精密时间协议──封包网路上的频率同步.doc

IEEE 1588精密時間協議封包網路上的頻率同步電信網路正從電路交換技術快速轉向封包交換技術，以滿足核心網路和接取網路對頻寬需求的迅速擴大。傳統的電路交換TDM網路自身就支援在整個網路上實現精 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的同步功能。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的同步品質，是向乙太網路回傳網路演進的關鍵。時間傳輸協定最初使用時間傳輸協定的電信設備是透過伺 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)中的參考振盪器。這些遠端網元中的參考振盪器以前都是從T1/E1 TDM回傳連接恢復同步。只要TDM傳輸網路可以追蹤到基準參考時脈(PRC)，遠端網元就能採用相對簡單的伺服控制將它們的振盪器鎖定到可追蹤PRC的 回傳反饋時脈。當回傳連接變成乙太網路遠端網元與同步源互相隔離時問題就來了。本文將討論如何使用乙太網路上的IEEE 1588精密時間協議(PTP)向遠端網元提供同步。雖然乙太網路已得到廣泛 普及，是低價連接的抱负介質，但並不非常適合规定精密同步的應用。乙太網路生來就是非確定性的網路，很難提供规定同步的即時或對時間敏感的應用。PTP透 過網路實體層的硬體時間戳技術很好地克服了乙太網路的延遲和抖動問題，因此使用乙太網路承載時脈數據封包可以達到100ns範圍內的空前精密度，進而顯著 節省成本。下一代網路的同步功能基於GPS的衛星接受器可以提供小於100ns 的精密度，經常被用於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。但提高精密度成本巨大。基於GPS的系統需要安裝室外天線，確保直接看 到天空以便接受低功率的衛星傳輸訊號，這不僅增长了費用，并且對設備的實體架構也帶來了額外的負擔。基於這個理由，GPS最適合在局端作為電信網路的基準 參考時脈，然後使用其它技術向遠端設備分派同步和定時。電信廠商和設備製造商正研究透過乙太網路提供同步的多種新方法。* 自適應時脈恢復(ACR)：基於電路模擬服務(CES)的許多非標準化解決方案使用ACR技術在遠端 下游單元再生網路時脈。然而，廠商在使用這種技術時碰到了一些性能問題，更不用說一些重要廠商通常不願意採用非標準化解決方案來實現大規模的新服務部署。* 同步乙太網路：ITU最近已經完毕了旨在滿足透過乙太網路傳輸網路提供頻率同步需求的同步乙 太網路(G.8261,G.8262,G.8263)的定義工作。現有乙太網路和同步乙太網路(Sync-E)的基本區別是發送PHY時脈。現在的 IEEE 802.3规定發送時脈達到100ppb(十億分之一)的自由振盪時脈精密度。在同步乙太網路中，發送時脈精密度必須達到4.6ppb，並能透過外部 SSU/BITS參考或接受時脈追蹤到一級時脈。透過簡單地將乙太網路的發送和接受時脈鏈接起來，同步乙太網路可以用來與SONET/SDH交換數據。同 步乙太網路面臨的挑戰是，在PRC和終端設備之間的整個路徑上，所有乙太網路交換機都要透過升級，才干具備同步乙太網路功能。* 網路時間協議(NTP)：NTP作為最流行的協議被廣泛用於LAN和WAN上的時間同步。NTP實現成本相對較低，幾乎不需要修改硬體。然而，目前版本的 NTP和實現方案還不能滿足電信網路同步所需的更高精密度规定。另一方面，PTP透過使用現有的乙太網路分派網路可以提供接 近NTP的成本效益，並透過使用基於硬體的時間戳技術達到超過NTP的精密度。PTP可以與使用高速交換機的標準乙太網路上的正常網路服務共存，同時提供 毫秒級的同步精密度。達到這個傑出性能指標的關鍵是硬體輔助下的時間戳技術。PTP原理：硬體輔助的時間戳技術在 網路時間保持應用中必須克服的兩個重要問題是振盪器漂移和時間傳輸延遲。不管採用何種協議，振盪器漂移問題都可以透過使用更高品質的振盪器和從更高精密度 的時脈源(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，它具有雙重性：既有與作業系統處理時間數據封包有關的延遲，也有由於源時脈 與目的時脈之間存在的路由器、交換機、電纜和其它硬體引起的網路延遲。在減少作業系統延遲和抖動方面PTP是最成功的。PTP 將時戳單元(TSU)和主從時脈之間時間戳交換的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接受器之間的TSU同時嗅探輸 入輸出數據串流，當識別出IEEE 1588 PTP數據封包的前導位元時發佈一個時間戳，用於精確標記PTP時間數據封包的到達或離開(圖1)。圖1：TSU位於乙太網路MAC和乙太網路PHY接受器之 間。 為了估計和減少作業系統延遲，主時脈會根據本地時脈週期性地向網路上的從時脈發送一個同步(Sync)報文。TSU對發送的Sync報文標記上確切 的時間。從時脈也給到達的Sync報文標上時間戳，然後將到達時間和Sync報文中提供的離開時間進行比較，於是就能判斷作業系統中的延遲量，最後對時脈 作出相應的調整。透過測量主時脈和從時脈之間的來回延遲可以減少與網路有關的延遲。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的時間戳，從時脈可以將這個資訊和來自 Sync報文的細節結合起來測量和調整網路導入的延遲。精密時間戳交換協議詳見圖2。圖2：用於從PTP主時脈向PTP從時脈傳輸時間的數據 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。用於從時脈校正的公式為：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 亞微秒級的精密度。在電信WAN上的性能表現取決於以下三個重要因素：* 主從時脈中的時間戳引擎的解析度和精密度(起始精密度)* 穿越WAN的延遲/數據封包延遲變化(PDV)，涉及跳數、負載以及交換機/路由器配置* 在從時脈側的伺服處理增益和振盪器實現(PDV的不確定性被濾除的效率有多高)在起始精密度較高的情況下，電信網路上的數據 封包延遲變化(PDV)將不久成為基於數據封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路可以提供最佳的PDV性能。這種情 況非常適合IEEE 1588 PTP，因為PTP針對兩層交換環境作了最佳化。然而，PDV是三層軟體路由網路中的主導因素。振盪器穩定性和從時脈側的伺服設計將成為確保滿足電信網路 同步规定的關鍵性能因素。選擇廣播間隔和振盪器類型在PTP中，目標定時精密度 決定了同步報文廣播的頻度以及使用什麼類型的振盪器。更頻繁的廣播可以得到更精確的同步，但也會產生更多的網路流量，雖然使用的頻寬非常小。更高品質的振 盪器也能得到更精確的同步。使用較低品質的振盪器同時增长廣播頻率以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的。低品質的振盪器缺少 為電信應用提供高精密度PTP所需的穩定性，因此縮短廣播間隔通常得不償失。精密度也是IEEE 1588主時脈的功能。IEEE 1588主時脈也被稱為最高級時脈(grandmaster)，是網路上的最終時間源。最高級時脈通常以GPS為基準，因此非常穩定，也非常精確。 UTC(協調世界時)的精密度通常在30ns RMS以上。透過使用如此高精密度的時脈和絕對時間基準，PTP網路上的時間可以得到很好的同步。高品質的最高級時脈還有其它一些測量特性，可用來表徵網 元的延遲和抖動特徵，並測量相對於最高級時脈的從時脈精密度。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的乙太網路上，PTP能夠很好地發揮作用。圖3比較了在典型乙太網路交換機、線速路由器和基於軟體的路 由器上所做的延遲和PDV測量結果。先進的線速路由器在延遲和PDV方面可以提供與傳統兩層交換相媲美的快速交換，使得它們非常適合PTP同步分派應用。 另一方面，與基於軟體的路由器相關的高延遲和PDV也许成為如上所述的一個限制因素。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)延遲的柱狀圖。線速路由器性能相當於兩層交換 機，而軟體路由器的PDV高出了兩個數量級。 PTP協議還導入了一些特殊元件，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、其它埠透過增长功能來保持精密度的交換機。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的 多埠交換機。邊界時脈提供了向眾多子網調節同步的好方法。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，最終導致不可接受的精密度下降。透 明時脈是PTP網路中的另一個潛在硬體選項。這是一種具有PTP功能的交換機，能夠透過修改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受和發送延遲，因而改進從時脈和主時脈之間的同步精密度。但是，當原始數據封包密碼校驗和不匹配到達從時脈處的最終數據封包時，透 明時脈也也许產生安全問題。PTP在電信中的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步规定的最具性價比方法。例如，所有GSM和UMTS基地台頻率必須同步到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的網路切換。不能滿足50ppb的同步规定將導致通話中斷。為了滿足這個规定，基地台的傳統做法是將內部振盪器鎖定到從 T1/E1 TDM回傳連接恢復的時脈上。當回傳通道變為乙太網路後，基地台與傳統的網路同步反饋連接斷開了。圖4為使用PTP的無線網路向遠端基地台提供同步的典型 部署情景。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的內部振盪器以滿足50ppb规定。基地台中的PTP從設備需要存取行動交 換中心(MSC)中部署的廠商級PTP最高級時脈。在MSC中部署PTP最高級時脈的關鍵考慮因素涉及：圖 4：向下一代UMTS基地台提供同步需要运用在MSC/RNC中部署的PTP最高級時脈。同步數據封包從最高級時脈流向基地台中的從時脈。 * 將PTP最高級時脈功能整合進現有的MSC同步平台(即BITS大樓合成時脈供應系統，以及SSU同步提供單元)。* 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也规定支援 傳統的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的接取平台分派同步的方法。ITU最近發佈了G.8261標準，以期確立 封包網路的同步规定。在具體實施時的考慮因素與上述無線平台相同，關鍵仍然是將PTP最高級時脈功能整合進電信局端的BITS和SSU平台(圖5)。圖5：支援傳統TDM服務的MSAN规定從局端開始經乙太網路回傳進行同步分派。MSAN中的PTP從時脈 可以從局端BITS/SSU中的PTP最高級時脈獲得同步。 PTP發展前景自 從2023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。現在許多網路設備供應商生產的硬體都支援網路系統中的PTP。IEEE 1588 PTP協議正繼續完善，以便進一步提高精密度、改進容錯性能，並增強電信應用中的管理能力。奈秒級精密度、部署容易及高性價比的PTP正眾多領域悄然改變 同步應用前景。作者：Kevin Hsu 行銷副總裁Symmetricom公司