PTP技術(shù)分析與應(yīng)用

程翰林

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，未來的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)（比如移動多媒體，數(shù)字化家庭等）將向全I(xiàn)P化趨勢發(fā)展。在融合的背景下，建網(wǎng)模式逐步統(tǒng)一，電信級以太網(wǎng)/分組傳輸網(wǎng)（PTN）將會扮演關(guān)鍵的角色。

以太網(wǎng)以其應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)品豐富和性價比高等優(yōu)勢成為承載網(wǎng)IP化的主要發(fā)展方向。但用其承載電信級業(yè)務(wù)還存在一些問題，高質(zhì)量的同步便是首先需要解決的關(guān)鍵問題。這種同步需求具體來說有兩個方面：一方面新網(wǎng)絡(luò)要兼容傳統(tǒng)的TDM業(yè)務(wù)，這就需要為TDM業(yè)務(wù)提供時鐘恢復(fù)，使其在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足所需性能指標(biāo)；另一方面，分組網(wǎng)絡(luò)也要像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣,提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時鐘,滿足網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點的同步需求。

針對這些技術(shù)難題，國際上各個標(biāo)準(zhǔn)化組織都在積極研究新標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。其中，IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)以其高精度、低成本等特點成為一種有效的解決方案。IEEEl588標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，簡稱為PTP（精密時間協(xié)議）。它最初起源于安捷倫公司，后經(jīng)多次修改，國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）于2002年11月正式發(fā)布了其1.0版本。最初IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)主要用于工業(yè)自動化、精密控制及測量等方面。隨著精確定時的廣泛應(yīng)用，PTP技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，逐漸擴大到電信、網(wǎng)絡(luò)、航空、電力等各個領(lǐng)域，并于2008年4月發(fā)布了其2.0版本[1]。新版本提高了精度并降低了實現(xiàn)難度，更具實用性。該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)能夠運行在所有支持多播的網(wǎng)絡(luò)上，因此特別適合應(yīng)用于以太網(wǎng)中，為其提供高精度的時鐘同步。

1 同步原理

PTP協(xié)議的基本原理是：主從時鐘之間周期性的進行同步信息的交換，同時精確捕獲信息包的發(fā)出和接收時間，并“加蓋”時間戳（time stamp）信息。一旦從時鐘接收到同步信息包，便可從中提取出時戳信息，并據(jù)此計算出自己與主時鐘的時差以及網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時，從而進行本地時鐘校準(zhǔn)[2]。

為了描述和管理時間信息，IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義了4種同步信息報文：同步報文（Sync）、跟隨報文（Fol?low_Up）、延遲請求報文（Delay_Req）、延遲應(yīng)答報文（De?lay_Resp）。報文有一般報文和事件報文兩種類型。跟隨報文和延遲應(yīng)答報文屬于一般報文，一般報文本身不進行時戳處理，它可以攜帶事件報文的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時刻值信息。同步報文和延遲請求報文屬于事件報文，事件報文是時間敏感消息，需要加蓋精確的時間戳。

PTP協(xié)議的同步過程分為偏移測量和延遲測量兩個階段。同步開始時，同步域的所有時鐘運行一次最佳主時鐘算法（BMC）確定自己的狀態(tài)，從而確定域中的主時鐘。隨后，周期得進行主從時鐘間的偏移測量和延遲測量，校正時差，實現(xiàn)主從時鐘同步。如圖1所示，下面詳細(xì)說明。

1.1 偏移測量階段

偏移測量階段用來修正主時鐘和從時鐘之間的時差。在此過程中，主時鐘按照預(yù)設(shè)的時間間隔（缺省是2 s）周期性地以廣播的形式向從時鐘發(fā)出同步報文（Sync）。其中包含了一個時間戳，這個時間戳并不是同步報文發(fā)出的精確時間，而只是一個預(yù)計時間。同步報文發(fā)出的同時，主時鐘測量出發(fā)送的準(zhǔn)確時刻值T1；從時鐘收到同步報文的同時，記錄接收的準(zhǔn)確時刻值T2。由于同步報文中包含的是發(fā)出時刻的估計值而不是真實值，所以主時鐘隨后發(fā)出一個跟隨報文（Follow_Up），里面準(zhǔn)確地記載了同步報文的真實發(fā)出時刻T1。這樣，從時鐘收到跟隨報文后，只需提取出其中的時戳值T1，并結(jié)合自己剛才記錄的T2，便可計算出與主時鐘之間的偏移（Offset）為

式中，Delay指的是主時鐘與從時鐘之間的傳輸延遲時間，從時鐘通過自身減去Offset以修正時偏。如果此時主從間延遲為0，則主從時鐘就已經(jīng)同步了；如果存在延遲，則需要在下面的延遲測量階段測出。

1.2 延遲測量階段

延遲測量階段用來測量網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的的延遲時間Delay，并帶入式（1）中，在下一次偏移測量階段進行修正。為了測量網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲，IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)定義了一個延遲請求報文（Delay_Req）。從時鐘在進行偏移測量后，間隔一個隨機時間發(fā)出延遲請求報文，同時記錄精確的發(fā)出時刻值T3。主時鐘收到延遲請求報文時，記錄精確的接收時刻值T4，并裝載在隨后的延遲響應(yīng)報文（Delay_Resp）中發(fā)送給從時鐘，據(jù)此從時鐘就可以算出網(wǎng)絡(luò)延時（Delay）為

從時鐘修正了網(wǎng)絡(luò)延遲后，便完成了與主時鐘的同步。與偏移測量不同，延遲測量是不規(guī)則進行的，其測量間隔時間（缺省值是4～60 s之間的隨機值）比偏移測量間隔時間要大。這樣減少了網(wǎng)絡(luò)中用于同步的數(shù)據(jù)流量，大大減輕了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端設(shè)備的負(fù)擔(dān)。需要說明的是，在這個測量過程中，假設(shè)傳輸介質(zhì)均勻，網(wǎng)絡(luò)延遲時間是對等的。

2 幾種同步技術(shù)比較

2.1 NTP技術(shù)

NTP（Network Time Protocol）標(biāo)準(zhǔn)由美國特拉華州大學(xué)的D.L.Mills教授于1985年提出。它采用分組協(xié)議數(shù)據(jù)單元作為時鐘或時間信息的載體，實現(xiàn)了Internet上用戶與時間服務(wù)器之間的同步。最新的版本支持IPv6和服務(wù)器動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制。

NTP是從時間協(xié)議（Time Protocol）和ICMP時間戳報文（ICMP Timestamp Message）演變而來，主要在準(zhǔn)確性和強壯性等方面進行了特殊設(shè)計。NTP協(xié)議基于IP和UDP，也可以被其他協(xié)議組使用。由于采用了分組協(xié)議方式，NTP可以運行在以太網(wǎng)中，分享以太網(wǎng)的優(yōu)勢，而不需要額外部署專用時間同步網(wǎng)。同步精度：局域網(wǎng)內(nèi)為10 μs～10 ms，Internet內(nèi)為100～1 000 ms，能滿足多數(shù)應(yīng)用的同步需求。

2.2 IRIG技術(shù)

IRIG（Inter Range Instrumentation Group）標(biāo) 準(zhǔn) 由IRIG組織于1956年開發(fā)，分為A，B，D，E，G和H幾種，常用的是IRIG－B。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線或同軸電纜。自20世紀(jì)50年代以來，基于IRIG標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)為很多“同步敏感”應(yīng)用提供了良好的服務(wù)。相對于NTP，IRIG有更高的精度，1～10 μs，能滿足更多應(yīng)用的需求。在IRIG系統(tǒng)中，有一個時間源，它直接從GPS接收機獲得精確時間信息，并將其轉(zhuǎn)換成IRIG時間代碼分發(fā)給系統(tǒng)中各個節(jié)點，以實現(xiàn)各個設(shè)備之間的精確同步。

IRIG需要利用專用網(wǎng)進行同步消息分發(fā)，而不能像NTP那樣利用以太網(wǎng)，這就帶來了很多弊端。一方面，額外部署IRIG專網(wǎng)勢必要增加成本；另一方面，專用網(wǎng)要把現(xiàn)有分組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再復(fù)制一遍，這些電纜會占用額外空間并增加額外重量，不利于部署在艦船等對空間、質(zhì)量敏感的環(huán)境中。

2.3 全球定位系統(tǒng)GPS

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)由美國歷時20年，耗資200億美元，于1994年建成。具有全能性、全球性、全天候等特點，能提供精密的導(dǎo)航和定時信息。每顆GPS衛(wèi)星都攜帶一個銫原子鐘，為授時提供了高精度的時鐘系統(tǒng)，可以同時解決時鐘的頻率同步和相位同步，因此，被大量應(yīng)用在目前的IP RAN（移動接入網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)中，作為時鐘同步源，能夠滿足精度要求。同時，GPS也可為以太網(wǎng)承載網(wǎng)提供參考時鐘源。但GPS的使用存在一些問題:一是成本較高，二是存在軍事風(fēng)險。另外，在室內(nèi)環(huán)境或者某些受到遮蔽的環(huán)境接收不到清晰的GPS信號，從而會影響同步精度。

2.4 PTP技術(shù)

和NTP類似，PTP同樣采用分組協(xié)議方式實現(xiàn)，因此能運行在以太網(wǎng)中，保留了NTP的優(yōu)勢。PTP的實現(xiàn)不限于某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能運行在任何支持多播的網(wǎng)絡(luò)中。其同步精度受多方面因素影響，因此在實際網(wǎng)絡(luò)部署中要綜合考慮。目前，在純以太網(wǎng)交換機組成的測試環(huán)境中，可達(dá)亞微秒級的精度;在有邊界時鐘或透明時鐘等中間節(jié)點支持下，可達(dá)到20～100 ns的精度范圍。可以滿足電信級以太網(wǎng)的時鐘同步需求[3－4]。

和IRIG相比，避免了部署專線的額外成本、空間和質(zhì)量的開支，并且能達(dá)到更高的精度——亞微秒級精度。和GPS相比，減少軍事風(fēng)險，降低成本，并且不受環(huán)境限制，成為GPS的有效替代。因此，可以看出PTP技術(shù)有很大的優(yōu)勢，是電信級以太網(wǎng)時鐘同步技術(shù)主要的發(fā)展方向之一。

3 PTP技術(shù)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方案

基于IP的分組傳送網(wǎng)，能夠勝任傳送高質(zhì)量復(fù)雜業(yè)務(wù)的工作，將成為未來統(tǒng)一承載網(wǎng)的最佳選擇。而同步是保證網(wǎng)絡(luò)性能的必要手段，因此研究分組網(wǎng)絡(luò)的同步意義非凡。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，一些新應(yīng)用對同步精度的需求不斷提高，達(dá)到了亞微秒級。比如：民用移動通信中TD－SCDMA系統(tǒng)；軍用通信中用于導(dǎo)彈發(fā)射的遙控遙測系統(tǒng)和艦船雷達(dá)系統(tǒng)等。

這些時間敏感應(yīng)用目前多采用GPS授時方式，而在上一節(jié)中也提到了GPS方案存在一些弊端（成本、安全性、環(huán)境），PTP技術(shù)的出現(xiàn)，可以很好地解決這一問題。PTP技術(shù)協(xié)議簡單、容易實現(xiàn)，目前逐步在需要高精度時鐘同步的領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為GPS的有效替代，為分組網(wǎng)中實現(xiàn)精確時鐘同步提供了全新解決方案[5]。

PTP技術(shù)特點：1）同步精度高，可達(dá)亞微秒級；2）支持時間同步和頻率同步；3）有效緩解網(wǎng)絡(luò)延遲抖動引起的非對稱性影響；4）統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

將PTP技術(shù)應(yīng)用于分組網(wǎng)絡(luò)中，就可以通過現(xiàn)有的地面分組網(wǎng)絡(luò)傳遞高精度的時間信息，具體解決思路如圖2所示。首先需要在網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點處部署支持IEEE1588協(xié)議的主時鐘服務(wù)器，然后把網(wǎng)絡(luò)中所有時間敏感應(yīng)用設(shè)備均配置成PTP從節(jié)點。主時鐘服務(wù)器通過GPS接收器獲得精確時間，并在網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)帶有時間信息的PTP報文，報文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中的邊界時鐘BC和透明時鐘TC達(dá)到各個PTP從節(jié)點；從節(jié)點通過不斷與主節(jié)點交換同步報文，獲得時間信息并校正本地時間，實現(xiàn)與主節(jié)點的同步，最終達(dá)到所有節(jié)點之間的時間同步。

3.2 時鐘設(shè)備模型

由圖2可見，在IEEE1588協(xié)議中規(guī)定了三種時鐘設(shè)備模型[6]：普通時鐘（OC）和邊界時鐘（BC）和透明時鐘（TC）。

普通時鐘（OC）：通常是一個單端口設(shè)備，主時鐘和從時鐘屬于普通時鐘。它直接和應(yīng)用相連，為應(yīng)用提供精確定時。

邊界時鐘（BC）：通常為多端口設(shè)備，運行在網(wǎng)絡(luò)中的路由器、網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備中，實現(xiàn)不同PTP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的橋接。其中一個端口作為從端口，與上級主時鐘同步；其他端口作為主端口，為下級從時鐘分發(fā)同步消息。

透明時鐘（TC）：也是一個多端口設(shè)備，作為執(zhí)行邊界時鐘的多端口設(shè)備的一種替代。所不同的是，透明時鐘沒有主從端口之分，不作本地時鐘同步，只是轉(zhuǎn)發(fā)PTP包，同時對PTP報文進行校正。透明時鐘能記錄報文通過其傳輸帶來的滯留時間，并累加到報文的“時間修正”字段。因此消除了由設(shè)備存儲－轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包而帶來的延時，使消息能在設(shè)備上透明傳輸。

3.3 靈活的PTP部署

在分組網(wǎng)中，PTP包融入普通數(shù)據(jù)包流中傳輸，通過各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。未裝載IEEE1588協(xié)議的非PTP節(jié)點并不會阻斷PTP包的傳輸，這就大大增加了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師部署PTP節(jié)點的靈活性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師可以根據(jù)同步需求情況，靈活地部署PTP節(jié)點使其達(dá)到最優(yōu)化。

首先，在有同步需求的地方部署PTP主節(jié)點（其內(nèi)置主時鐘直接接收GPS的授時），主節(jié)點應(yīng)盡可能接近有同步敏感應(yīng)用的從結(jié)點，以提高精度。

然后，進行PTP中間節(jié)點的部署。每個PTP節(jié)點一般都帶有PPS（秒脈沖信號）輸出功能，通過測量主從節(jié)點PPS信號的差異就可以得知主從時鐘的同步情況。根據(jù)同步需求和PPS的測試結(jié)果，逐步把網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點（沒裝有IEEE1588協(xié)議的路由器、交換機、集線器或網(wǎng)橋等）替換為PTP邊界時鐘或透明時鐘，逐步提高同步精度，最終達(dá)到精度要求（精確度均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差降到可接受的限度內(nèi)），就完成了PTP的部署。需要特別注意的是，在某些節(jié)點，數(shù)據(jù)量大，引起了PTP包和普通數(shù)據(jù)包的激烈競爭，大大增加了PTP包的傳輸延時抖動，對這些節(jié)點要優(yōu)先進行PTP部署。

另外，當(dāng)從節(jié)點數(shù)量增加時，某些遠(yuǎn)端從節(jié)點精度達(dá)不到要求時，可考慮在適當(dāng)?shù)奈恢貌渴餚TP主節(jié)點，同時增加邊界時鐘和透明時鐘。而當(dāng)某些從節(jié)點因應(yīng)用改變而降低同步需求時，又可把某些PTP節(jié)點換回普通節(jié)點?？梢奝TP部署是十分靈活的。

PTP技術(shù)基于廣播包分發(fā)同步的方式，使其非常適用于分組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，能方便靈活地在基于IP的分組傳送網(wǎng)中部署。隨著通信領(lǐng)域IP化的進程，PTP技術(shù)在保留基于IP的分組網(wǎng)本身的低成本靈活性等優(yōu)勢的前提下，能有效減少系統(tǒng)對GPS的依賴，大大降低網(wǎng)絡(luò)部署成本和地域性限制，同時滿足網(wǎng)絡(luò)對時間同步精度的需求。

4 結(jié)語

精確的時間和頻率信息對于通信系統(tǒng)各種應(yīng)用十分重要。IP化是大勢所趨，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)，其物理鏈路中不具備有效的定時傳送機制，無法直接通過簡單的方式恢復(fù)高精度的定時信息。阻礙了全網(wǎng)IP化的進程。PTP技術(shù)基于分組協(xié)議方式實現(xiàn)，可方便地運行在基于IP的分組傳輸網(wǎng)中。它在提高同步精度上進行了很多改進，降低了網(wǎng)絡(luò)延遲抖動引起的非對稱性影響。并同時提供頻率同步和時間同步信息，精度可達(dá)亞微秒級，滿足網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量的同步需求。其應(yīng)用部署靈活，低成本，成為GPS的有效替代解決方案，為全網(wǎng)IP化掃清了障礙。

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