基于IEEE 1588的同步以太网实现方式

吴敏凉,石旭刚,张胜,沈一波

(1.浙江工业大学 信息工程学院,杭州310014; 2.浙江工业大学 浙江省光纤重点实验室; 3.杭州奥博通信有限公司)

1 背 景

IP化是未来网络业务的发展趋势,而以太网以其优越的性价比、广泛的应用及产品支持,成为以IP为基础的承载网的主要发展方向。在部署电信级以太网时,如何解决时钟同步问题是一个要考虑的方面。对分组网络的同步需求有两个方面:一是,分组网络可以承载TDM业务,并提供TDM业务时钟恢复的机制,使得TDM业务在穿越分组网络后仍满足一定的性能指标;二是,分组网络可以像TDM网络一样,提供高精度的网络参考时钟,以满足网络节点或终端的同步需求。

同步以太网(SyncE)就是最新的标准解决方法。在SyncE中,以太网采用与SONET(同步光纤网络)/SDH(同步数字系列)相同的方式,通过高品质、可跟踪一级基准时钟信号同步其位时钟。2006年,国际电信联盟在其G.8261中描述了SyncE概念。2007年,在G.8262中对SyncE的性能要求进行了标准化,规定了同步以太网网络设备中使用的时钟的最低性能要求。IEEE在2002年发布了IEEE 1588标准,该标准定义了一种精确时间同步协议(PTP),2005年又制定了新版本的IEEE 1588,即IEEE 1588v2。

2 相关标准与协议

2.1 ⅠEEE 1588

IEEE 1588通过硬件和软件配合获得更精确的定时同步;在传输时间时钟信号时无需额外的时钟线,仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号,既简化了组网连接,又降低了成本。

IEEE 1588在技术规范中特别定义了一套基于消息的同步协议,通过周期性地发布带有时间戳的信息包,可以使各个测控节点的时钟得到校正,从而实现整个系统的同步运行。其实现原理如图1所示。首先,主时钟节点周期性(一般为2 s)地向整个系统发送同步包(Sync),接着将同步包时间戳打包再发送同步跟随包(Follow Up)。当各从时钟节点收到主时钟节点发来的同步包和同步跟随包后,依据各自时间戳、接收同步包时间戳和解析同步跟随包的时间戳,计算主从时钟差值;并用这个差值调整自身时钟,直到与主时钟同步为止。

图1 时钟误差校正原理

分布式测控系统中,每个测控设备在网络中所处位置、布线方式、布线长度以及目前网络技术中的固有问题,也将造成测控数据在传输过程中的不同延迟。为了有效消除网络延迟对分布式系统实时性的影响,IEEE 1588也定义了2个信息包,校正原理如图2所示。

图2 网络延迟校正原理

从时钟节点可以不定期(一般为4～60 s)地向主时钟节点发送延迟请求包(Delay Request),主时钟节点收到延迟请求包后,立即将接收时间戳打包并返回延迟应答包。当从时钟节点收到延迟应答包后,依据自身发送延迟请求包时间戳和解析延迟应答包时间戳计算网络延迟时间,并用这个差值调整自身时钟,直到与主时钟同步。基于以上方法,可以有效消除主从时钟差异和测控数据在网络中的传输延迟,从而实现分布式网络化测控系统的时钟同步。

2.2 基准时钟信号的分配方式

G.8261定义了分组网中的定时同步网元,规定了网络中所容许的最大抖动和漂移值,以及分组网边界与TDM接口时需要达到的抖动和漂移容限的最小值;概述了网元实现同步功能的最小要求;提出了两种基准时钟信号的分配方式——网络同步方式(同步以太网)和基于分组方式,解决了分组网特别是以太网的同步问题。特别指出的是,两种分配方式各有优点,其混合应用将构建既能实现频率同步,又能实现时间同步的下一代同步网。

(1)网络同步方式(同步以太网)

与现在的SONET/SDH链路一样,同步以太网通过OSI七层协议的第一层(即物理层)实现网络同步。同步以太网方式又称“PRC分配方式”(如GPS)或用同步物理层的主从方式。它支持基于网络同步线路码方式的时钟分配,已广泛地运用到同步TMD网中。

其特点是:使用以太网物理层;仅能分配同步频率,不能分配同步时间;不会因网络高层产生损伤而受到影响,同步质量好,可靠性高。

(2)基于分组方式

该方式是指定时信息由分组承载,发送专门的时间戳消息,双向传送定时信息的方法可能是NTP或类似的协议。值得注意的是,双向协议还能传送时间信息。

其特点是:与物理层无关;能分配同步频率和同步时间;会因电信网的损伤而受到影响,如分组延时抖动。

3 应用实例

3.1 Si5315芯片

在实际应用中,采用Silicon Labs公司生产的Si5315芯片。该芯片为一款抖动衰减时钟倍频芯片,采用8 kHz～644.53 MHz的双时钟输入,并且产生2个独立的倍频时钟。在同步方面,主要采用Silicon Labs的第三代DSPLL技术,能够产生任意比率的频率合成以及在高速率下的去抖动。除支持SONET/SDH和以太网时钟外,Si5315还可支持10G线路编码率的同步以太网时钟倍频芯片。

具体应用实例如图3所示。本地时钟输入62.5 M Hz作为芯片的一路输入,经过Si5315倍频后输出端口一路为125 M Hz。将其信号引入以太网设备的CDR模块(数据时钟恢复模块)作为参考时钟。当数据进入CDR后恢复出一个接近62.5 MHz的时钟,再次输入Si5315,经过DPLL锁相达到芯片认为符合要求的时钟后,本地时钟的输入被屏蔽。当网络中所有的设备都完成此项操作后,整个网络的时钟同步完成。在具体的应用中前级的数据时钟往往抖动十分严重,经过Si5315芯片处理后,时钟能恢复得很好,并且所有设备的时钟都保持了一致性。

图3 Si5315同步芯片应用实例

3.2 DP83640芯片

IEEE 1588的精密时钟协议(PTP)能够实现高精度的以太网时间同步,但是如果需要达到ns级的时钟同步性能,仅仅通过软件是很难实现的。因为在线路上接收PTP包之后,对它们进行处理的每一种器件都会增加同步误差。DP83640通过在物理层以硬件加软件的方式使得ns级的时钟同步成为可能。

DP83640是一款基于IEEE 1588标准的时钟同步芯片,采用硬件和软件结合的方式提供最高的精确度实时工业的时钟同步,可确保分布式上各节点能按照主机时钟的时间同步定时,并确保各节点之间的时间偏差不会超过8 ns。一旦线路上有 PTP包,即被 DP83640的精密PHYTER所读取。

DP83640具有几个内部时钟,包括本地参考时钟、1个以太网接收时钟和1个PTP时钟信号源;同时,还包括1个内部的PTP数字计数器,以及可以控制数字计数器和PTP时钟速率(频率)的逻辑。

在同步以太网交换机的方案中,通过替换以太网层并增加IEEE 1588 PTP软件实现。如图4所示,CPU、交换芯片和DP83640通过MII口连接起来组成一个系统。交换机成为以太网中同步的一个器件,使得交换机所形成的以太网及该网络下所挂的器件都满足IEEE 1588协议,最终形成同步以太网。

图4 基于DP83640的同步以太网交换机应用框图

结 语

从目前的原型实验和应用来看,IEEE 1588中标准化的精确时间协议可以达到亚微秒级的同步精度,并且有可能达到更高的精度。IEEE 1588为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效的解决方案,但同时也存在一些尚待进一步研究的问题,如主时钟的容错性能、振荡器的稳定性对时钟的影响等。相信今后该标准会更加完善,也会有更多的具体应用可以参考。

编者注:本文为期刊缩略版,全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

[1]IEEE Std.1588—2002 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

[2]Kendal R,Sivaram B,Anatoly M.The Application of IEEE 1588 to a Distributed Motion Control System[OL].[2009-08].http://ieee1588.nist.gov/.

[3]Roes F E,Vaman D R.IsoEthernet:An Integrated Services LAN[J].IEEE Communications Magazine,1996,34(8).

[4]韦乐平.电信级以太网的崛起[OL].[2009-08].http://www.Chinatelecom.com.cn.

[5]胡昌军.电信级以太网技术漫谈[OL].[2009-08].http://catr.com.cn.