一種專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件設計及實現(xiàn)

焦利彬，趙 輝，阮軍洲

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國人民解放軍75660部隊，廣西 桂林 541002)

0 引言

作為保證網(wǎng)絡正常工作的關鍵技術(shù)之一，網(wǎng)同步的穩(wěn)定與否決定著通信質(zhì)量的好壞。由于時鐘不穩(wěn)會造成傳輸信號的滑碼，這對不同種類的業(yè)務產(chǎn)生的影響表現(xiàn)也各不相同，嚴重時甚至會造成通信系統(tǒng)的癱瘓［1］。不同的網(wǎng)絡規(guī)模、網(wǎng)絡等級以及網(wǎng)絡設計成本影響著通信網(wǎng)網(wǎng)同步所采取的同步方式。研究適合網(wǎng)絡應用、具有一定穩(wěn)準度的網(wǎng)同步技術(shù)一直一來都是各種通信網(wǎng)的重要研究方向之一。

某專用通信網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)模在100個節(jié)點左右，全網(wǎng)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點采用異步傳輸方式(ATM交換機)，可以承載話音、數(shù)據(jù)和視頻等多種業(yè)務，網(wǎng)絡拓撲變化較頻繁，中繼線路采用無線通信為主，鏈路不穩(wěn)定。網(wǎng)絡對時鐘同步要求不是太高，要求頻率穩(wěn)定度小于0.5 PPM，頻率控制范圍在50 PPM范圍以內(nèi)，同步收斂時間不大于100 s。本文根據(jù)實際需求，設計了一種可以容納多種同步方式的專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件實現(xiàn)方案，滿足了網(wǎng)絡通信需求。

1 網(wǎng)同步技術(shù)概述

隨著數(shù)字通信網(wǎng)向高速傳輸速率的發(fā)展，通信網(wǎng)絡的同步技術(shù)越來越成為網(wǎng)絡設計時考慮的重要問題之一［2］。通信網(wǎng)的同步是指對網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點的時鐘頻率和相位進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使各個節(jié)點的時鐘頻率和相位一致，包括幀同步和時鐘頻率同步2個方面內(nèi)容［3，4］，其中時鐘同步是數(shù)字通信網(wǎng)工作的基本條件。通信網(wǎng)同步方式主要有準同步、主從同步和互同步3種同步方式。

1.1 準同步方式

準同步方式［2］是指網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點上都具有獨立的高精度時鐘源，這些時鐘源具有一致的標稱頻率和頻率容差，但實際的頻率有微小差別，且各節(jié)點時鐘相互獨立，互不控制。由于沒有時鐘之間的相互控制問題，所以具有簡單、靈活、不需要占用額外的網(wǎng)絡資源等優(yōu)點，同時，由于各節(jié)點的時鐘源性能要求較高，且各時鐘源不能做到頻率完全一致，因此存在成本較高、周期性滑動的缺點。準同步方式一般用于大型的通信網(wǎng)絡中。

1.2 主從同步方式

主從同步方式［5］是指在網(wǎng)內(nèi)設置一個主時鐘和若干個從時鐘，以主時鐘的頻率來控制從時鐘的信號頻率，即各從時鐘的信號頻率根據(jù)主基準時鐘適時調(diào)整各自的頻率，保持與主基準時鐘相同的精度，因此，網(wǎng)內(nèi)只需要一個高性能的主基準時鐘就能滿足全網(wǎng)的時鐘精度要求。主從同步具有同步費用低、正常情況下不存在周期性滑動等優(yōu)點;由于要傳輸主基準時鐘信號，因此造成全網(wǎng)同步時鐘受主基準時鐘、級聯(lián)節(jié)點狀況、傳輸線路狀況等條件的限制，另外，對于網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常變化的復雜通信網(wǎng)絡，存在同步規(guī)劃困難的缺點，容易形成定時環(huán)路。主從同步方式適用于星型或樹狀網(wǎng)絡。

1.3 互同步方式

互同步方式［6］不區(qū)分時鐘級別，每個時鐘均接受其他節(jié)點時鐘傳送的定時信號，將自身頻率鎖定在所有接收到的定時信號頻率的加權(quán)平均值上，最后網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點時鐘均穩(wěn)定于一個統(tǒng)一的均值頻率，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的同步工作。互同步方式具有同步成本低、抗毀性強、可靠性高以及應用方式靈活等優(yōu)點。由于參與同步計算的時鐘較多，因此互同步方式存在受網(wǎng)絡參數(shù)變化影響大、與其他同步方式兼容困難等缺點?；ネ椒绞竭m用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

2 網(wǎng)同步軟件設計實現(xiàn)

組成專網(wǎng)的網(wǎng)絡節(jié)點沒有高穩(wěn)時鐘源，網(wǎng)絡拓撲變化頻繁，專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步要求以互同步方式為主，能夠兼容準同步、外同步和主從同步方式［7］。網(wǎng)同步軟件屬于交換機軟件中的高層應用軟件，由初始化軟件、定時中斷處理軟件、維護消息處理軟件、網(wǎng)同步控制軟件、晶振切換控制軟件、加權(quán)系數(shù)算法軟件和故障節(jié)點排除軟件等組成。各軟件模塊接收外部用戶指令，相互協(xié)作，通過操作相關時鐘硬件，完成對本節(jié)點時鐘的控制。網(wǎng)同步軟件的組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)同步軟件組成圖

2.1 初始化軟件

初始化軟件主要完成:①初始化相關的硬件寄存器，例如:PortID［i］，用于記錄各路時鐘頻率計數(shù)器的地址;②初始化軟件使用的全局變量，例如:

typedef struct

{

UINT8 clk_State;/*該路時鐘是否滿足同步計算條件*/

UINT16 lastFreq;/*上一次頻率比較計數(shù)值頻率部分*/

UINT16 curFreq;/*當前頻率比較計數(shù)值頻率部分*/

UINT16 curPhase;/*當前頻率比較計數(shù)值相位部分*/

UINT8 weight; /*時鐘權(quán)值*/

}_PACK_STRUCT_ CPT_T，用于記錄各路時鐘特性;初始化定時中斷，用于掛接、使能定時讀取各路時鐘頻率和相位值的中斷處理器;生成網(wǎng)同步時鐘控制軟件的任務實體和消息隊列。交換機上電后，通過調(diào)用初始化軟件的主函數(shù)啟動網(wǎng)同步軟件。

2.2 網(wǎng)同步控制軟件

網(wǎng)同步控制軟件完成時鐘同步計算與時鐘控制的主要控制功能，同時實現(xiàn)維護消息處理、加權(quán)平均算法和晶振切換控制等軟件模塊的調(diào)度管理，處理維護消息，根據(jù)定時中斷得到的頻率相位差，進行時鐘關系計算，控制本地的時鐘。

網(wǎng)同步控制軟件是整個軟件的主體，其主要流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)同步控制軟件流程圖

2.3 定時中斷處理軟件

定時中斷處理軟件用于定時讀取硬件鎖存的各路輸入時鐘的頻率和相位值，并通過消息隊列發(fā)送給網(wǎng)同步控制軟件，從而使網(wǎng)同步控制軟件根據(jù)本次的頻率、相位值與上次的頻率、和相位值進行計算，得出各路時鐘的頻率和相位差，對新的頻率相位差進行加權(quán)計算，作為調(diào)整本地時鐘的標準。定時中斷源采用時鐘頻率振蕩產(chǎn)生的定時。

2.4 維護消息處理軟件

維護消息處理軟件接收從交換機維護與管理軟件模塊發(fā)送來的維護類消息，對消息進行相應處理，并向維護管理軟件模塊發(fā)送響應消息及網(wǎng)同步軟件的主動上報消息。接收的維護消息包括同步方式設置消息、中繼鏈路狀態(tài)通知消息等，根據(jù)同步方式設置消息中攜帶的內(nèi)容，網(wǎng)同步控制軟件可以設置調(diào)整交換機的同步方式為外同步、準同步、主從同步或者互同步方式;根據(jù)中繼鏈路狀態(tài)通知消息，網(wǎng)同步控制軟件調(diào)整相應輸入時鐘的加權(quán)系數(shù)，確保正常的時鐘參與同步計算，異常的時鐘不參與同步計算。

2.5 晶振切換控制軟件

為滿足專網(wǎng)的網(wǎng)同步要求，既能適應時鐘的調(diào)整范圍，又能適應時鐘調(diào)整精度，專網(wǎng)節(jié)點設計時采用高穩(wěn)、低穩(wěn)2個晶振配合使用，低穩(wěn)晶振可調(diào)范圍寬，調(diào)整力度粗;高穩(wěn)晶振可調(diào)范圍小，調(diào)整力度精細［5］。從而在滿足工程指標要求的前提下，降低了設備成本。晶振切換控制軟件主要實現(xiàn)判斷晶振切換條件、控制晶振切換的功能。此軟件模塊由網(wǎng)同步控制軟件調(diào)用，每次執(zhí)行此軟件模塊時，晶振切換控制軟件根據(jù)當前的同步方式，確定是否需要控制晶振切換，當滿足晶振切換調(diào)整條件時，根據(jù)當前工作選用的晶振類型及需要調(diào)整的范圍進行相應調(diào)整。當頻率范圍在高穩(wěn)晶振可跟蹤范圍內(nèi)，采用高穩(wěn)晶振，反之，采用大范圍可控的低穩(wěn)晶振。為保證時鐘同步收斂時間，在軟件設計中，當2個晶振均滿足調(diào)整條件時，選擇大范圍可控晶振進行時鐘調(diào)整。

2.6 加權(quán)平均算法軟件

加權(quán)平均算法軟件實現(xiàn)對輸入的各路時鐘的頻率相位差進行加權(quán)平均計算，從而得到用于調(diào)整本地晶振的指導值。

各路輸入時鐘所用的權(quán)值根據(jù)用戶指定的同步方式以及輸入的權(quán)值確定，參與同步計算的各路時鐘的權(quán)值均由用戶指定，或根據(jù)用戶指定的同步方式由軟件自動確定，權(quán)值可以為0和1兩種，0表示本路時鐘不參與同步計算，1表示本路時鐘需要參與同步計算。

通過本路時鐘權(quán)值與相應時鐘狀態(tài)的綜合，加權(quán)平均算法軟件決定該路時鐘是否需要參與網(wǎng)同步計算。各路時鐘的權(quán)值各自獨立，互不相關。

具體情況如下:當用戶指定采用互同步方式時，各路時鐘的權(quán)值由用戶指定;當用戶指定采用外同步方式時，網(wǎng)同步軟件自動設置外鐘權(quán)值為1(參與同步計算)，其余輸入時鐘權(quán)值均為0(不參與同步計算);當用戶指定采用主從同步時，網(wǎng)同步軟件自動設置參與同步的線路時鐘權(quán)值為1，其余各路時鐘(包括外鐘)的權(quán)值均為0;當用戶指定采用準同步時，所有時鐘權(quán)值均為0。

2.7 故障時鐘排除軟件

故障時鐘排除軟件主要完成檢測本機時鐘以及輸入時鐘的狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)本機時鐘異常后，網(wǎng)同步控制軟件控制同步軟件切換到軟件初始狀態(tài)，不再進行調(diào)整，同時設置本機時鐘異常的全局標志變量，以供相關軟件讀取并發(fā)送至相鄰節(jié)點。當檢測到外部輸入時鐘狀態(tài)異常后，通過設置相關變量配合網(wǎng)同步控制軟件，排除外部輸入異常的時鐘參與網(wǎng)同步計算。

3 同步穩(wěn)定措施處理

由于專用網(wǎng)絡采用無線通信鏈路為主，拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁，經(jīng)常會出現(xiàn)相鄰節(jié)點的接入或退出現(xiàn)象，這就會造成網(wǎng)同步軟件不斷進行新的時鐘計算，從而引起網(wǎng)內(nèi)時鐘的震蕩，浪費交換機資源。

為解決這一問題，設計中采取了鈍化延遲處理措施，即:當有新的時鐘輸入時，網(wǎng)同步軟件并不是立即使用該時鐘作為同步計算的鐘源，而是持續(xù)檢驗該時鐘狀態(tài)一段時間。若該時鐘在時間閾值到達后仍然穩(wěn)定，則允許此時鐘參與網(wǎng)同步計算;否則不允許參與同步計算。這樣可以避免由于網(wǎng)絡拓撲變化引起的時鐘震蕩現(xiàn)象。

網(wǎng)絡中有時有一些特殊情況，在這些情況下，接口時鐘不一定是真正的外來時鐘源，例如為了調(diào)試，有時需要自環(huán)交換機的一些中繼接口。此時該接口的輸入時鐘不是真正的外來時鐘源，而是交換機本地的時鐘源，因此在這種情況下，網(wǎng)同步計算軟件不能采信該端口時鐘參與同步計算。為解決這種異常情況造成的對同步算法的影響，設計中需要增加對接口輸入時鐘是否可用的特殊判斷，只有經(jīng)過判斷合法的時鐘才允許參與同步計算，以防止某個時鐘在同步計算中所占的比重過大，影響時鐘精度。

4 結(jié)束語

本專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件能夠兼容準同步、外同步、主從同步和互同步等多種同步方式，在不需要高精度時鐘源的條件下，通過比較輸入時鐘與本地時鐘的頻差及相差，綜合各中繼端口運行狀況，經(jīng)過運算送出調(diào)整控制字，去調(diào)整本地時鐘晶振，從而實現(xiàn)具有一定穩(wěn)準度的時鐘，為專用通信網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的時鐘源。通過這種專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件實現(xiàn)的網(wǎng)同步方式，提高了網(wǎng)絡對拓撲變化的適應性，降低了交換機的設計成本，增強了用戶選擇同步方式的靈活性，具有較高的工程實用價值。

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