1588技術在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下的應用方式探討＊

張 軍 國電南瑞科技股份有限公司高級工程師

李 信 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司高級工程師

黃源源 國電南瑞科技股份有限公司工程師

呂 博 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

1 引言

目前，1588v2（PTP：Precise Time Protocol）技術作為GPS的一種替代方案用以解決3G/4G基站的時間同步問題，已經(jīng)在電信運營商（如中國移動）的城域網(wǎng)中得到了試點應用；在電力系統(tǒng)中部分地市（如浙江電力公司）也組建了PTP時間同步試驗網(wǎng)，為變電站內(nèi)的被授時設備提供高精度的時間同步信號。雖然利用PTP技術已經(jīng)可以組建時間同步網(wǎng)進行時間傳送，可以為網(wǎng)絡末端的被授時設備提供亞微秒量級的時間同步信號，然而隨著時間同步需求的不斷增大以及對網(wǎng)絡健壯性、安全性要求的日益提高，利用PTP技術進行組網(wǎng)必然要面臨大規(guī)模網(wǎng)絡應用的挑戰(zhàn)。最為突出的問題是：隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大、時間同步設備數(shù)量的增多，目前PTP自身的技術缺陷如選源算法中優(yōu)先級數(shù)量的瓶頸問題將會凸顯，從而影響到PTP技術的推廣和組網(wǎng)應用；此外，端到端的距離以及節(jié)點數(shù)都會使噪聲累積增加，影響到時間同步的性能。在此技術背景下本文探討了在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下1588的新型應用方式。

2 1588典型的應用方式

目前，1588典型的應用方式主要有兩種：邊界時鐘（BC）組網(wǎng)和靜態(tài)單播組網(wǎng)。

2.1 全BC組網(wǎng)場景

圖1所示為中國移動城域網(wǎng)中1588用以解決3G/4G基站的時間同步問題的典型應用場景。該應用場景中在核心層部署了一主一備兩臺時間服務器作為同一時間域的時間基準源頭，并配置了GPS/北斗衛(wèi)星授時接收機和高精度原子鐘來提高全網(wǎng)的同步可靠性；在PTN+OTN的傳送網(wǎng)中全網(wǎng)啟用了BC功能，可以有效地抑制分組網(wǎng)絡PDV噪聲的影響，保證了從源端到基站側(cè)端到端的時間性能；在這種組網(wǎng)場景下啟用BMC算法后可自動進行選源與PTP同步鏈路安排，減少了運維成本。目前，該場景已經(jīng)在中國移動的城域網(wǎng)中得到試點應用。

2.2 三層單播方式

圖2所示為電力時間同步試點中典型的組網(wǎng)應用場景。在該場景中采用了兩級結(jié)構(gòu)，分為一級PTP主時鐘和二級PTP從時鐘，通過人工預置PTP時鐘的優(yōu)先級（Priority1/2）來規(guī)劃全網(wǎng)PTP時鐘的等級，通過三層單播的方式規(guī)劃PTP同步鏈路組織。該應用場景引入了同步網(wǎng)分級分層的概念，所以并不局限于局域和城域組網(wǎng)，但在大規(guī)模廣域組網(wǎng)中會遇到優(yōu)先級數(shù)量的瓶頸以及IP地址的劃分等技術問題，需進行更深入的研究后才可進行推廣應用。

圖1 BC組網(wǎng)應用場景

3 1588大規(guī)模組網(wǎng)需考慮的重要因素

盡管1588在城域組網(wǎng)中已經(jīng)有典型的應用實例，但隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，一方面?zhèn)鬏斁嚯x的增加和網(wǎng)元數(shù)量的增多會增大同步網(wǎng)絡噪聲的累積，影響到端到端的時間同步性能；另一方面網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的復雜化又對同步區(qū)的劃分、同步網(wǎng)的分層分級和PTP同步鏈路的組織提出新的挑戰(zhàn)，因此在1588大規(guī)模網(wǎng)絡應用中需重點考慮以下3點因素：

（1）端到端時間同步性能：為保證端到端的時間同步性能，需對時間誤差（TE：Time Error）進行嚴格控制，主要包括對固定時間誤差的非對稱時延補償以及動態(tài)時間誤差的噪聲過濾兩大類技術手段。

（2）選源問題：大規(guī)模網(wǎng)絡中需對同步區(qū)進行劃分，對同步網(wǎng)進行分層分級，從而涉及到時間同步選源和溯源問題。選源和溯源需對BMC算法的數(shù)據(jù)集中關鍵參數(shù)（如域名、優(yōu)先級、clkID等）進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

（3）PTP同步鏈路組織：PTP同步鏈路組織中需同時考慮極長定時參考鏈接帶來的誤差影響、時間同步組網(wǎng)保護方式以及PTP的通道組織方式等技術問題。

4 1588大規(guī)模組網(wǎng)應用方式論證與比較

針對以上3點考慮因素，本文提出了3種新型的1588大規(guī)模組網(wǎng)應用方式。

4.1 網(wǎng)格化BC組網(wǎng)

圖3為本文提出的網(wǎng)格化BC組網(wǎng)應用方式。這里“網(wǎng)格化”是將大規(guī)模網(wǎng)絡劃分為不同的時間網(wǎng)格，其中縱向為時間域的劃分，橫向為同步網(wǎng)層的劃分，在網(wǎng)格交叉處部署不同等級的PTP時間同步節(jié)點以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。在該方式中根據(jù)網(wǎng)絡特點首先需規(guī)劃多個時間域，不同域間在傳輸網(wǎng)絡邊緣處即可采用物理隔離的方式也可通過BMC算法中不同時間域編號進行劃分。在同一時間域內(nèi)將同步網(wǎng)分為3層，在不同網(wǎng)層交匯點處部署主備一級、二級和三級PTP時間同步設備。全網(wǎng)啟用BMC算法后在同一時間域內(nèi)可實現(xiàn)自動選源與主備PTP同步鏈路的自動配置，降低了規(guī)劃的復雜度，同時為保證端到端時間同步性能可在域內(nèi)增設PTP從時鐘設備實現(xiàn)PDV噪聲過濾。對全網(wǎng)進行“網(wǎng)格化”處理的方式即可保證不同時間域的相對獨立，又可對BMC算法的選源參數(shù)如優(yōu)先級1和2進行復用，從而降低了規(guī)劃難度。該方式的缺點為在Mesh網(wǎng)絡拓撲環(huán)境下網(wǎng)格的劃分與剝離存在一定的難度，因此該方式主要適用于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為清晰的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 靜態(tài)單播組網(wǎng)應用場景

4.2 智能時鐘輔助型TC組網(wǎng)

1588 v2中引入透傳時鐘（TC）的初衷是為了彌補了BC在時間精度方面的不足，采用TC方式的中間節(jié)點可靈活方便地對駐留時間進行修正及補償，確保在更遠的傳輸距離和更廣泛的網(wǎng)絡內(nèi)保持更高的時間精度。TC方式支持多時鐘域的處理，同時可以避免網(wǎng)絡成環(huán)。但是，在大規(guī)模網(wǎng)絡應用中仍然面臨兩方面挑戰(zhàn)：一是TC為扁平化結(jié)構(gòu)，所有從時鐘都跟蹤到同一時間域的祖時鐘（GM：Grandmaster），當從時鐘數(shù)量較多時祖時鐘的負擔加大，同時從網(wǎng)絡安全性角度講需要限制單個時間服務器下攜帶的從時鐘數(shù)量；二是在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下，由于1588v2并未引入TC設計專屬的BMC算法，使得TC方式下時鐘溯源和PTP定時同步鏈路的組織和保護配置需人工實現(xiàn)，大大提高了規(guī)劃與配置難度。為解決以上兩大難題本文提出可利用智能時鐘輔助全網(wǎng)進行TC時鐘的規(guī)劃與配置，這里“智能時鐘”是指采用計算機輔助方式實現(xiàn)時間域、時間源頭、PTP主備同步鏈路的自動規(guī)劃與配置，目前廠家正致力于各自網(wǎng)管系統(tǒng)智能時鐘功能模塊的開發(fā)工作，待其功能完善后可輔助進行大規(guī)模網(wǎng)絡的TC組網(wǎng)應用。

圖3 網(wǎng)絡化BC組網(wǎng)應用場景

4.3 分布式GM組網(wǎng)

圖4所示分布式GM組網(wǎng)應用場景在韓國和日本的4G網(wǎng)絡中得到了一定應用。該組網(wǎng)方式為了控制端到端的時間同步誤差，將大規(guī)模網(wǎng)絡劃分為多個子網(wǎng)使時間同步信號做適度收斂。不同子網(wǎng)可通過劃分時間域進行區(qū)分，每個子網(wǎng)內(nèi)部署一主一備兩臺祖時鐘設備GM1和GM2，正常情況下均跟蹤衛(wèi)星接收機，衛(wèi)星接收機失效后可利用GM自身的晶振進行守時。該方式簡化了時間源頭與PTP同步鏈路的配置，部署方式較為靈活，缺點為由于網(wǎng)絡中配備了大量的GM設備，出于成本考慮，目前的GM多采用恒溫晶體振蕩器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator），因此守時性能受限，現(xiàn)網(wǎng)中可適當增配內(nèi)置銣鐘的增強型GM設備以提高守時精度。

圖4 分布式GM組應用場景

4.4 3種方式的比較

表1為3種應用方式相比較的結(jié)果。綜合比較方式1較為適中，主要實現(xiàn)難度為時間網(wǎng)格的劃分與設備優(yōu)先級的規(guī)劃；方式2可提供較高的端到端時間同步精度及守時精度，但時間源及PTP同步鏈路組織的復雜度較高，建議網(wǎng)管智能時鐘功能開發(fā)完善后再加以應用；方式3采用了分布式GM組網(wǎng)方式，部署方式最為簡單靈活并且在正常跟蹤衛(wèi)星時具有較高的時間精度，缺點為GM以數(shù)量降低了建設成本但犧牲了守時性能，從而降低了同步網(wǎng)的可靠性?？梢哉f這3種方式是各有利弊，實際規(guī)劃中應根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境和應用需求綜合比較進行選擇。

表1 3種應用方式比較

5 結(jié)束語

1588 在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下面臨端到端時間同步性能的保證、同步選源以及PTP同步鏈路組織問題，本文提出3種應用方式，建議在大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境中根據(jù)被授時設備的時間精度需求、網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)以及建設成本等因素對本文提出的3種方式進行論證及選擇。

1 孟海強,田君.1588v2 BC和TC時鐘模式部署建議.電信技術.2010,6

2 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Sync hronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

3 YD/T 2375-2011.高精度時間同步技術要求