應(yīng)用于精確網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的新型傳輸技術(shù)研究

金利忠 羅 鑒

(中興通訊股份有限公司 江蘇 南京 200336)

應(yīng)用于精確網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的新型傳輸技術(shù)研究

金利忠 羅 鑒

(中興通訊股份有限公司 江蘇 南京 200336)

在MPLS網(wǎng)絡(luò)中提供時鐘同步，是當(dāng)前基于MPLS/MPLS-TP的傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要功能。經(jīng)過對IEEE1588v2精確時鐘協(xié)議的研究，創(chuàng)造性地提出了“中心分支多點(diǎn)標(biāo)簽交換路徑”HSMP LSP(Hub Spoke Multipoint LSP)。通過HSMP LSP承載IEEE1588v2協(xié)議，與使用普通點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)LSP進(jìn)行承載相比，在保證相同的時鐘同步精度要求下，能夠更加高效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

標(biāo)簽交換路徑 MPLS P2MP LSP HSMP LSP

0 引 言

在基于MPLS/MPLS-TP的移動回傳網(wǎng)絡(luò)中，基于IEEE1588v2[4]的時鐘同步協(xié)議，需要通過MPLS LSP進(jìn)行傳輸，從而完成基站與時鐘服務(wù)器之間的時鐘同步，如圖1所示。

圖1 基于MPLS/MPLS-TP移動回傳網(wǎng)絡(luò)

IEEE1588v2定義了兩種時鐘模式，即邊界時鐘模式BC(Boundary Clock)和透明時鐘模式TC(Transparent Clock)。其中透明時鐘模式可以提供比邊界時鐘模式更加精確的同步性能。透明時鐘有兩種類型，即端到端的透明時鐘模式和點(diǎn)對點(diǎn)的透明時鐘模式。

點(diǎn)對點(diǎn)透明時鐘模式，需要獲取節(jié)點(diǎn)之間的鏈路延時，以進(jìn)行時間修正。假設(shè)在PTP Master(Precision Time Protocol Master)與PTP Slave(Precision Time Protocol Slave)之間有一條路徑，時鐘同步報文可以傳送到PTP Slave。通過對鏈路延時的計算，沿途每個節(jié)點(diǎn)可以對PTP Sync報文進(jìn)行時間修正，從而在PTP Slave端可以得到PTP Sync的處理時延。PTP Master節(jié)點(diǎn)為了將相同的PTP Sync報文發(fā)送到各個PTP Slave節(jié)點(diǎn)，目前普遍的做法是通過在PTP Master與多個PTP Slave之間建立點(diǎn)到點(diǎn)的LSP路徑進(jìn)行報文的傳輸。

同時，PTP Slave也需要回復(fù)Delay Request報文給PTP Master。根據(jù)IEEE1588v2的時鐘同步原理，Delay Request報文的路徑需要與PTP Sync報文的路徑相同，并且只能發(fā)送給PTP Master節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)前IETF定義了IEEE1588 over MPLS技術(shù)[3]，通過使用點(diǎn)到多點(diǎn)LSP技術(shù)來傳輸PTP Sync報文，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，而不需要建立多條點(diǎn)到點(diǎn)的LSP進(jìn)行報文的傳輸。然而，當(dāng)前的點(diǎn)到多點(diǎn)LSP只提供從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)的單向路徑，從而無法保證葉子節(jié)點(diǎn)在發(fā)送Delay Request報文時，與PTP Sync報文同路徑。

根據(jù)IEEE1588v2的時鐘同步原理，要求IEEE1588v2的PTP Sync報文與Delay Request報文來回同路徑，從而保證時延的對稱性。這就要求承載時鐘同步的網(wǎng)絡(luò)提供的傳輸能力，包括：

(1) 報文雙向路徑相同；

(2) 路徑需要有帶寬保證；

(3) 路徑需要有可靠的QoS保證。

本文基于上述網(wǎng)絡(luò)要求，提出了“分支中心多點(diǎn)LSP”來完成1588v2時鐘同步報文的承載，從而達(dá)到了：

(1) 通過PTP Sync報文的點(diǎn)到多點(diǎn)路徑傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率；

(2) 通過“分支中心多點(diǎn)LSP”的上游路徑，進(jìn)行Delay Request報文傳輸，保證了雙向同路徑；

(3) 通過采用LDP(Label Distribution Protocol)協(xié)議建立“分支中心多點(diǎn)LSP”，可以靈活動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

(4) 通過采用RSVP-TE(Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering)協(xié)議建立支持DS-TE (DiffServ Aware Traffic Engineering) 功能的“分支中心多點(diǎn)LSP”，為1588v2協(xié)議的承載提供了帶寬和QoS的保證。

1 技術(shù)原理

本文提出的“分支中心多點(diǎn)LSP”HSMP LSP，其特點(diǎn)是由一個根節(jié)點(diǎn)和若干個葉子節(jié)點(diǎn)組成。根節(jié)點(diǎn)沿著P2MP LSP (Point-to-Multipoint LSP) 路徑，稱為下游路徑，將數(shù)據(jù)報文發(fā)送給各個葉子節(jié)點(diǎn)。葉子節(jié)點(diǎn)沿著上游P2P LSP路徑，將數(shù)據(jù)報文發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)。HSMP LSP路徑由下游P2MP LSP路徑與上游P2P LSP路徑組成，其中下游P2MP LSP路徑與上游P2P LSP路徑是相同路徑。

如圖2所示，給出了IEEE1588v2報文沿著HSMP LSP進(jìn)行傳輸?shù)睦?。Master節(jié)點(diǎn)連接R2，R2作為HSMP LSP的根節(jié)點(diǎn)，R1與R3為葉子節(jié)點(diǎn)，分別連接著Slave_1與Slave_2節(jié)點(diǎn)。Master節(jié)點(diǎn)將PTP Sync報文發(fā)送給R2，由R2沿著HSMP LSP的下游路徑發(fā)送PTP Sync報文給R1與R3。隨后，R1與R3分別把PTP Sync報文發(fā)送給Slave_1與Slave_2節(jié)點(diǎn)。當(dāng)Slave_1與Slave_2節(jié)點(diǎn)收到PTP Sync報文后，回復(fù)Delay Request報文給Master節(jié)點(diǎn)。R1與R3分別收到Slave_1與Slave_2節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Delay Request報文，將Delay Request報文沿著HSMP LSP的上游路徑發(fā)送給R2節(jié)點(diǎn)，隨后R2節(jié)點(diǎn)將Delay Request報文發(fā)送給Master節(jié)點(diǎn)。

圖2 HSMP LSP承載時鐘同步協(xié)議

如果每一個Slave節(jié)點(diǎn)收到PTP Sync報文后，同時進(jìn)行Delay Request報文的回復(fù)，必然會加大上游路徑的帶寬壓力。為了避免所有的Delay Request報文在上游路徑上搶占相同的帶寬和QoS資源，每一個Slave節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)Slave_ID進(jìn)行一定的延時，然后沿著上游路徑發(fā)送Delay Request報文，其中Slave_ID是一個全網(wǎng)唯一的標(biāo)識符，可以為IP地址。延時時間計算公式如下：

Tdelay=Random(Slave_ID) ×Tmax

其中，隨機(jī)函數(shù)Random()∈ [1, 0]，Tmax是最大允許時延。

根據(jù)IEEE1588v2協(xié)議，隨后Master節(jié)點(diǎn)將發(fā)送DelayResponse報文給各個Slave節(jié)點(diǎn)，這由其他點(diǎn)到點(diǎn)的路徑連接傳輸完成，而不再通過HSMPLSP的下游路徑完成。

從上述分析可以看出，通過HSMPLSP承載IEEE1588v2協(xié)議，滿足了IEEE1588v2協(xié)議的承載要求，即PTPSync和DelayResponse報文雙向同路徑，滿足了帶寬和QoS保證等。同時，由于采用了類似P2MPLSP的組播方式承載PTPSync報文，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。

2 基于LDP的HSMP LSP建立

IETF已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了基于LDP的P2MPLSP[7-8]，實現(xiàn)了點(diǎn)到多點(diǎn)的MPLS標(biāo)簽傳輸路徑。本文使用LDP協(xié)議建立的HSMPLSP，通過路由協(xié)議的動態(tài)調(diào)整，能夠在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臅r候，自動進(jìn)行路徑重建和恢復(fù)。下面簡要描述基于LDP的HSMPLSP的建立原理。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)由5個節(jié)點(diǎn)組成，分別為P1、P2、P3、P4和P5，P1作為HSMPLSP的根節(jié)點(diǎn)Root，P3、P4和P5作為HSMPLSP的葉子節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)識為LeafA、LeafB和LeafC。P2節(jié)點(diǎn)為中間傳輸節(jié)點(diǎn)，即Transit節(jié)點(diǎn)，完成下游路徑的報文復(fù)制，以及上游路徑的報文匯合。

圖3 基于LDP的HSMP LSP網(wǎng)絡(luò)

HSMPLSP是由各個葉子節(jié)點(diǎn)首先觸發(fā)建立。

(1)LeafA獲知其要建立到根節(jié)點(diǎn)Root的HSMPLSP，于是查找本地路由表，得到達(dá)到Root節(jié)點(diǎn)的下一跳，即中間節(jié)點(diǎn)Transit，也是其上游節(jié)點(diǎn)。然后發(fā)送標(biāo)簽映射消息LM(LabelMapping)給Transit節(jié)點(diǎn)，其中消息攜帶下游路徑DFEC(DownstreamForwardingEquivalenceClass)，簡寫為D(其中x為Root節(jié)點(diǎn)的IP地址，y為HSMPLSP標(biāo)識符)，以及標(biāo)簽L1。

(2)Transit節(jié)點(diǎn)收到此標(biāo)簽映射消息后，由于本地還沒有收到來自Root方向的標(biāo)簽映射消息，所以首先需要發(fā)送標(biāo)簽映射消息到其上游節(jié)點(diǎn)。同樣根據(jù)路由協(xié)議尋找到達(dá)Root節(jié)點(diǎn)的上游節(jié)點(diǎn)。在圖2的拓?fù)渲锌梢钥闯?，Root節(jié)點(diǎn)本身即為上游節(jié)點(diǎn)。于是發(fā)送標(biāo)簽映射消息給Root節(jié)點(diǎn)，其中消息攜帶下游路徑DFEC為D，以及標(biāo)簽L3。

(3)Root節(jié)點(diǎn)收到此標(biāo)簽映射消息后，發(fā)現(xiàn)FEC為D，其中x為其自身，所以認(rèn)定自己為根節(jié)點(diǎn)，于是發(fā)送標(biāo)簽映射消息給下游節(jié)點(diǎn)，即Transit節(jié)點(diǎn)，其中消息攜帶上游路徑UFEC(UpstreamFEC)，簡寫為U(其中x為Root節(jié)點(diǎn)的IP地址，y為HSMPLSP標(biāo)識符)，以及標(biāo)簽L4。Root節(jié)點(diǎn)建立如下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表：① 從客戶接口收到數(shù)據(jù)流，封裝L3標(biāo)簽，發(fā)送給下游節(jié)點(diǎn)；② 從下游節(jié)點(diǎn)收到標(biāo)簽為L4的報文，發(fā)送數(shù)據(jù)流到客戶接口。

(4)Transit收到此標(biāo)簽映射消息后，發(fā)送標(biāo)簽映射消息給其下游節(jié)點(diǎn)LeafA，其中消息攜帶上游路徑UFEC為U，以及標(biāo)簽L2。Transit節(jié)點(diǎn)建立如表1所示的下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表。

表1 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表

(5)LeafA節(jié)點(diǎn)收到Transit的標(biāo)簽映射消息后，建立如下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表：① 從客戶接口收到數(shù)據(jù)流，封裝L2標(biāo)簽，發(fā)送給上游節(jié)點(diǎn)；② 從上游節(jié)點(diǎn)收到標(biāo)簽為L1的報文，發(fā)送數(shù)據(jù)流到客戶接口。

(6)LeafB獲知其要建立HSMPLSP到根節(jié)點(diǎn)Root，于是查找本地路由表，得知到達(dá)Root節(jié)點(diǎn)的下一跳，即中間節(jié)點(diǎn)Transit，也是其上游節(jié)點(diǎn)。然后發(fā)送標(biāo)簽映射消息LM給Transit節(jié)點(diǎn)，其中消息攜帶下游路徑FEC為D，以及標(biāo)簽L5。

(7)Transit節(jié)點(diǎn)收到LeafB的標(biāo)簽映射消息后，發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)收到過上游節(jié)點(diǎn)，即Root節(jié)點(diǎn)發(fā)送過的標(biāo)簽映射消息，于是直接發(fā)送標(biāo)簽映射消息給其下游節(jié)點(diǎn)LeafB，其中消息攜帶上游路徑UFEC為U，以及標(biāo)簽L2(Transit向所有下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的標(biāo)簽L2)。Transit節(jié)點(diǎn)更新標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，如表2所示。

表2 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表

(8)LeafA節(jié)點(diǎn)收到Transit的標(biāo)簽映射消息后，建立如下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表：① 從客戶接口收到數(shù)據(jù)流，封裝L2標(biāo)簽，發(fā)送給上游節(jié)點(diǎn)；② 從上游節(jié)點(diǎn)收到標(biāo)簽為L5的報文，發(fā)送數(shù)據(jù)報文到客戶接口。

上述過程如圖4所示，其中，LM[D,L1]表示標(biāo)簽映射消息，DFEC為D (x為root節(jié)點(diǎn)地址，y為LSP標(biāo)識符)，標(biāo)簽為L1。

圖4 基于LDP的HSMP LSP建立

3 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

基于LDP建立的HSMPLSP不能提供帶寬和QoS的保證，而設(shè)計基于RSVP-TE的HSMPLSP，正是用來解決此問題。IETF已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了基于RSVP-TE的P2MPLSP[6]，實現(xiàn)了點(diǎn)到多點(diǎn)的MPLS標(biāo)簽傳輸路徑，我們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)擴(kuò)展。

仍以圖2為例，P1作為HSMPLSP的根節(jié)點(diǎn)Root，P3、P4和P5作為HSMPLSP的葉子節(jié)點(diǎn)。P2節(jié)點(diǎn)為中間傳輸節(jié)點(diǎn)Transit節(jié)點(diǎn)，完成下游路徑的報文復(fù)制，以及上游路徑的報文匯合?；赗SVP-TE的HSMPLSP建立步驟如下：

(1) 基于RSVP-TE的HSMPLSP是由根節(jié)點(diǎn)Root首先觸發(fā)的。根據(jù)RFC4875[6]所描述的機(jī)制，Root節(jié)點(diǎn)將發(fā)送攜帶source-to-leaf(S2L)對象的Path消息給其下游節(jié)點(diǎn)Transit，其中S2L對象攜帶了到達(dá)LeafA與LeafB的路徑。同時Path消息攜帶RFC3473[5]所定義的Upstream_Label對象，上游標(biāo)簽為L1。

(2)Transit節(jié)點(diǎn)收到Path消息后，根據(jù)S2L對象，得知需要將Path消息分別發(fā)送給LeafA與LeafB，同時攜帶Upstream_Label對象，上游標(biāo)簽為L2。

(3)LeafA與LeafB分別收到各自的Path消息后，向上游節(jié)點(diǎn)，即Transit節(jié)點(diǎn)回復(fù)RSVPReserve消息，分別攜帶標(biāo)簽L3和L4。LeafA與LeafB建立如下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表：① 從客戶接口收到數(shù)據(jù)流，封裝L2標(biāo)簽，發(fā)送給上游節(jié)點(diǎn)；②LeafA與LeafB從上游節(jié)點(diǎn)分別收到標(biāo)簽為L3和L4的報文，發(fā)送數(shù)據(jù)報文到客戶接口。

(4)Transit節(jié)點(diǎn)收到分別來自A和B的兩個RSVPReserve消息。假設(shè)首先收到來自LeafA的RSVPReserve消息，于是發(fā)送RSVPReserve消息給上游節(jié)點(diǎn)Root，攜帶標(biāo)簽L5。當(dāng)收到來自LeafB的RSVPReserve消息后，由于其已經(jīng)向上游發(fā)送過RSVPReserve消息，所以不需要額外操作。這時形成的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表如表3所示。

表3 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表

(5)Root節(jié)點(diǎn)收到Reserve消息后，建立如下標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表：① 從客戶接口收到數(shù)據(jù)流，封裝L5標(biāo)簽，發(fā)送給下游節(jié)點(diǎn)；② 從下游節(jié)點(diǎn)收到標(biāo)簽為L1的報文，發(fā)送數(shù)據(jù)流到客戶接口。

上述過程見圖5所示，其中，UL為上游分配的標(biāo)簽。

圖5 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

4 HSMP LSP的應(yīng)用

HSMPLSP除了在IEEE1588v2時鐘同步領(lǐng)域的應(yīng)用外，還可以應(yīng)用于其他諸多領(lǐng)域。例如，應(yīng)用HSMPLSP進(jìn)行P2MPLSP的保護(hù)，在某個葉子節(jié)點(diǎn)的下游客戶鏈路出現(xiàn)故障時，可以通過HSMPLSP的上游路徑，將葉子節(jié)點(diǎn)的故障情況匯報給根節(jié)點(diǎn)，從而由根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行HSMPLSP的保護(hù)切換。

HSMPLSP還可以應(yīng)用于IPTV領(lǐng)域。對于IPTV的接入網(wǎng)，往往是Hub-Spoke的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)使用P2MPLSP進(jìn)行組播分發(fā)前，葉子節(jié)點(diǎn)卻沒有路徑將收到的IGMP消息發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)。而采用HSMPLSP進(jìn)行IPTV網(wǎng)絡(luò)部署，則葉子節(jié)點(diǎn)可以將收到的IGMP消息通過上游路徑發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)，從而完成組播的加入過程。

在VPLS組播網(wǎng)絡(luò)中，同樣可以利用HSMPLSP進(jìn)行PE之間的LSP連接建立，其中下游路徑用來進(jìn)行組播分發(fā)，而上游路徑用來進(jìn)行單播轉(zhuǎn)發(fā)，這可以大大減少VPLS組播網(wǎng)絡(luò)LSP建立的總數(shù)量。

HSMPLSP同樣可以應(yīng)用于P2MPLSP的單向延時測量，通過上游路徑，將延時測量結(jié)果反饋給根節(jié)點(diǎn)，從而可以進(jìn)行延時的計算。

5 國際標(biāo)準(zhǔn)化

IETF(國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)是全球互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的最權(quán)威組織。本文的主要成果之一，基于LDP的HSMPLSP建立機(jī)制，已經(jīng)向IETF提交了標(biāo)準(zhǔn)文稿，并且已經(jīng)正式發(fā)布為RFC7140[1]?；赗SVP-TE

的HSMP LSP建立機(jī)制，也通過IETF提交了標(biāo)準(zhǔn)draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp[2]，并且已經(jīng)被IETF的MPLS工作組接受為工作組文稿。

6 結(jié) 語

通過使用HSMP LSP進(jìn)行IEEE1588v2協(xié)議的承載，既高效利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，又達(dá)到時鐘同步的精度要求。同時，HSMP LSP作為一種新型的LSP，已經(jīng)被IETF正式標(biāo)準(zhǔn)化。在可預(yù)見的未來，HSMP LSP會被應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域。

[1] Jin L,Jounay F,Wijnands I,et al.LDP Extensions for Hub & Spoke Multipoint Label Switched Path[R].RFC7140,2014.

[2] Jin L,Jounay F,Bhatia M,et al.Hub and Spoke Multipoint Label Switched Path Tunnels[R].draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp-04,2013.

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[8] Roux J L L,Morin T.Requirements for Point-to-Multipoint Extensions to the Label Distribution Protocol[R].RFC 6348,2011.

RESEARCH ON NEW TRANSMISSION TECHNOLOGY FOR PRECISE TIMING SYNCHRONIZATION

Jin Lizhong Luo Jian

(ZTECorporation,Nanjing200336,Jiangsu,China)

Providing IEEE1588v2 time synchronization is one of the most important functions in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP. After analyzing the precise timing protocol IEEE1588v2, a new type of LSP, named hub spoke multipoint LSP (HSMP LSP) is put forward. Compared with the transportation with P2P or P2MP LSP, time synchronization with HSMP LSP could provide higher bandwidth usage efficiency in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP.

Label switched path MPLS P2MP LSP HSMP LSP

2015-09-28。金利忠，工程師，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)。羅鑒，工程師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.023