IEEE 1588精密时间协议——分组网络上的频率同步

电信网络正在从电路交换技术快速转向分组交换技术，以满足核心网和接入网对带宽需求的迅速扩大。传统的电路交换TDM网络本身就支持在整个网络上实现精密频率同步。为了确保向终端用户设备提供高等级QoS，无线基站和多业务接入点(MSAN)等接入平台仍然依赖网络回传连接上提供的同步功能。在电信网中，能否通过以太网向远端无线基站和接入平台提供运营级的同步质量，是向以太网回传网演进的关键。
时间传输协议
        最初使用时间传输协议的电信设备是通过伺服控制环路驱动远端网元(如街道机箱接入平台和无线基站)中的参考振荡器。这些远端网元中的参考振荡器以前都是从T1/E1 TDM回传连接恢复同步。只要TDM传输网络可以跟踪到基准参考时钟(PRC)，远端网元就能采用相对简单的伺服控制将它们的振荡器锁定到可跟踪PRC的回传反馈时钟。当回传连接变成以太网——远端网元与同步源相互隔离时问题就来了。本文将讨论如何使用以太网上的IEEE 1588精密时间协议(PTP)向远端网元提供同步。虽然以太网已得到广泛普及，是低价连接的理想介质，但并不非常适合要求精密同步的应用。以太网生来就是非确定性的网络，很难提供要求同步的实时或对时间敏感的应用。PTP通过网络物理层的硬件时间戳技术很好地克服了以太网的延迟和抖动问题，因此使用以太网络承载时钟数据包可以达到100ns范围内的空前精度，进而显著节省成本。
下一代网络的同步功能
        基于GPS的卫星接收器可以提供小于100ns的精度，经常被用于精密时间与频率同步非常关键的领域，如电信、军事和航空应用。但提高精度成本巨大。基于GPS的系统需要安装室外天线，确保直接看到天空以便接收低功率的卫星传输信号，这不仅增加了费用，而且对设施的物理架构也带来了额外的负担。基于这个理由，GPS最适合在中心局用作电信网络的基准参考时钟，然后使用其它技术向远端设备分配同步和定时。电信运营商和设备制造商正在研究通过以太网络提供同步的多种新方法。

* 自适应时钟恢复(ACR)：基于电路仿真业务(CES)的许多非标准化解决方案使用ACR技术在远端下游单元再生网络时钟。然而，运营商在使用这种技术时遇到了一些性能问题，更不用说一些主要运营商通常不愿意将大规模的新业务部署交付给非标准化解决方案来实现。
        * 同步以太网：ITU最近已经完成了旨在满足通过以太网传输网络提供频率同步需求的同步以太网(G.8261,G.8262,G.8263)的定义工作。现有以太网和同步以太网(Sync-E)的基本区别是发送PHY时钟。现在的IEEE 802.3要求发送时钟达到100ppb(十亿分之一)的自由振荡时钟精度。在同步以太网中，发送时钟精度必须达到4.6ppb，并能通过外部SSU/BITS参考或接收时钟跟踪到一级时钟。通过简单地将以太网的发送和接收时钟链接起来，同步以太网可以用来与SONET/SDH交换数据。同步以太网面临的挑战是，在PRC和终端设备之间的整个路径上，所有以太网交换机都要通过升级具备同步以太网功能。
        * 网络时间协议(NTP)：NTP作为最流行的协议被广泛用于LAN和WAN上的时间同步。NTP实现成本相对较低，几乎不需要修改硬件。然而，目前版本的NTP和实现方案还不能满足电信网络同步所需的更高精度要求。
        另一方面，PTP通过使用现有的以太网分配网络可以提供接近NTP的成本效益，并通过使用基于硬件的时间戳技术达到超过NTP的精度。PTP可以与使用高速交换机的标准以太网网络上的正常网络业务共存，同时提供毫秒级的同步精度。达到这个杰出性能指标的关键是硬件辅助下的时间戳技术。
PTP工作原理：硬件辅助下的时间戳技术
        在网络时间保持应用中必须克服的两个主要问题是振荡器漂移和时间传输延时。不管采用何种协议，振荡器漂移问题都可以通过使用更高质量的振荡器和从更高精度的时钟源(如GPS)获得时间而得以减轻。时间传输延迟问题解决起来比较困难，它具有双重性：既有与操作系统处理时间数据包有关的延时，也有由于源时钟与目的时钟之间存在的路由器、交换机、电缆和其它硬件引起的网络延时。在减少操作系统延时和抖动方面PTP是最成功的。

PTP将时戳单元(TSU)和主从时钟之间时间戳交换的创新方法结合在一起。
        位于以太网介质访问控制(MAC)和以太网PHY接收器之间的TSU同时嗅探输入输出数据流，当识别出IEEE 1588 PTP数据包的前导位时发布一个时间戳，用于精确标记PTP时间数据包的到达或离开(见图1)。

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为了估计和减少操作系统延时，主时钟会根据本地时钟周期性地向网络上的从时钟发送一个同步(Sync)报文。TSU对发送的Sync报文标记上确切的时间。从时钟也给到达的Sync报文标上时间戳，然后将到达时间和Sync报文中提供的离开时间进行比较，于是就能判断操作系统中的延时量，最后对时钟作出相应的调整。

通过测量主时钟和从时钟之间的来回延时可以减小与网络有关的延时。从时钟周期性地向主时钟发送一个延时请求报文(Delay_Req)，然后由主时钟发起一个延时应答报文(Delay_Resp)。
        由于这两个报文都有精确的时间戳，从时钟可以将这个信息和来自Sync报文的细节结合起来测量和调整网络引入的延时。精密时间戳交换协议详见图2。

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Sync数据包在离开主时钟(T1)和到达从时钟(T2)时被标上时间戳。跟随(Follow-up)数据包将Sync数据包离开时间传送给从时钟。延时应答数据包在离开从时钟(T3)和到达主时钟(T4)时也被标上时间戳。Sync数据包和Follow-Up数据包对被主时钟作为延时请求和延时应答数据包周期性地发送出去。用于从时钟校正的公式为：0.5 (T1 – T2 – T3 – T4)。

确定目标精度
        PTP协议采用硬件时间戳技术提供亚微秒级的精度。在电信WAN上的性能表现取决于以下三个主要因素：
        * 主从时钟中的时间戳引擎的分辨率和精度(起始精度)
        * 穿越WAN的延时/数据包延时变化(PDV)，包括跳数、负载以及交换机/路由器配置
        * 在从时钟侧的伺服处理增益和振荡器实现(PDV的不确定性被滤除的效率有多高)
        在起始精度较高的情况下，电信网络上的数据包延时变化(PDV)将很快成为基于数据包的定时解决方案的误差主导因素。注重QoS配置和负载变化的两层交换网络可以提供最佳的PDV性能。这种情况非常适合IEEE 1588 PTP，因为PTP针对两层交换环境作了优化。然而，PDV是三层软件路由网络中的主导因素。振荡器稳定性和从时钟侧的伺服设计将成为确保满足电信网络同步要求的关键性能因素。
选择广播间隔和振荡器类型
        在PTP中，目标定时精度决定了同步报文广播的频度以及使用什么类型的振荡器。更频繁的广播可以得到更精确的同步，但也会产生更多的网络流量，虽然使用的带宽非常小。更高质量的振荡器也能得到更精确的同步。使用较低质量的振荡器同时增加广播频率以便更经济地达到目标精度似乎很有诱惑力，但这种做法是不推荐的。低质量的振荡器缺少为电信应用提供高精度PTP所需的稳定性，因此缩短广播间隔通常得不偿失。
        精度也是IEEE 1588主时钟的功能。IEEE 1588主时钟也被称为最高级时钟(grandmaster)，是网络上的最终时间源。最高级时钟通常以GPS为基准，因此非常稳定，也非常精确。UTC(协调世界时)的精度通常在30ns RMS以上。通过使用如此高精度的时钟和绝对时间基准，PTP网络上的时间可以得到很好的同步。高品质的最高级时钟还有其它一些测量特性，可用来表征网元的延时和抖动特征，并测量相对于最高级时钟的从时钟精度。

选择其它硬件
        在路由器缓存延时和交换机延时影响时间传输精度的以太网网络上，PTP能够很好地发挥作用。
        图3比较了在典型以太网交换机、线速路由器和基于软件的路由器上所做的延时和PDV测量结果。先进的线速路由器在延时和PDV方面可以提供与传统两层交换相媲美的快速交换，使得它们非常适合PTP同步分配应用。
        另一方面，与基于软件的路由器相关的高延时和PDV可能成为如上所述的一个限制因素。

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图3：表明以太网交换机(上部)、线速路由器(中间)和软件路由器(底部)延时的柱状图。线速路由器性能相当于两层交换机，而软件路由器的PDV高出了两个数量级。

PTP协议还引入了一些特殊部件，如边界时钟和透明时钟，即只有一个端口用于提供PTP从时钟到主时钟、其它端口通过增加功能来保持精度的交换机。边界时钟是指有一个端口是PTP从时钟至主时钟、其它端口是主时钟到下游从时钟的多*换机。边界时钟提供了向众多子网调节同步的好方法。但使用级联边界时钟会在伺服环路中积累非线性时间偏移，最终导致不可接受的精度下降。
        透明时钟是PTP网络中的另一个潜在硬件选项。这是一种带有PTP功能的交换机，能够通过修改Delay_Resp和Follow-Up报文中的精密时间戳消除交换机自身内部的接收和发送延时，从而改进从时钟和主时钟之间的同步精度。但是，当原始数据包密码校验和不匹配到达从时钟处的最终数据包时，透明时钟也可能产生安全问题。
PTP在电信中的应用
        许多电信网络设备提供商都把IEEE 1588 PTP作为满足下一代无线和接入平台同步要求的最具性价比方法。例如，所有GSM和UMTS基站频率必须同步到±50ppb(十亿分之一)，以支持手机从一个基站移动到另一个基站时的网络切换。不能满足50ppb的同步要求将导致通话中断。为了满足这个要求，基站的传统做法是将内部振荡器锁定到从T1/E1 TDM回传连接恢复的时钟上。当回传通道变为以太网后，基站与传统的网络同步反馈连接断开了。图4给出了使用PTP的无线网络向远端基站提供同步的典型部署情景。基站都将采用PTP从设备恢复出定时数据包，进而用于控制基站的内部振荡器以满足50ppb要求。基站中的PTP从设备需要访问移动交换中心(MSC)中部署的运营商级PTP最高级时钟。在MSC中部署PTP最高级时钟的关键考虑因素包括：

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图4：向下一代UMTS基站提供同步需要利用在MSC/RNC中部署的PTP最高级时钟。同步数据包从最高级时钟流向基站中的从时钟。

* 将PTP最高级时钟功能集成进现有的MSC同步平台(即BITS——大楼综合时钟供应系统，以及SSU——同步提供单元)。
        * 以太网传输单元配置——快速交换
        * 振荡器选择和PTP从/伺服控制
        MSAN和IP-DSLAM也要求支持传统的TDM应用，如T1/E1落地业务。设备制造商将PTP作为向基于远程终端的接入平台分配同步的方法。ITU最近发布了G.8261标准，以期确立分组网络的同步要求。在具体实施时的考虑因素与上述无线平台相同，关键仍然是将PTP最高级时钟功能集成进电信中心局的BITS和SSU平台(图5)。

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图5：支持传统TDM业务的MSAN要求从中心局开始经以太网回传进行同步分配。MSAN中的PTP从时钟可以从中心局BITS/SSU中的PTP最高级时钟获得同步。

PTP发展前景
        自从2002年推出以来，PTP获得了人们高度的关注，它的影响也是与日俱增。现在许多网络设备供应商生产的硬件都支持网络系统中的PTP。IEEE 1588 PTP协议正在继续完善，以便进一步提高精度、改进容错性能，并增强电信应用中的管理能力。纳秒级精度、部署容易及高性价比的PTP正在众多领域悄然改变同步应用前景。