P-OTN網(wǎng)絡(luò)中IEEE1588v2時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

余 躍 ， 劉 華

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢 430074）

近年來，隨著寬帶、移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)類型重心逐漸向分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變，承載網(wǎng)中IP流量飛速增長(zhǎng)，城域網(wǎng)壓力越來越大。傳統(tǒng)OTN（optical transport network，光傳送網(wǎng)）通過整合以太網(wǎng)、MPLS-TP等技術(shù)，向分組增強(qiáng)型OTN（P-OTN）演進(jìn)，來適應(yīng)這些需求[1]。同時(shí)，隨著4G的逐漸商用，移動(dòng)通信對(duì)時(shí)間同步精度的需求越來越高，承載網(wǎng)的同步發(fā)展是大趨勢(shì)。而GPS衛(wèi)星系統(tǒng)存在著諸如安全隱患高、施工難等問題[1]，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地面時(shí)間同步的IEEE1588方案成為了人們的關(guān)注焦點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了IEEE1588v2時(shí)間同步技術(shù)的原理，結(jié)合對(duì)OTN網(wǎng)絡(luò)中ODUk（optical channel data unit-k，光通路數(shù)據(jù)單元）幀結(jié)構(gòu)的分析，提出了P-OTN系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步的方案。

1 IEEE1588v2基本原理

IEEE1588協(xié)議全稱為IEEEStandard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，即網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為 PTP（precision time protocol）精確時(shí)間協(xié)議[2]。

1.1 IEEE1588v2時(shí)間同步機(jī)制

PTP協(xié)議的核心是主從時(shí)鐘模型和延遲測(cè)量機(jī)制。通過將高精度的時(shí)間信息寫入PTP報(bào)文，并進(jìn)行交互，以此計(jì)算出主從時(shí)鐘之間時(shí)間偏差值并進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘之間時(shí)間的精確同步。測(cè)量過程分為兩部分：偏移校正測(cè)量和延遲校正測(cè)量[2]。

圖1 基本同步報(bào)文交互過程Fig.1 Basic synchronization message exchange

圖 1 中所示的 Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp 4種報(bào)文即為同步過程中主從（Master、Slave）時(shí)鐘之間交互的PTP報(bào)文。 t1、t2、t3、t4是 PTP報(bào)文發(fā)送或者接收時(shí)記錄的時(shí)間戳。t-ms、t-sm表示主從時(shí)鐘之間的鏈路延時(shí)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，t-ms=t-sm。則通過公式計(jì)算可得[3]：

MASTER與SLAVE時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移量：

MASTER與SLAVE時(shí)鐘之間的線路延遲：

因?yàn)樯鲜龉郊僭O(shè)的是鏈路對(duì)稱的通信網(wǎng)，所以最后計(jì)算得到的Tdelay代表的是平均線路延遲，即t-ms和t-sm的平均值。實(shí)際場(chǎng)景中常為非對(duì)稱鏈路，需要開始進(jìn)行測(cè)量補(bǔ)償。

1.2 最佳主時(shí)鐘BMC算法

數(shù)據(jù)集比較算法和端口狀態(tài)決策算法，這兩個(gè)算法共同組成了BMC（Best Master Clock，最佳主時(shí)鐘）算法。PTP系統(tǒng)中主從時(shí)鐘通過BMC算法交互的過程大致為圖2所示。

圖2 主從時(shí)鐘BMC同步交互Fig.2 Master-Slave clock's synchronization based on BMC

BMC算法是是實(shí)現(xiàn)PTP系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵。在獲取到相關(guān)時(shí)鐘信息，如時(shí)鐘精度，時(shí)鐘等級(jí)，時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)等，BMC算法可以自動(dòng)選擇出當(dāng)前傳輸路徑少，時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)、精度高的時(shí)間源，并同步到該時(shí)鐘。如果選擇同步的時(shí)間源經(jīng)BMC算法判斷不再是最優(yōu)時(shí)鐘時(shí)，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘能夠自動(dòng)同步到更新后的時(shí)間源上。

2 P-OTN中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方式

根據(jù)PTP報(bào)文在P-OTN網(wǎng)絡(luò)中承載方式的不同，分為3種方式：1）通過客戶信號(hào)（Client）通道來傳送PTP報(bào)文，又稱為純透?jìng)鞣绞剑?）通過OTN特定開銷（OH）傳送PTP報(bào)文，又稱為帶內(nèi)（ESC）方式；3）通過OSC通道來傳送PTP報(bào)文，或通過傳送1PPS+TOD信號(hào)來進(jìn)行時(shí)間同步，又稱為帶外方式[4]。OTN中ITU-T G.709標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的光傳送模塊（Optical Transport Module，OTM）接口模式如圖 3 所示[5]。

圖3 光傳送網(wǎng)傳輸模塊層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of OTN transfer modules

純透?jìng)鞣绞较翺TN網(wǎng)絡(luò)自身不處理PTP報(bào)文，僅僅是

2.1 OTN采用客戶信號(hào)承載PTP報(bào)文

起到了提供一個(gè)傳送通道的作用，1588v2報(bào)文并不參與到同步網(wǎng)絡(luò)中。

這種方式中存在著因設(shè)備內(nèi)部業(yè)務(wù)處理或者網(wǎng)絡(luò)延時(shí)而帶來的無法估計(jì)的時(shí)間差，最終影響整個(gè)PTP系統(tǒng)同步的時(shí)間精度，一般不建議采用。

2.2 OTN采用特定開銷承載PTP報(bào)文

帶內(nèi)方式通過使用OTN特定的開銷（OTN開銷待定）傳送PTP時(shí)間同步信息。在每個(gè)OTN節(jié)點(diǎn)均需處理PTP報(bào)文，而且需要考慮補(bǔ)償相鄰節(jié)點(diǎn)之間光纖鏈路的不對(duì)稱性。

帶內(nèi)方式下PTP報(bào)文的傳送精度可以保證，因?yàn)椋?）在業(yè)務(wù)單板的物理接口上，1588報(bào)文已經(jīng)獲取時(shí)間戳信息，因此報(bào)文在設(shè)備內(nèi)部的映射/解映射過程不影響時(shí)間精度。帶內(nèi)方式逐跳支持1588v2，可隨時(shí)OTN內(nèi)部業(yè)務(wù)路徑不一致帶來的不對(duì)稱時(shí)延，因此不影響時(shí)間精度。2）1588v2同步信號(hào)隨支路以太口業(yè)務(wù)傳送，不需額外處理，這樣將方便實(shí)現(xiàn)不同廠家的互通[6]。

若采用帶內(nèi)方式進(jìn)行全網(wǎng)同步，那么OTN現(xiàn)網(wǎng)中的業(yè)務(wù)單盤都需要相應(yīng)地支持PTP同步功能，這樣運(yùn)營(yíng)商投入的成本會(huì)較高，可在后期組網(wǎng)時(shí)部署。

2.3 OTN通過帶外方式同步

帶外方式即通過OSC帶外監(jiān)控信道傳送：1）基于PTP時(shí)間同步信息接口；2）基于1PPS+TOD信號(hào)同步接口。

基于專門PTP接口的OSC帶外方式在每個(gè)OTN節(jié)點(diǎn)及OA站都處理PTP報(bào)文，需要考慮補(bǔ)償相鄰節(jié)點(diǎn)之間光纖鏈路的不對(duì)稱性。與PTN對(duì)接時(shí)，每個(gè)方向均需采用獨(dú)立支持PTP功能的OSC單盤來實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步功能[6]。

1PPS+TOD帶外方式目前其相關(guān)接口規(guī)范是依據(jù)中國(guó)移動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用在時(shí)間注入源BITS與OTN設(shè)備對(duì)接授時(shí)，OTN與PTN對(duì)接授時(shí)的場(chǎng)景中，這種同步方式下的時(shí)間精度受路徑延時(shí)影響較大，需要配置延時(shí)補(bǔ)償。

帶外方式實(shí)現(xiàn)的時(shí)間精度高，但是目前不同廠家有不同的實(shí)現(xiàn)方式，這給互通和端到端組網(wǎng)帶來很多不便。

綜合來看，初期對(duì)現(xiàn)網(wǎng)已部署的承載網(wǎng)OTN進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，建議采用升級(jí)改造難度和成本都較低的帶外OSC方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。后期應(yīng)以帶內(nèi)開銷同步方式為主要研發(fā)目標(biāo)，待技術(shù)成熟之后后續(xù)的城域網(wǎng)設(shè)備部署都要求支持帶內(nèi)方式。這樣就不再需要單獨(dú)規(guī)劃時(shí)間鏈路，實(shí)現(xiàn)了隨路傳送時(shí)間信息，不同廠家之間的互通難度也會(huì)很小，易于實(shí)現(xiàn)。

3 P-OTN中時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

IEEE 1588v2同步功能包括PTP協(xié)議棧、硬件驅(qū)動(dòng)和時(shí)間源接口3部分。在P-OTN系統(tǒng)中，采取了基于硬件的頻率恢復(fù)技術(shù)。在系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)，1588v2頻率恢復(fù)技術(shù)成為備用技術(shù)方案。

基于后期組網(wǎng)需求，本方案通過帶內(nèi)方式實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)間同步。時(shí)鐘部分使用美高森美公司的Zarlink芯片，來獲取穩(wěn)定、高精度的時(shí)間信息。分組交換的多業(yè)務(wù)光傳送網(wǎng)處理器采用的是博安思通信公司的芯片。

3.1 P-OTN中IEEE1588v2同步系統(tǒng)基本構(gòu)架設(shè)計(jì)

圖4為P-OTN系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)具備時(shí)間同步功能的設(shè)備的基本構(gòu)架。報(bào)文經(jīng)由業(yè)務(wù)盤出/入口時(shí)，由單盤獲取出/入時(shí)間戳，或者是從主控時(shí)鐘盤面板口獲取帶外（1PPS+TOD）信號(hào)，并送至主控時(shí)鐘盤。主控時(shí)鐘盤負(fù)責(zé)同步運(yùn)算選取最佳時(shí)間源，并進(jìn)行時(shí)鐘處理。其間本地時(shí)鐘的高精度時(shí)間戳信息由Zarlink芯片提取，再配合Announce報(bào)文中所攜帶的時(shí)間源信息，經(jīng)由BMC算法完成選源及更新端口狀態(tài)的功能，最終完成整個(gè)時(shí)間同步的過程。

圖4 P-OTN中時(shí)間同步系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.4 Structure of time synchronization in P-OTN

當(dāng)BMC算法選定面板PPS+TOD作為本站設(shè)備的1588時(shí)鐘源時(shí)，面板1PPS+TOD接口工作狀態(tài)設(shè)置為輸入模式，此時(shí)，TOD發(fā)送模塊把系統(tǒng)同步的1PPS+TOD信息廣播發(fā)送出去給各業(yè)務(wù)單盤。所有其他業(yè)務(wù)盤的端口均配置為master端口。

當(dāng)BMC算法選定某個(gè)業(yè)務(wù)盤端口作為1588時(shí)鐘源時(shí)，面板的1PPS+TOD接口工作狀態(tài)設(shè)置為輸出模式，主控盤的TOD模塊輸出被選定。

3.2 P-OTN系統(tǒng)中帶內(nèi)方式下PTP報(bào)文處理模塊

如圖5所示，本模塊用于實(shí)現(xiàn)OTN開銷接口的1588協(xié)議傳輸， 處理 包含 Sync、Follow_Up、Delay_Rep、Delay_Resp和Announce報(bào)文。所有報(bào)文的收發(fā)由FPGA根據(jù)軟件配置自行維護(hù)，收方向需向主控時(shí)鐘單元上報(bào)完整Announce報(bào)文和 T1、T2、T3、T4時(shí)戳。1588協(xié)議傳輸需要的時(shí)間戳由FPGA維護(hù)。

圖5 帶內(nèi)方式下PTP報(bào)文處理模塊Fig.5 PTPmessage processing module in ESCway

通過帶內(nèi)方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，復(fù)用1588報(bào)文至OTN顆粒時(shí)，由于PTP報(bào)文的長(zhǎng)度超過了單個(gè)的OTN報(bào)文開銷長(zhǎng)度，即需要多個(gè)OTN幀開銷字節(jié)來承載信息，因此需要采用MFAS（Multi-frame Alignment Signal，復(fù)幀定位信號(hào)）來定位處理[5]。本方案是采用多個(gè)連續(xù)的MFAS的OTN報(bào)文開銷的RES保留字節(jié)，作為1588v2協(xié)議傳輸通道。

圖6 OTN幀開銷結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of overhead bytes in OTN

3.3 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)環(huán)境選擇美國(guó)WindRiver公司推出的VxWorks操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中發(fā)起兩個(gè)并行的任務(wù)（task）來分別完成BMC算法處理模塊和PTP基本協(xié)議運(yùn)行模塊的功能。模塊之間信息傳遞由共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成。

3.3.1 PTP基本協(xié)議模塊

本模塊主要完成1PPS+TOD接口處理輸入/輸出信號(hào)的處理；各個(gè)端口PTP報(bào)文的收發(fā)；時(shí)間戳的計(jì)算，調(diào)整本地時(shí)鐘；收集告警、狀態(tài)和性能用于上報(bào)等功能。

圖7 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)Fig.7 System structure of software modules

其中為了實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)別的時(shí)間同步，時(shí)間戳模塊的設(shè)計(jì)要在識(shí)別PTP報(bào)文的前提下盡可能的靠近物理層接口。

3.3.2 BMC算法處理模塊

BMC算法功能模塊包括以下幾部分：

1）Announce報(bào)文處理模塊：①接收Announce報(bào)文，獲取相應(yīng)的時(shí)間源信息；②進(jìn)行Announce報(bào)文的封裝，并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；

2）同步時(shí)鐘和路徑選擇模塊：負(fù)責(zé)時(shí)間源選擇，同步路徑選擇和切換；

3）端口工作狀態(tài)設(shè)置模塊：按照上層網(wǎng)管設(shè)置及選擇的路徑設(shè)置端口工作狀態(tài)；

4）上層接口模塊：提供與上層模塊交互配置、狀態(tài)等數(shù)據(jù)的接口。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本方案在烽火通信公司設(shè)備上已經(jīng)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，如圖8所示，測(cè)試時(shí)間為44 000秒，時(shí)間精度平均約為58納秒，且能夠保持穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在20納秒以內(nèi)，滿足P-OTN系統(tǒng)高精度的時(shí)間同步需求。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.8 Experiment record

4 結(jié)束語

本文介紹了IEEE1588v2協(xié)議的基本原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，提出了一種通過帶內(nèi)方式實(shí)現(xiàn)P-OTN網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)間愛你同步的系統(tǒng)方案，給出了軟件功能模塊的設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本文所采用的帶內(nèi)同步方式，經(jīng)測(cè)試滿足現(xiàn)網(wǎng)需求，已投入實(shí)際應(yīng)用。

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