電信級(jí)以太網(wǎng)的同步性能驗(yàn)證

李 軍

（中國(guó)鐵通通信計(jì)量測(cè)試中心，北京 100038）

目前，隨著電信技術(shù)的不斷發(fā)展，電信級(jí)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度越來(lái)越迅捷，已從早期的10 M提高到100 M，GE，10 GE，40 GE，100 GE。隨之而來(lái)的是電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備時(shí)間同步性的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于一個(gè)全國(guó)范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般要求控制在50 ms之內(nèi)，并且對(duì)同步精度或收斂速度有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求。

如何保證以太網(wǎng)設(shè)備能夠適應(yīng)越來(lái)越高速網(wǎng)絡(luò)的同步要求，下面從幾個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析一下。

1 同步性的技術(shù)支持：時(shí)間協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

回顧以太網(wǎng)同步技術(shù)的發(fā)展，曾在以太網(wǎng)上用過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）技術(shù)，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）技術(shù)，GPS技術(shù)或用T1/E1和以太網(wǎng)組成混合網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步能力，但由于NTP自身技術(shù)的限制，其精度只能在1～50 ms之間，不能達(dá)到所要求的同步精度或收斂速度；GPS廣泛應(yīng)用在CDMA基站和其他應(yīng)用，提供時(shí)間和頻率的同步，但GPS接收機(jī)需要在空中架設(shè)天線，在辦公室或運(yùn)營(yíng)商機(jī)房里實(shí)施比較困難；在T1/E1和以太網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò)，用T1/E1傳遞時(shí)鐘，用以太網(wǎng)擴(kuò)大帶寬，但從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本來(lái)講用這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。

為此，網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)起草的“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)”，在2002年底獲得美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）通過(guò)作為IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)予以發(fā)布。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)特別適合以太網(wǎng)，可以在一個(gè)地域分散的IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)高精度的時(shí)鐘同步。

IEEE1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。現(xiàn)在IEEE 1588的版本為IEEE1588 V2，是一種精確時(shí)間同步協(xié)議，可以認(rèn)為是對(duì)NTP協(xié)議的一種進(jìn)化版本，IEEE1588 V1精度可以達(dá)到亞ms級(jí)，IEEE1588 V2精度可以達(dá)到亞us級(jí)的精度。IEEE1588 V2對(duì)IEEE1588 V1進(jìn)行了改進(jìn)和提高，提高了同步精度，加入了故障容限，滿足冗余和安全的保障功能，并引入邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘兩種新類型設(shè)備。通過(guò)主從設(shè)備間傳遞PTP消息包，從時(shí)鐘計(jì)算時(shí)間和頻率偏移，實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘的頻率和時(shí)間的同步。

2 同步性的技術(shù)內(nèi)容：IEEE 1588的主要技術(shù)指標(biāo)

IEEE1588 V2作為PTN關(guān)鍵技術(shù)之一，打破了分組化網(wǎng)絡(luò)無(wú)法傳送精確時(shí)鐘信號(hào)的歷史，支持IEEE1588 V2的以太網(wǎng)只需要一個(gè)高精度時(shí)鐘源輸入，就可以將時(shí)鐘信號(hào)精準(zhǔn)地傳送給各個(gè)網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)精準(zhǔn)同步。IEEE1588的核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。IEEE1588可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率同步和時(shí)間同步，時(shí)間傳遞的精度保證主要依賴于兩個(gè)條件：計(jì)數(shù)器頻率準(zhǔn)確和鏈路的對(duì)稱性。IEEE1588實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于延時(shí)測(cè)量。確保以太網(wǎng)設(shè)備滿足IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的要求，才能夠?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)傳送各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放提供保障。目前，針對(duì)電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備的IEEE1588驗(yàn)證測(cè)試項(xiàng)目主要有以下幾種。

1）校正系數(shù)測(cè)試：測(cè)試PTP設(shè)備是否能精確計(jì)算校正系數(shù)。

2）PTP設(shè)備規(guī)模測(cè)試：測(cè)試主時(shí)鐘在不同的各種消息速率下，能夠支持最大從時(shí)鐘數(shù)。

3）BMC測(cè)試：主要指最佳主時(shí)鐘（BMC）選擇測(cè)試和錯(cuò)誤倒換測(cè)試。

4）對(duì)PTP包優(yōu)先級(jí)的測(cè)試：測(cè)試PTP設(shè)備如何對(duì)PTP的包做到有保證地轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)合L2和L3的QoS測(cè)試。

5）多時(shí)間域測(cè)試：測(cè)試多時(shí)間域的規(guī)模和多時(shí)間域下是否有相互交互。

6）加載控制面：在測(cè)試PTP協(xié)議時(shí)，通過(guò)仿真STP和路由協(xié)議等，可以加載控制平面，并同時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定情況。

7）異常測(cè)試和加載額外壓力的測(cè)試。

8）協(xié)議定時(shí)器的測(cè)試：在發(fā)送Sync消息后，可以控制發(fā)送Follow UP的間隔時(shí)間。

9）穩(wěn)定性測(cè)試：通過(guò)發(fā)送異常包來(lái)測(cè)試PTP設(shè)備的穩(wěn)定性。

3 同步性的具體驗(yàn)證：通過(guò)儀表進(jìn)行測(cè)試分析

現(xiàn)在主要分析一下校正系數(shù)錯(cuò)誤測(cè)試、PTP大規(guī)模測(cè)試和最佳主時(shí)鐘選擇算法測(cè)試。能夠完成這些測(cè)試項(xiàng)目主要有IXIA公司的XM12、IXN2X或思博倫的Spirent TestCenter等儀表。

1）校正系數(shù)錯(cuò)誤測(cè)試

透?jìng)鲿r(shí)鐘最重要的一個(gè)功能就是能夠正確測(cè)量PTP包經(jīng)過(guò)它時(shí)的延遲（ns級(jí)），這個(gè)延遲又叫做“駐留時(shí)間”。透?jìng)鲿r(shí)鐘在發(fā)向下游的PTP消息里攜帶延遲信息，稱為校正系數(shù)，如果CF不準(zhǔn)確，下游的從時(shí)鐘就無(wú)法與上游的主時(shí)鐘精確同步。

用測(cè)試儀表可以測(cè)量每個(gè)PTP包經(jīng)過(guò)透?jìng)鲿r(shí)鐘的實(shí)際延遲，并比較PTP消息里所報(bào)告的CF值，可以更有效地測(cè)試透?jìng)鲿r(shí)鐘所計(jì)算的CF值是否準(zhǔn)確。

CF Error計(jì)算公式為：CF Error=Correction Factor-Actual Latency。

CF Error如果是正的，則表示透?jìng)鲿r(shí)鐘過(guò)高估算了駐留時(shí)間。反之，則表示透?jìng)鲿r(shí)鐘過(guò)低估算了駐留時(shí)間。如果CF Error過(guò)大和變化過(guò)大，將引起下游的從時(shí)鐘同步丟失。通常CF值在幾十ns是可以接受的。

2）PTP大規(guī)模測(cè)試

大多數(shù)PTP系統(tǒng)里有很多從時(shí)鐘。在系統(tǒng)中隨著從時(shí)鐘數(shù)量的增加，會(huì)加重主時(shí)鐘或邊界時(shí)鐘的處理負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)、布置和升級(jí)PTP設(shè)備時(shí)，主時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘的大規(guī)模基準(zhǔn)測(cè)試非常重要。利用測(cè)試系統(tǒng)，可以模擬在多個(gè)時(shí)間域里大量的主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。PTP設(shè)備所能支持的規(guī)模與很多因素有關(guān)，例如，Sync和Delay-Request消息的發(fā)送速率，是用單播模式還是組播模式等。

3）最佳主時(shí)鐘選擇算法

BMC選擇算法主要應(yīng)用在從時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘的從時(shí)鐘端口上，在本時(shí)間域選擇質(zhì)量最好的主時(shí)鐘。此算法主要比較不同的時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)，以特定的優(yōu)先級(jí)順序選擇最佳主時(shí)鐘?？梢杂脺y(cè)試系統(tǒng)模擬多個(gè)帶有不同時(shí)鐘質(zhì)量參數(shù)的主時(shí)鐘。如果被測(cè)設(shè)備是邊界時(shí)鐘，則下游測(cè)試系統(tǒng)所仿真的從時(shí)鐘可以很容易地確定系統(tǒng)的主時(shí)鐘和被測(cè)設(shè)備所選擇的是否相同。

4 同步性的保障意義：建立真正的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專門(mén)的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。只有“同步的”的IP網(wǎng)絡(luò)才是一個(gè)真正的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)，才能夠?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)傳送各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。

[1]李軍.精確時(shí)鐘同步 確保IP網(wǎng)“電信級(jí)”特性[J].通信世界，2011（8）：34.

[2]王莉.IEEE1588協(xié)議測(cè)試方法[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2010（5）：71-76.