分组传送网中时钟同步技术的研究 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

2 0 1 0 年第5 期 ( 总第1 6 1 期) 光通信研究 S T U D YO NO P T I C A LC O M M U N I C A T I O N S 2 0 1 0 1 0 ( S u m N o 1 6 1 ) 光通信系统与网络技术 分组传送网中时钟同步技术的研究 林子l - 2 。黄元波1 2 ( 1 武汉邮电科学研究院，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ；2 光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要：随着下一代网络( N G N ) 和3 G 网络的大规模应用，传统的以电路交换为主的公共交换电话网( P S T N ) 逐渐转向以分组交 换为主。在从传统网络向未来网络转换的过程中，时钟同步仍然是其中面临的一大难题。文章研究和分析了分组传送网 ( P T N ) 中应用同步的两种技术，即同步以太网技术和I E E E1 5 8 8V 2 技术，并且阐述了其相关原理和在P T N 时钟同步中的应 用。 关键词：分组传送网；以太网；时钟同步 中图分类号：T N 9 1 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 5 8 7 8 8 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 0 4 - 0 3 R e s e a r c ho nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi nP T N L i nZ i l “H u a n gY u a n b 0 1 2 ( 1 W u h a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fP o s ta n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 C h i n a ； 2 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO p t i c a lC o m m u n i c a t i o nT e c h n o l o g i e sa n dN e t w o r k s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A l o n gw i t ht h el a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o n so fN G N a n d3 Gn e t w o r k s ，t h et r a d i t i o n a lP S T Nm a i n l yb a s e do nc i r c u i ts w i t e h i n gg r a d u a l l yt u r n st oP T Nm a i n l yb a s e do np a c k e t - s w i t c h i n g H o w e v e r ，i nt h ec o n v e r s i o nf r o mt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k st o t h ef u t u r en e t w o r k s ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nr e m a i n st ob eo n eo ft h eb i gp r o b l e m s T h i sp a p e ra n a l y z e st w ot e c h n o l o g i e sf o r t i m es y n c h r o n i z a t i o ni nP T N ，E t h e r n e ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dI E E E15 8 8V 2p r o t o c o l ，a n dd e s c r i b e st h e i rp r i n c i p l e s a n da p p l i c a t i o n si nP T Nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n K e yw o e d s ：P T N ；E t h e r n e t ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n O 引言 为适应移动业务从以语音为主的单一业务向多 业务转变，I P 化和宽带化逐渐成为未来网络和业务 发展的趋势。对于承载网而言亦是如此，作为基础 网络的承载网已经由传统电路交换向分组交换方式 演进 1 ，分组传送网( P T N ) 已经成为未来承载网络 的最佳选择，将担当多业务、高质量的传送，而同步 又是保证网络性能的必要手段，所以研究分组网中 的时钟同步有着极其重要的意义。 1 时钟同步技术概述 同步是指两个或多个信号之间在频率或相位上 保持某种特定的关系。在数字通信网中，同步通常 是指网内所有的数字设备的时钟在频率或相位上都 控制在预定的容差范围内 。 同步一般包含两种：频率同步和时间同步。频 率同步，即时钟同步，是指信号之间在频率和相位上 保持某种严格的特定的关系，如，某个固定的位差， 以维持通信网络中的所有设备以相同的速率运行。 数字通信网中传递的信息是经过离散化脉冲编码调 4 制( P C M ) 的，若两个数字设备的频率不一致，则会 引起数字比特流因干扰、损伤而导致的叠加和抖动， 会在缓存器中造成码元的丢失和重复，从而在传输 中出现滑动损伤 3 。而时间同步，即相位同步，它要 求信号之间有相同的时间起点和时间间隔，两者会 同时经过每一个时刻，若两个信号经过同一个时刻 点的时间有固定不变的位差，则它们之间只能说保 持了频率同步，并没有保持时间同步。一般将通信 网中的各种通信设备或者计算机设备的时间信息， 基于协调世界时( U T C ) 时间偏差限定在足够小的 范围内，然后按照接收到的时间来调控设备内部的 时钟和时刻，力求将本地时钟与标准时钟相位同步， 所以，时间同步既调控时钟的频率也调控时钟的相 位，同时将时钟的相位以时刻来表示。时间同步和 频率同步唯一的不同在于，时间同步接收的是非连 续的时间信息，非连续调控设备时钟。 2 P T N 中同步技术分析 2 1P T N 概述 随着光纤到户( F T T H ) 的迅速发展和视频传送 等业务的出现，用户对网络带宽的需求也在急剧增 收稿日期：2 0 1 0 0 5 1 0 基金项目：国家“九七三”计划资助项目( 2 0 1 0 C B 3 2 8 3 0 0 ) 作者简介：林子( 1 9 8 7 一) ，女，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为数字通信及其专用集成电路设计。 万方数据 林子等： 分组传送网中时钟同步技术的研究 长，导致对城域网传送带宽的需要一直在扩大。随 着1 0G b i t s 以太网接口技术的日益成熟，在城域 网中引入1 0G b i t s 的以太网速率，构建大容量全 业务分组交换的电信级以太网的市场需求一直非常 强烈 4 。未来的市场需要一种能够有效传递分组业 务，并提供电信级运营、管理、维护( O A M ) 和保护的 分组传送技术，但是，传统的在物理层和业务层之间 的传输技术都是以固定的时隙交换、波分交换或者 空分交换为基础的，并不能很好地适应以包交换为 主的分组网的需求，因此，大容量P T N 便应运而 生。 P T N 的分组时钟同步是3 G 等分组业务对于 组网的客观需求。分组网时间同步的实现主要有3 个步骤：建立主从关系、频率同步和时间同步。在实 现方式上，目前比较常见的技术有同步以太网技术 和基于I E E E l 5 8 8V 2 的分组时钟技术 5 。 2 2 同步以太网技术 同步以太网技术是基于物理层的同步技术，物 理层同步技术在传统的同步数字体系( S D H ) 网络 中应用比较广泛，其特点是同步网络节点具有较高 频率准确度和稳定性的本地时钟，每个节点可以从 物理链路上提取线路时钟或从外部同步接口获取时 钟，然后从多个时钟源中进行时钟质量选择，将本地 时钟锁定在最高质量的时钟源，再将锁定后的时钟 传递到下游设备，通过逐级锁定，将全网逐级同步到 主参考时钟( P R C ) ，实现全网同步。 同步以太网技术主要是以太网链路码流恢复时 钟的技术。以太网通过物理层芯片从串行数据码流 中恢复出发送端的时钟，如图1 所示。具体的说，是 在发送侧电连接器( C X ) 将高精度时钟灌入以太网 物理层( P H Y ) 芯片，P H Y 芯片利用高精度的时钟 将数据发送出去，接收侧C X 的P H Y 芯片将时钟恢 复出来，分频后送给时钟板，时钟板判断各个接口上 报的时钟质量，从其中选择一个精度最高的，将系统 时钟与其同步。 图1以太网同步原理 为了正确选择高精度的时钟源，在传递时钟信 息的同时，也要将时钟质量等级( Q L ) 等信息上报。 对于S D H ，这些时钟信息是通过S D H 中的带外开 销字节完成；而在同步以太网中，没有带外通道，所 以同步以太网接口就通过以太网同步消息信道 ( E S M C ) 传递专有的携带时钟信息的同步状态信息 ( S S M ) 报文，来告知下游设备。 虽然，以太网同步技术与S D H 恢复时钟方式 类似，但是，因为以太网的物理层编码是8 B 1 0 B ( G E ) 和4 B 5 B ( F E ) 编码，即每4 个b i t ( 字节) 就要 插入一个附加比特，所以它比S D H 的随机扰码方 式能更好地避免长连0 和长连1 ，更加方便时钟的 提取，从而不会受到数据网络拥塞、丢包和时延等的 影响。 2 3I E E E1 5 8 8V 2 技术 I E E E1 5 8 8 属于分组协议同步技术，其特点是 采用分组协议数据单元作为时钟或者时间信息的载 体，实现主从时钟之间的同步。它既支持频率同步， 也支持时间同步，并且，它的精度极高，可以达到亚 微秒级。I E E E1 5 8 8V 2 是精确时间同步协议 ( P T P ) ，它是一种主从同步系统。众所周知，在 P T N 中实现时间同步有两点至关重要：一是线路延 时的测量，二是时间信息的发送。而I E E E1 5 8 8V 2 解决这两个关键点的核心方法是采用主从时钟方 式，对时间进行信息编码。它可以记录同步时钟信 息的发出时间和接收时间，并且给每一条信息加上 时间戳，这样接收方就可以通过时间记录计算出传 输时网络中的延时和主从时钟的偏移量，从而修正 从设备时钟，使之与主时钟同步。 具体来说，在系统同步过程中，主时钟周期性发 布P T P 及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发 来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延 迟及主从时间偏移，并利用该时间差调整本地时间， 使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相 位，如图2 所示。 主时钟从时钟 看似曼耋，一一。 一一 O = O 涟 霉 哆孥p 上D 翅， 偏移量 延时 图2I E E E1 5 8 8V 2 主从时钟同步过程 5 万方数据 光通信研究 2 0 1 0 年第5 期总第1 6 1 期 I E E E1 5 8 8V 2 实现时间同步的过程如下： ( 1 ) 主时钟发送同步( s y n c ) 信息 主时钟的P T P 应用层向所有的从时钟周期性 地发送S y n c 消息( 因为主从时钟的漂移是相互独立 的，所以同步过程必须周期性地进行，一般是每隔 1 0 0m s 就发送一次S y n c 报文) ，S y n c 中包含精确描 述数据包发出的预计时间的时间戳t ，由于信息包 含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间，所 以主时钟记录下的S y n c 消息离开本端口的精确时 间t ，在随后的F o l l o w U p 信息中发出。 ( 2 ) 主从时钟比较 从时钟端记录S y