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1 引言 以太網(wǎng)技術(shù)由于其開(kāi)放性好、價(jià)格低廉和使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應用于電信級別的網(wǎng)絡(luò )中，以太網(wǎng)的數據傳輸速度也從早期的10M提高到100M，GE，10GE。40GE，100GE正式產(chǎn)品也將于2009年推出。 以太網(wǎng)技術(shù)是“即插即用”的，也就是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò )上就可以隨時(shí)使用其提供的業(yè)務(wù)。但是，只有“同步的”的IP網(wǎng)絡(luò )才是一個(gè)真正的電信級網(wǎng)絡(luò )，才能夠為IP網(wǎng)絡(luò )傳送各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與數據業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。目前，電信級網(wǎng)絡(luò )對時(shí)間同步要求十分嚴格，對于一個(gè)全國范圍的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50ms之內，現行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol），簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議SNTP（SimpleNetwork Time Protocol）等不能達到所要求的同步精度或收斂速度�；谝蕴W(wǎng)的時(shí)分復用通道仿真技術(shù)（TDM over Ethernet）作為一種過(guò)渡技術(shù)，具有一定的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步概念，可以部分解決現有終端設備用于以太網(wǎng)的無(wú)縫連接問(wèn)題。IEEE 1588標準則特別適合于以太網(wǎng)，可以在一個(gè)地域分散的IP網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現微秒級高精度的時(shí)鐘同步。本文重點(diǎn)介紹IEEE 1588技術(shù)及其測試實(shí)現。 2 IEEE1588PTP介紹 IEEE1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò )帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。IEEE1588標準的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò )測量和控制系統的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標準（IEEE1588Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡(jiǎn)稱(chēng)PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號周期性的對網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統達到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應用于任何組播網(wǎng)絡(luò )中。 IEEE1588將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )內的時(shí)鐘分為兩種，即普通時(shí)鐘（OrdinaryClock，OC）和邊界時(shí)鐘（BoundaryClock，BC），只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘，有一個(gè)以上PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘，每個(gè)PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò )設備（如交換機和路由器）上。從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè)PTP通信子網(wǎng)內只能有一個(gè)主時(shí)鐘。整個(gè)系統中的最優(yōu)時(shí)鐘為最高級時(shí)鐘GMC（Grandmaster Clock），有著(zhù)最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級別以及UTC（通用協(xié)調時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock）來(lái)自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內的主時(shí)鐘；在只有一個(gè)子網(wǎng)的系統中，主時(shí)鐘就是最高級時(shí)鐘GMC。每個(gè)系統只有一個(gè)GMC，且每個(gè)子網(wǎng)內只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步。圖1所示的是一個(gè)典型的主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意。 圖1主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意圖 同步的基本原理包括時(shí)間發(fā)出和接收時(shí)間信息的記錄，并且對每一條信息增加一個(gè)“時(shí)間戳”。有了時(shí)間記錄，接收端就可以計算出自己在網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘誤差和延時(shí)。為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了4種多點(diǎn)傳送的報文類(lèi)型和管理報文，包括同步報文（Sync），跟隨報文（Follow_up），延遲請求報文（Delay_Req），延遲應答報文（Delay_Resp）。這些報文的交互順序如圖2所示。收到的信息回應是與時(shí)鐘當前的狀態(tài)有關(guān)的。同步報文是從主時(shí)鐘周期性發(fā)出的(一般為每?jì)擅胍淮?，它包含了主時(shí)鐘算法所需的時(shí)鐘屬性�？偟膩�(lái)說(shuō)同步報文包含了一個(gè)時(shí)間戳，精確地描述了數據包發(fā)出的預計時(shí)間。 圖2 PTP報文與交換順序 由于同步報文包含的是預計的發(fā)出時(shí)間而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)間，所以Sync報文的真實(shí)發(fā)出時(shí)間被測量后在隨后的Follow_Up報文中發(fā)出。Sync報文的接收方記錄下真實(shí)的接收時(shí)間。使用Follow_Up報文中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)差，并據此更正從屬時(shí)鐘的時(shí)間。但是此時(shí)計算出的時(shí)差包含了網(wǎng)絡(luò )傳輸造成的延時(shí)，所以使用Delay_Req報文來(lái)定義網(wǎng)絡(luò )的傳輸延時(shí)。 Delay_Req報文在Sync報文收到后由從屬時(shí)鐘發(fā)出。與Sync報文一樣，發(fā)送方記錄準確的發(fā)送時(shí)間，接收方記錄準確的接收時(shí)間。準確的接收時(shí)間包含在Delay_Resp報文中，從而計算出網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和時(shí)鐘誤差。同步的精確度與時(shí)間戳和時(shí)間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達到毫秒的精度，軟硬件結合的方案可以達到微秒的精度。 PTP協(xié)議基于同步數據包被傳播和接收時(shí)的最精確的匹配時(shí)間，每個(gè)從時(shí)鐘通過(guò)與主時(shí)鐘交換同步報文而與主時(shí)鐘達到同步。這個(gè)同步過(guò)程分為漂移測量階段和偏移測量與延遲測量階段。 第一階段修正主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，稱(chēng)為漂移測量。如圖3所示，在修正漂移量的過(guò)程中，主時(shí)鐘按照定義的間隔時(shí)間（缺省是2s）周期性地向相應的從時(shí)鐘發(fā)出惟一的同步報文。這個(gè)同步報文包括該報文離開(kāi)主時(shí)鐘的時(shí)間估計值。主時(shí)鐘測量傳遞的準確時(shí)間T0K，從時(shí)鐘測量接收的準確時(shí)間T1K。之后主時(shí)鐘發(fā)出第二條報文——跟隨報文（Follow_upMessage），此報文與同步報文相關(guān)聯(lián)，且包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值。這樣，對傳遞和接收的測量與標準時(shí)間戳的傳播可以分離開(kāi)來(lái)。從時(shí)鐘根據同步報文和跟隨報文中的信息來(lái)計算偏移量，然后按照這個(gè)偏移量來(lái)修正從時(shí)鐘的時(shí)間，如果在傳輸路徑中沒(méi)有延遲，那么兩個(gè)時(shí)鐘就會(huì )同步。 圖3PTP時(shí)鐘漂移測量計算 為了提高修正精度，可以把主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的報文傳輸延遲等待時(shí)間考慮進(jìn)來(lái)，即延遲測量，這是同步過(guò)程的第二個(gè)階段（見(jiàn)圖4）。 圖4PTP時(shí)鐘延遲和偏移計算 從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)出一個(gè)“延遲請求”數據報文，在這個(gè)過(guò)程中決定該報文傳遞準確時(shí)間T2。主時(shí)鐘對接收數據包打上一個(gè)時(shí)間戳，然后在“延遲響應”數據包中把接收時(shí)間戳B送回到從時(shí)鐘。根據傳遞時(shí)間戳B和主時(shí)鐘提供的接收時(shí)間戳D，從時(shí)鐘計算與主時(shí)鐘之間的延遲時(shí)間。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進(jìn)行的，其測量間隔時(shí)間（缺省值是4"60s之間的隨機值）比偏移值測量間隔時(shí)間要大。這樣使得網(wǎng)絡(luò )尤其是設備終端的負荷不會(huì )太大。采用這種同步過(guò)程，可以消減PTP協(xié)議棧中的時(shí)間波動(dòng)和主從時(shí)鐘間的等待時(shí)間。從圖4右邊可以看到延遲時(shí)間D和偏移時(shí)間數值O的計算方法。 IEEE1588目前的版本是v2.2，主要應用于相對本地化、網(wǎng)絡(luò )化的系統，內部組件相對穩定，其優(yōu)點(diǎn)是標準非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，特別適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。與其他常用于EthernetTCP/IP網(wǎng)絡(luò )的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要區別是PTP是針對更穩定和更安全的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境設計的，所以更為簡(jiǎn)單，占用的網(wǎng)絡(luò )和計算資源也更少。NTP協(xié)議是針對于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個(gè)獨立系統的時(shí)間同步協(xié)議。GPS(基于衛星的全球定位系統)也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統。PTP定義的網(wǎng)絡(luò )結構可以使自身達到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時(shí)間戳更容易在硬件上實(shí)現，并且不局限于應用層，這使得PTP可以達到微秒以?xún)鹊木�。此外，PTP模塊化的設計也使它很容易適應低端設備。 IEEE1588標準所定義的精確網(wǎng)絡(luò )同步協(xié)議實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達到了通信時(shí)間模式與應用程序執行時(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)所固有的數據傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。 3 IXIAIEEE 1588PTP測試方案 美國IXIA公司目前提供最為完整的城域以太網(wǎng)功能、性能、一致性測試解決方案，并且最先在2"7層統一IP測試平臺實(shí)現了IEEE1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)方案。關(guān)于IXIA的城域以太網(wǎng)測試解決方案在以前有過(guò)詳細介紹，在這里對相應的技術(shù)點(diǎn)和對應IXIA應用程序做一總結（見(jiàn)表1）。 表1IXIA城域以太網(wǎng)測試方案及對應程序 圖5是典型的IEEE1588PTP測試場(chǎng)景，IXIA測試端口可以仿真普通時(shí)鐘并處于主模式，被測設備，比如以太網(wǎng)交換機處于邊界時(shí)鐘狀態(tài)，驗證其對各種時(shí)鐘報文的處理能力與實(shí)現；另一種測試情況是IXIA端口仿真邊界時(shí)鐘并處于從屬模式，這時(shí)候被測設備處于主模式，驗證被測設備在主時(shí)鐘模式下的處理機制。IXIA端口都有PTP協(xié)議棧，可以對PTP時(shí)鐘信息做靈活的配置。 圖5IEEE1588典型測試場(chǎng)景 IXIAIEEE1588PTP測試方案所支持的特性包括：支持目前最為流行的IEEE1588 2.2版本；支持兩步時(shí)鐘配置；一個(gè)物理端口可以同時(shí)產(chǎn)生PTP流量和非PTP流量；一個(gè)物理端口一個(gè)時(shí)鐘信號設置，時(shí)鐘可以手動(dòng)設置為主模式或者從模式；可以以柱狀圖顯示從時(shí)鐘對應于主時(shí)鐘的偏移量；IXIA IxExplorer內置的實(shí)時(shí)協(xié)議分析解碼軟件可以對PTP報文直接進(jìn)行編輯或者解碼。在測試過(guò)程中可以實(shí)時(shí)顯示各種詳細的PTP統計信息，統計信息見(jiàn)表2。 表2IXIAIEEE 1588PTP測試統計信息 IXIAIEEE1588PTP方案還可以實(shí)現負面測試（NegativeTesting），可以根據需要設定發(fā)送Sync報文中Follow-up報文的比例，觀(guān)察丟棄掉的Follow-up報文對被測設備的影響；在Follow-up報文中增加錯誤數據包，驗證被測設備的處理與檢測能力；發(fā)送包括抖動(dòng)與偏移的帶有時(shí)間戳的數據包迫使Sync報文失敗，檢驗被測設備的處理機制。圖6所示為PTP時(shí)鐘配制界面。 圖6PTP時(shí)鐘配置界面 4 結束語(yǔ) 根據最新的信息公告，IXIA被eWeek授予年度十大產(chǎn)品獎之一，被Frost&Sullivan授予2008全球三重播放綜合測試和監測設備的年度市場(chǎng)領(lǐng)先獎，被Test & Measurement World授予三個(gè)最佳測試獎，以及被Internet Telephony授予年度產(chǎn)品獎。被如此眾多令人尊敬有技術(shù)影響力組織機構的認可，進(jìn)一步證明了IXIA正在推動(dòng)測試、測量和業(yè)務(wù)認證市場(chǎng)的進(jìn)步和戰略創(chuàng )新，在城域以太網(wǎng)網(wǎng)技術(shù)方面，IXIA同樣保持領(lǐng)先的地位，推出了業(yè)界第一個(gè)100G高速以太網(wǎng)測試加速系統，第一個(gè)在統一2"7層IP測試平臺上推出了IEEE 1588PTP 精密時(shí)鐘同步協(xié)議測試技術(shù)，IXIA這些技術(shù)創(chuàng )新和技術(shù)的領(lǐng)導地位，都為全面的IP測試提供了可靠保證。 |
