IEEE1588時鐘同步在PTN網(wǎng)中的實現(xiàn)

摘要：詳細分析了IEEE1588時鐘同步的基本原理，介紹了阿爾卡特朗訊TSS-5產(chǎn)品中實現(xiàn)IEEE1588時鐘同步系統(tǒng)的方案，給出具體的硬件架構(gòu)框圖以及系統(tǒng)功能框圖，最后列出TSS-5網(wǎng)元在實驗室做的時間性能實驗。實驗結(jié)果表明TSS-5時鐘同步具有穩(wěn)定的性能，同步精度達到亞微秒級，可滿足PTN產(chǎn)品高精度時鐘同步的要求。
關(guān)鍵詞：分組傳輸網(wǎng)；精確時間協(xié)議；IEEE1588；時鐘同步；邊界時鐘

    業(yè)務(wù)IP化、傳送分組化是通訊技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。PTN基于純分組內(nèi)核，融合了傳輸網(wǎng)的可靠性與數(shù)據(jù)網(wǎng)的靈活性，在擁有全面電信級特性和強大管理能力的同時，又繼承了良好的可擴展性，并具備高效的統(tǒng)計復(fù)用能力，能適應(yīng)高價值分組業(yè)務(wù)的承載要求。PTN分組傳送網(wǎng)是目前公認的取代SDH的下一代傳輸技術(shù)。而IEEE1588時鐘同步技術(shù)是PTN分組網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    在工業(yè)測量和控制等應(yīng)用領(lǐng)域，目前大量使用基于網(wǎng)絡(luò)通信和本地計算的分布式系統(tǒng)。為了確保分布式終端能夠?qū)崿F(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集、運行控制等實時性任務(wù)，需要整個系統(tǒng)具有統(tǒng)一的參考時間，并且應(yīng)該使所有分布式終端的本地時鐘與該系統(tǒng)時間保持同步。分布式終端與系統(tǒng)時間的同步需要依靠某種通信協(xié)議完成，為了使不同的系統(tǒng)器件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商之間互聯(lián)，美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)開發(fā)并發(fā)布了“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準(Precision clock synchronization protocol for networkedmeasurement and control systems)”，即IEEE1588協(xié)議，簡稱為PTP(Precision Time Protoco1)協(xié)議。IEEE1588協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，具有亞微秒級的時間同步性能、良好的載體移植能力及穿透非1588網(wǎng)絡(luò)的貫通能力。IEEE1588有三種時鐘模式：普通時鐘(OC)、邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)。OC通常是網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個1588端口且只能作為Slave(從端口)或Master(主端口)。BC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點時鐘設(shè)備，該設(shè)備有多個1588端口，其中一個端口可作為Slave，設(shè)備系統(tǒng)時鐘的頻率和時間同步于上一級設(shè)備，其他端口作為Master，可以實現(xiàn)逐級的時間傳遞。TC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點時鐘設(shè)備，實現(xiàn)1588報文透傳。

1 IEEE1588同步原理
    IEEE1588通過交換報文來確定主時鐘(Master)和從時鐘(Slave)之間的時間偏差及報文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。圖1為IEEE1588同步原理圖。M aster端發(fā)Sync消息給Slave，Sync消息中包括其離開Master時的時間t1，Slave接收后記錄該消息到達時間t2；Slave發(fā)Delay_Req消息給Master，并記錄Delay_Req的離開時刻t3；Maste端記錄Delay_Req到達時間t4，并通過Delay_Resp把t4發(fā)回給Slave。Slave根據(jù)t1，t2，t3，t4來計算主從時間偏差及傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。

    這里把主從時間偏差記作△toffset，而發(fā)送Sync消息傳輸需要的時間記作△tdelay，發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時間記作△tdelay 34。
   
    在IEEE1588協(xié)議里假設(shè)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸是對稱的，我們標記傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲為△tdelay，即公式(3)。

    從原理中可以看出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲嚴重影響時鐘同步精度。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲包含協(xié)議棧、存貯轉(zhuǎn)發(fā)及物理網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延。物理網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的線路延時一般是穩(wěn)定的，而協(xié)議棧及存貯轉(zhuǎn)發(fā)在運行過程中由于受不確定因素影響會產(chǎn)生較大的抖動，這對同步的精度有較大的影響。為此IEEE1588協(xié)議提出了一種基于軟件和硬件相結(jié)合的時間同步方法，將時間戳的標記點下移到MAC層和PHY層之間，即圖2中的A點，降低協(xié)議棧及業(yè)務(wù)流量對同步時間的影響，使同步過程中的主要延時為物理層延時，如圖2所示。

2 IEEE1588時鐘同步系統(tǒng)的實現(xiàn)
    1850TSS是阿爾卡特朗訊推出的PTN傳送解決方案，1850TSS系列產(chǎn)品實現(xiàn)了IEEE1588時鐘同步。TSS-5產(chǎn)品IEEE1588時鐘同步的系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。從系統(tǒng)的功能上分，可以把該系統(tǒng)分為6個功能模塊：物理PHY模塊，時間戳模塊，MAC模塊，包處理模塊、時鐘處理模塊和IEEE1588協(xié)議處理模塊。相比一般的PTN節(jié)點，為支持IEEE1588時鐘同步該網(wǎng)元增加了時間戳模塊、IEEE1588協(xié)議處理模塊和時鐘處理模塊3部分。

    時間戳模塊包括時間戳產(chǎn)生器，對輸入輸出消息進行識別分類，并對事件消息進行時間標記。在接收方向，F(xiàn)PGA負責識別Sync與Dly_Req包，并把收到包的時間插入到IEEE1588報文的TLV里，然后把報文轉(zhuǎn)發(fā)給交叉芯片，由交叉芯片轉(zhuǎn)發(fā)給CPU口的IEEE1588協(xié)議處理模塊(軟件模
塊)。在發(fā)送方向，F(xiàn)PGA會在Sync與Dly_Req報文發(fā)送之前，為報文打時間戳，更新IEEE1588報文中的CF以及發(fā)送時間。

    IEEE1588協(xié)議處理模塊主要包括最佳主時鐘(BMC)算法與本地時鐘同步LCS算法。BMC算法其作用為：建立主從同步鏈，保證時鐘路由不成環(huán)；支持多個時間源的自由選擇和自動切換。協(xié)議處理模塊通過BMC算法來決策哪個時鐘是最好的，并據(jù)此來決定端口的下一個狀態(tài)值是Mas ter、Slave還是Passive。然后根據(jù)主從節(jié)點的運行狀態(tài)發(fā)送不同的IEEE1588報文。LCS算法則根據(jù)IEEE1588報文里的時間戳信息，計算出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲及主從時間偏差，并利用主從時間偏差調(diào)整本地時間，完成本地時鐘節(jié)點與主時鐘的校準。
    時鐘處理模塊在Server模式下，接收GPS或1PPS／ToD等信息作為GrandMaster時鐘，提供時間戳產(chǎn)生時的精確時間；在Slave狀態(tài)時，接收IEEE1588協(xié)議產(chǎn)生的時間差值調(diào)整本地時間；在Master狀態(tài)時提供精確的本地時間用于時間戳的產(chǎn)生，同時也可輸出1PPS／TOD信息供外部設(shè)備使用。特別說明一點兒，為了讓1588協(xié)議處理模塊接口保持一致性，F(xiàn)PGA仿真成Master，把接收的1PPS／ToD信息進行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成Announce和Sync消息再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)議處理模塊。

3 時鐘同步性能測試
    PTN網(wǎng)絡(luò)時間傳遞性能受時間傳遞方法的影響較大，不同的方法，不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，其輸出同步相位及時鐘抖動相差較大。2011年TSS-5參與并通過了中國移動PTN測試，TSS-5時鐘同步性能表現(xiàn)穩(wěn)定。這里給出實驗室的測試結(jié)果。測試設(shè)備連接如圖5所示，由GPS提供ToD信號，頻率與時間測量儀1PPS信號同步，輸出1PPS信號到時間測量儀。測試的時間性能如圖6所示，實驗結(jié)果表明時鐘同步具有穩(wěn)定的性能，在主從同步穩(wěn)定后，時間偏差在-100～100ns。

4 結(jié)束語
    實驗結(jié)果表明TSS-5時鐘同步具有穩(wěn)定的性能，同步精度達到亞微秒級，可滿足PIN產(chǎn)品高精度時鐘同步的要求。利用IEEE1588協(xié)議實現(xiàn)PTN網(wǎng)絡(luò)的時間同步是是未來移動承載網(wǎng)研究和發(fā)展的一個重要方向。非對稱光纖鏈路的時延計算與補償、鏈路保護倒換的收斂時間、網(wǎng)絡(luò)OAM等問題是TSS-5產(chǎn)品正在研究實現(xiàn)的重點問題，而這些也正是PTN急需解決的問題。