吳敏涼,石旭剛,張勝,沈一波

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,杭州310014; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省光纖重點(diǎn)實(shí)驗室; 3.杭州奧博通信有限公司)

1 背 景

IP化是未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢,而以太網(wǎng)以其優(yōu)越的性價比、廣泛的應(yīng)用及產(chǎn)品支持,成為以IP為基礎(chǔ)的承載網(wǎng)的主要發(fā)展方向。在部署電信級以太網(wǎng)時,如何解決時鐘同步問題是一個要考慮的方面。對分組網(wǎng)絡(luò)的同步需求有兩個方面:一是,分組網(wǎng)絡(luò)可以承載TDM業(yè)務(wù),并提供TDM業(yè)務(wù)時鐘恢復(fù)的機(jī)制,使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足一定的性能指標(biāo);二是,分組網(wǎng)絡(luò)可以像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣,提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時鐘,以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或終端的同步需求。

同步以太網(wǎng)(SyncE)就是最新的標(biāo)準(zhǔn)解決方法。在SyncE中,以太網(wǎng)采用與SONET(同步光纖網(wǎng)絡(luò))/SDH(同步數(shù)字系列)相同的方式,通過高品質(zhì)、可跟蹤一級基準(zhǔn)時鐘信號同步其位時鐘。2006年,國際電信聯(lián)盟在其G.8261中描述了SyncE概念。2007年,在G.8262中對SyncE的性能要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,規(guī)定了同步以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的時鐘的最低性能要求。IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時間同步協(xié)議(PTP),2005年又制定了新版本的IEEE 1588,即IEEE 1588v2。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議

2.1 ⅠEEE 1588

IEEE 1588通過硬件和軟件配合獲得更精確的定時同步;在傳輸時間時鐘信號時無需額外的時鐘線,仍然使用原來以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線傳送時鐘信號,既簡化了組網(wǎng)連接,又降低了成本。

IEEE 1588在技術(shù)規(guī)范中特別定義了一套基于消息的同步協(xié)議,通過周期性地發(fā)布帶有時間戳的信息包,可以使各個測控節(jié)點(diǎn)的時鐘得到校正,從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。首先,主時鐘節(jié)點(diǎn)周期性(一般為2 s)地向整個系統(tǒng)發(fā)送同步包(Sync),接著將同步包時間戳打包再發(fā)送同步跟隨包(Follow Up)。當(dāng)各從時鐘節(jié)點(diǎn)收到主時鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步包和同步跟隨包后,依據(jù)各自時間戳、接收同步包時間戳和解析同步跟隨包的時間戳,計算主從時鐘差值;并用這個差值調(diào)整自身時鐘,直到與主時鐘同步為止。

圖1 時鐘誤差校正原理

分布式測控系統(tǒng)中,每個測控設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中所處位置、布線方式、布線長度以及目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的固有問題,也將造成測控數(shù)據(jù)在傳輸過程中的不同延遲。為了有效消除網(wǎng)絡(luò)延遲對分布式系統(tǒng)實(shí)時性的影響,IEEE 1588也定義了2個信息包,校正原理如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)延遲校正原理

從時鐘節(jié)點(diǎn)可以不定期(一般為4～60 s)地向主時鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送延遲請求包(Delay Request),主時鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲請求包后,立即將接收時間戳打包并返回延遲應(yīng)答包。當(dāng)從時鐘節(jié)點(diǎn)收到延遲應(yīng)答包后,依據(jù)自身發(fā)送延遲請求包時間戳和解析延遲應(yīng)答包時間戳計算網(wǎng)絡(luò)延遲時間,并用這個差值調(diào)整自身時鐘,直到與主時鐘同步?；谝陨戏椒?可以有效消除主從時鐘差異和測控數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲,從而實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的時鐘同步。

2.2 基準(zhǔn)時鐘信號的分配方式

G.8261定義了分組網(wǎng)中的定時同步網(wǎng)元,規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中所容許的最大抖動和漂移值,以及分組網(wǎng)邊界與TDM接口時需要達(dá)到的抖動和漂移容限的最小值;概述了網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)同步功能的最小要求;提出了兩種基準(zhǔn)時鐘信號的分配方式——網(wǎng)絡(luò)同步方式(同步以太網(wǎng))和基于分組方式,解決了分組網(wǎng)特別是以太網(wǎng)的同步問題。特別指出的是,兩種分配方式各有優(yōu)點(diǎn),其混合應(yīng)用將構(gòu)建既能實(shí)現(xiàn)頻率同步,又能實(shí)現(xiàn)時間同步的下一代同步網(wǎng)。

(1)網(wǎng)絡(luò)同步方式(同步以太網(wǎng))

與現(xiàn)在的SONET/SDH鏈路一樣,同步以太網(wǎng)通過OSI七層協(xié)議的第一層(即物理層)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步。同步以太網(wǎng)方式又稱“PRC分配方式”(如GPS)或用同步物理層的主從方式。它支持基于網(wǎng)絡(luò)同步線路碼方式的時鐘分配,已廣泛地運(yùn)用到同步TMD網(wǎng)中。

其特點(diǎn)是:使用以太網(wǎng)物理層;僅能分配同步頻率,不能分配同步時間;不會因網(wǎng)絡(luò)高層產(chǎn)生損傷而受到影響,同步質(zhì)量好,可靠性高。

(2)基于分組方式

該方式是指定時信息由分組承載,發(fā)送專門的時間戳消息,雙向傳送定時信息的方法可能是NTP或類似的協(xié)議。值得注意的是,雙向協(xié)議還能傳送時間信息。

其特點(diǎn)是:與物理層無關(guān);能分配同步頻率和同步時間;會因電信網(wǎng)的損傷而受到影響,如分組延時抖動。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 Si5315芯片

在實(shí)際應(yīng)用中,采用Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si5315芯片。該芯片為一款抖動衰減時鐘倍頻芯片,采用8 kHz～644.53 MHz的雙時鐘輸入,并且產(chǎn)生2個獨(dú)立的倍頻時鐘。在同步方面,主要采用Silicon Labs的第三代DSPLL技術(shù),能夠產(chǎn)生任意比率的頻率合成以及在高速率下的去抖動。除支持SONET/SDH和以太網(wǎng)時鐘外,Si5315還可支持10G線路編碼率的同步以太網(wǎng)時鐘倍頻芯片。

具體應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。本地時鐘輸入62.5 M Hz作為芯片的一路輸入,經(jīng)過Si5315倍頻后輸出端口一路為125 M Hz。將其信號引入以太網(wǎng)設(shè)備的CDR模塊(數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊)作為參考時鐘。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入CDR后恢復(fù)出一個接近62.5 MHz的時鐘,再次輸入Si5315,經(jīng)過DPLL鎖相達(dá)到芯片認(rèn)為符合要求的時鐘后,本地時鐘的輸入被屏蔽。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備都完成此項操作后,整個網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步完成。在具體的應(yīng)用中前級的數(shù)據(jù)時鐘往往抖動十分嚴(yán)重,經(jīng)過Si5315芯片處理后,時鐘能恢復(fù)得很好,并且所有設(shè)備的時鐘都保持了一致性。

圖3 Si5315同步芯片應(yīng)用實(shí)例

3.2 DP83640芯片

IEEE 1588的精密時鐘協(xié)議(PTP)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的以太網(wǎng)時間同步,但是如果需要達(dá)到ns級的時鐘同步性能,僅僅通過軟件是很難實(shí)現(xiàn)的。因為在線路上接收PTP包之后,對它們進(jìn)行處理的每一種器件都會增加同步誤差。DP83640通過在物理層以硬件加軟件的方式使得ns級的時鐘同步成為可能。

DP83640是一款基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的時鐘同步芯片,采用硬件和軟件結(jié)合的方式提供最高的精確度實(shí)時工業(yè)的時鐘同步,可確保分布式上各節(jié)點(diǎn)能按照主機(jī)時鐘的時間同步定時,并確保各節(jié)點(diǎn)之間的時間偏差不會超過8 ns。一旦線路上有 PTP包,即被 DP83640的精密PHYTER所讀取。

DP83640具有幾個內(nèi)部時鐘,包括本地參考時鐘、1個以太網(wǎng)接收時鐘和1個PTP時鐘信號源;同時,還包括1個內(nèi)部的PTP數(shù)字計數(shù)器,以及可以控制數(shù)字計數(shù)器和PTP時鐘速率(頻率)的邏輯。

在同步以太網(wǎng)交換機(jī)的方案中,通過替換以太網(wǎng)層并增加IEEE 1588 PTP軟件實(shí)現(xiàn)。如圖4所示,CPU、交換芯片和DP83640通過MII口連接起來組成一個系統(tǒng)。交換機(jī)成為以太網(wǎng)中同步的一個器件,使得交換機(jī)所形成的以太網(wǎng)及該網(wǎng)絡(luò)下所掛的器件都滿足IEEE 1588協(xié)議,最終形成同步以太網(wǎng)。

圖4 基于DP83640的同步以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用框圖

結(jié) 語

從目前的原型實(shí)驗和應(yīng)用來看,IEEE 1588中標(biāo)準(zhǔn)化的精確時間協(xié)議可以達(dá)到亞微秒級的同步精度,并且有可能達(dá)到更高的精度。IEEE 1588為基于多播技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時應(yīng)用提供了有效的解決方案,但同時也存在一些尚待進(jìn)一步研究的問題,如主時鐘的容錯性能、振蕩器的穩(wěn)定性對時鐘的影響等。相信今后該標(biāo)準(zhǔn)會更加完善,也會有更多的具體應(yīng)用可以參考。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]IEEE Std.1588—2002 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

[2]Kendal R,Sivaram B,Anatoly M.The Application of IEEE 1588 to a Distributed Motion Control System[OL].[2009-08].http://ieee1588.nist.gov/.

[3]Roes F E,Vaman D R.IsoEthernet:An Integrated Services LAN[J].IEEE Communications Magazine,1996,34(8).

[4]韋樂平.電信級以太網(wǎng)的崛起[OL].[2009-08].http://www.Chinatelecom.com.cn.

[5]胡昌軍.電信級以太網(wǎng)技術(shù)漫談[OL].[2009-08].http://catr.com.cn.