)數據封包將Sync數據封包離開時間傳送給從時脈。延遲應答數據封包在離開從時脈(T3)和到達主時脈(T4)時也被標上時間戳。Sync數據封包 和Follow-Up數據封包對被主時脈作為延遲請求和延遲應答數據封包週期性地發送出去。用於從時脈校正公式為: 0.5 (T1-T2-T3+T4)。
確定目標精密度
PTP協議採用硬體時間戳技術提供 亞微秒級精密度。在電信WAN上性能表現取決於以下三個关键原因:
* 主從時脈中時間戳引擎解析度和精密度(起始精密度)
* 穿越WAN延遲/數據封包延遲變化(PDV), 包含跳數、 負載以及交換機/路由器配置
* 在從時脈側伺服處理增益和振盪器實現(PDV不確定性被濾除效率有多高)
在起始精密度較高情況下, 電信網路上數據 封包延遲變化(PDV)將很快成為基於數據封包定時解決方案誤差主導原因。重视QoS配置和負載變化兩層交換網路能够提供最好PDV性能。這種情 況非常適合IEEE 1588 PTP, 因為PTP針對兩層交換環境作了最好化。然而, PDV是三層軟體路由網路中主導原因。振盪器穩定性和從時脈側伺服設計將成為確保滿足電信網路 同时要求關鍵性能原因。
選擇廣播間隔和振盪器類型
在PTP中, 目標定時精密度 決定了同时報文廣播頻度以及使用什麼類型振盪器。更頻繁廣播能够得到更精確同时, 但也會產生更多網路流量, 雖然使用頻寬非常小。更高品質振 盪器也能得到更精確同时。使用較低品質振盪器同時增加廣播頻率方便更經濟地達到目標精密度似乎很有誘惑力, 但這種做法是不推薦。低品質振盪器缺乏 為電信應用提供高精密度PTP所需穩定性, 所以縮短廣播間隔通常得不償失。
精密度也是IEEE 1588主時脈功效。IEEE 1588主時脈也被稱為最高級時脈(grandmaster), 是網路上最終時間源。最高級時脈通常以GPS為基準, 所以非常穩定, 也非常精確。 UTC(協調世界時)精密度通常在30ns RMS以上。透過使用如此高精密度時脈和絕對時間基準, PTP網路上時間能够得到很好同时。高品質最高級時脈還有其它部分測量特征, 可用來表徵網 元延遲和抖動特徵, 並測量相對於最高級時脈從時脈精密度。
選擇其它硬體
在路 由器緩衝記憶體延遲和交換機延遲影響時間傳輸精密度乙太網路上, PTP能夠很好地發揮作用。圖3比較了在经典乙太網路交換機、 線速路由器和基於軟體路 由器上所做延遲和PDV測量結果。先進線速路由器在延遲和PDV方面能够提供與傳統兩層交換相媲美快速交換, 使得它們非常適合PTP同时分配應用。 其次, 與基於軟體路由器相關高延遲和PDV可能成為如上所述一個限制原因。

圖3: 顯示乙太網路交換機(上部)、 線速路由器(中間)和軟體路由器(底部)延遲柱狀圖。線速路由器性能相當於兩層交換 機, 而軟體路由器PDV高出了兩個數量級。
PTP協議還導入了部分特殊元件, 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、 其它埠透過增加功效來保持精密度交換機。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 多埠交換機。邊界時脈提供了向眾多子網調節同时好方法。但使用串聯邊界時脈會在伺服迴路中積累非線性時間偏移, 最終導致不可接收精密度下降。
透 明時脈是PTP網路中另一個潛在硬體選項。這是一種含有PTP功效交換機, 能夠透過修改Delay_Resp和Follow-Up報文中精密時間戳 消除交換機本身內部接收和發送延遲, 所以改進從時脈和主時脈之間同时精密度。不过, 當原始數據封包密碼校驗和不匹配到達從時脈處最終數據封包時, 透 明時脈也可能產生安全問題。
PTP在電信中應用
許多電信網路設備供應商都把IEEE 1588 PTP作為滿足下一代無線和接取平台同时要求最具性價比方法。比如, 全部GSM和UMTS基地台頻率必須同时到±50ppb(十億分之一), 以支援手機 從一個基地台行動到另一個基地台時網路切換。不能滿足50ppb同时要求將導致通話中斷。為了滿足這個要求, 基地台傳統做法是將內部振盪器鎖定到從 T1/E1 TDM回傳連接恢復時脈上。當回傳通道變為乙太網路後, 基地台與傳統網路同时反饋連接斷開了。圖4為使用PTP無線網路向遠端基地台提供同时经典 布署情景。基地台都將採用PTP從設備恢復出定時數據封包, 進而用於控制基地台內部振盪器以滿足50ppb要求。基地台中PTP從設備需要存取行動交 換中心(MSC)中布署廠商級PTP最高級時脈。在MSC中布署PTP最高級時脈關鍵考慮原因包含:

圖 4: 向下一代UMTS基地台提供同时需要利用在MSC/RNC中布署PTP最高級時脈。同时數據封包從最高級時脈流向基地台中從時脈。
* 將PTP最高級時脈功效整合進現有MSC同时平台(即BITS──大樓合成時脈供應系統, 以及SSU──同时提供單元)。
* 乙太網路傳輸單元配置──快速交換
* 振盪器選擇和PTP從/伺服控制
MSAN和IP-DSLAM也要求支援 傳統TDM應用, 如T1/E1落地服務。設備製造商將PTP作為向基於遠端終端接取平台分配同时方法。ITU最近發佈了G.8261標準, 以期確立 封包網路同时要求。在具體實施時考慮原因與上述無線平台相同, 關鍵仍然是將PTP最高級時脈功效整合進電信局端BITS和SSU平台(圖5)。

圖5: 支援傳統TDM服務MSAN要求從局端開始經乙太網路回傳進行同时分配。MSAN中PTP從時脈 能够從局端BITS/SSU中PTP最高級時脈獲得同时。
PTP發展前景
自 從推出以來, PTP獲得了人們高度關注, 它影響也是與日俱增。現在許多網路設備供應商生產硬體都支援網路系統中PTP。IEEE 1588 PTP協議正繼續完善, 方便進一步提升精密度、 改進容錯性能, 並增強電信應用中管理能力。奈秒級精密度、 布署轻易及高性價比PTP正眾多領域悄然改變 同时應用前景。
作者: Kevin Hsu
　 　　行銷副總裁
　　　Symmetricom企业