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1 背景 IP化是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢，而以太網(wǎng)以其優(yōu)越的性?xún)r(jià)比、廣泛的應用及產(chǎn)品支持，成為以IP為基礎的承載網(wǎng)的主要發(fā)展方向。在部署電信級以太網(wǎng)時(shí)，如何解決時(shí)鐘同步問(wèn)題是一個(gè)要考慮的方面。對分組網(wǎng)絡(luò )的同步需求有兩個(gè)方面：一是，分組網(wǎng)絡(luò )可以承載TDM業(yè)務(wù)，并提供TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘恢復的機制，使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò )后仍滿(mǎn)足一定的性能指標；二是，分組網(wǎng)絡(luò )可以像TDM網(wǎng)絡(luò )一樣，提供高精度的網(wǎng)絡(luò )參考時(shí)鐘，以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)或終端的同步需求。 同步以太網(wǎng)(SyncE)就是最新的標準解決方法。在SyncE中，以太網(wǎng)采用與SONET(同步光纖網(wǎng)絡(luò ))／SDH(同步數字系列)相同的方式，通過(guò)高品質(zhì)、可跟蹤一級基準時(shí)鐘信號同步其位時(shí)鐘。 2006年，國際電信聯(lián)盟在其G．8261中描述了SyncE概念。2007年，在G．8262中對SyncE的性能要求進(jìn)行了標準化，規定了同步以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )設備中使用的時(shí)鐘的最低性能要求。IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標準，該標準定義了一種精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)，2005年又制定了新版本的IEEE 1588，即IEEE1588v2。 2 相關(guān)標準與協(xié)議 2.1IEEE 1588 IEEE 1588通過(guò)硬件和軟件配合獲得更精確的定時(shí)同步；在傳輸時(shí)間時(shí)鐘信號時(shí)無(wú)需額外的時(shí)鐘線(xiàn)，仍然使用原來(lái)以太網(wǎng)的數據線(xiàn)傳送時(shí)鐘信號，既簡(jiǎn)化了組網(wǎng)連接，又降低了成本。 IEEE 1588在技術(shù)規范中特別定義了一套基于消息的同步協(xié)議，通過(guò)周期性地發(fā)布帶有時(shí)間戳的信息包，可以使各個(gè)測控節點(diǎn)的時(shí)鐘得到校正，從而實(shí)現整個(gè)系統的同步運行。其實(shí)現原理如圖1所示。首先，主時(shí)鐘節點(diǎn)周期性(一般為2 s)地向整個(gè)系統發(fā)送同步包(Sync)，接著(zhù)將同步包時(shí)間戳打包再發(fā)送同步跟隨包(Follow Up)。當各從時(shí)鐘節點(diǎn)收到主時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)來(lái)的同步包和同步跟隨包后，依據各自時(shí)間戳、接收同步包時(shí)間戳和解析同步跟隨包的時(shí)間戳，計算主從時(shí)鐘差值；并用這個(gè)差值調整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步為止。 
分布式測控系統中，每個(gè)測控設備在網(wǎng)絡(luò )中所處位置、布線(xiàn)方式、布線(xiàn)長(cháng)度以及目前網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中的固有問(wèn)題，也將造成測控數據在傳輸過(guò)程中的不同延遲。為了有效消除網(wǎng)絡(luò )延遲對分布式系統實(shí)時(shí)性的影響，IEEE 1588也定義了2個(gè)信息包，校正原理如圖2所示。
從時(shí)鐘節點(diǎn)可以不定期(一般為4～60 s)地向主時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送延遲請求包(Delay Request)，主時(shí)鐘節點(diǎn)收到延遲請求包后，立即將接收時(shí)間戳打包并返回延遲應答包。當從時(shí)鐘節點(diǎn)收到延遲應答包后，依據自身發(fā)送延遲請求包時(shí)間戳和解析延遲應答包時(shí)間戳計算網(wǎng)絡(luò )延遲時(shí)間，并用這個(gè)差值調整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步�；谝陨戏椒�，可以有效消除主從時(shí)鐘差異和測控數據在網(wǎng)絡(luò )中的傳輸延遲，從而實(shí)現分布式網(wǎng)絡(luò )化測控系統的時(shí)鐘同步。 2.2基準時(shí)鐘信號的分配方式 G．8261定義了分組網(wǎng)中的定時(shí)同步網(wǎng)元，規定了網(wǎng)絡(luò )中所容許的最大抖動(dòng)和漂移值，以及分組網(wǎng)邊界與TDM接口時(shí)需要達到的抖動(dòng)和漂移容限的最小值；概述了網(wǎng)元實(shí)現同步功能的最小要求；提出了兩種基準時(shí)鐘信號的分配方式——網(wǎng)絡(luò )同步方式(同步以太網(wǎng))和基于分組方式，解決了分組網(wǎng)特別是以太網(wǎng)的同步問(wèn)題。特別指出的是，兩種分配方式各有優(yōu)點(diǎn)，其混合應用將構建既能實(shí)現頻率同步，又能實(shí)現時(shí)間同步的下一代同步網(wǎng)。 (1)網(wǎng)絡(luò )同步方式(同步以太網(wǎng)) 與現在的 SONET／SDH鏈路一樣，同步以太網(wǎng)通過(guò)OSI七層協(xié)議的第一層(即物理層)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )同步。同步以太網(wǎng)方式又稱(chēng)“PRC分配方式”(如GPS)或用同步物理層的主從方式。它支持基于網(wǎng)絡(luò )同步線(xiàn)路碼方式的時(shí)鐘分配，已廣泛地運用到同步TMD網(wǎng)中。 其特點(diǎn)是：使用以太網(wǎng)物理層；僅能分配同步頻率，不能分配同步時(shí)間；不會(huì )因網(wǎng)絡(luò )高層產(chǎn)生損傷而受到影響，同步質(zhì)量好，可靠性高。 (2)基于分組方式 該方式是指定時(shí)信息由分組承載，發(fā)送專(zhuān)門(mén)的時(shí)間戳消息，雙向傳送定時(shí)信息的方法可能是NTP或類(lèi)似的協(xié)議。值得注意的是，雙向協(xié)議還能傳送時(shí)間信息。 其特點(diǎn)是：與物理層無(wú)關(guān)；能分配同步頻率和同步時(shí)間；會(huì )因電信網(wǎng)的損傷而受到影響，如分組延時(shí)抖動(dòng)。 3 應用實(shí)例 3.1Si5315 芯片 在實(shí)際應用中，采用Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si5315芯片。該芯片為一款抖動(dòng)衰減時(shí)鐘倍頻芯片，采用8 kHz～644.53 MHz的雙時(shí)鐘輸入，并且產(chǎn)生2個(gè)獨立的倍頻時(shí)鐘。在同步方面，主要采用Silicon Labs的第三代DSPLL技術(shù)，能夠產(chǎn)生任意比率的頻率合成以及在高速率下的去抖動(dòng)。除支持SONET／SDH和以太網(wǎng)時(shí)鐘外，Si5315還可支持 10G線(xiàn)路編碼率的同步以太網(wǎng)時(shí)鐘倍頻芯片。 具體應用實(shí)例如圖3所示。本地時(shí)鐘輸入62.5 MHz作為芯片的一路輸入，經(jīng)過(guò)Si5315倍頻后輸出端口一路為125 MHz。將其信號引入以太網(wǎng)設備的CDR模塊(數據時(shí)鐘恢復模塊)作為參考時(shí)鐘。當數據進(jìn)入CDR后恢復出一個(gè)接近62.5 MHz的時(shí)鐘，再次輸入Si5315，經(jīng)過(guò)DPLL鎖相達到芯片認為符合要求的時(shí)鐘后，本地時(shí)鐘的輸入被屏蔽。當網(wǎng)絡(luò )中所有的設備都完成此項操作后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步完成。在具體的應用中前級的數據時(shí)鐘往往抖動(dòng)十分嚴重，經(jīng)過(guò)Si5315芯片處理后，時(shí)鐘能恢復得很好，并且所有設備的時(shí)鐘都保持了一致性。
3.2 DP83640芯片 IEEE 1588的精密時(shí)鐘協(xié)議(PTP)能夠實(shí)現高精度的以太網(wǎng)時(shí)間同步，但是如果需要達到ns級的時(shí)鐘同步性能，僅僅通過(guò)軟件是很難實(shí)現的。因為在線(xiàn)路上接收 PTP包之后，對它們進(jìn)行處理的每一種器件都會(huì )增加同步誤差。DP83640通過(guò)在物理層以硬件加軟件的方式使得ns級的時(shí)鐘同步成為可能。 DP83640 是一款基于IEEE 1588標準的時(shí)鐘同步芯片，采用硬件和軟件結合的方式提供最高的精確度實(shí)時(shí)工業(yè)的時(shí)鐘同步，可確保分布式上各節點(diǎn)能按照主機時(shí)鐘的時(shí)間同步定時(shí)，并確保各節點(diǎn)之間的時(shí)間偏差不會(huì )超過(guò)8 ns。一旦線(xiàn)路上有PTP包，即被DP83640的精密PHYTER所讀取。 DP83640具有幾個(gè)內部時(shí)鐘，包括本地參考時(shí)鐘、1個(gè)以太網(wǎng)接收時(shí)鐘和1個(gè)PTP時(shí)鐘信號源；同時(shí)，還包括1個(gè)內部的PTP數字計數器，以及可以控制數字計數器和PTP時(shí)鐘速率(頻率)的邏輯。 在同步以太網(wǎng)交換機的方案中，通過(guò)替換以太網(wǎng)層并增加IEEE 1588 PTP軟件實(shí)現。如圖4所示，CPU、交換芯片和DP83640通過(guò)MII口連接起來(lái)組成一個(gè)系統。交換機成為以太網(wǎng)中同步的一個(gè)器件，使得交換機所形成的以太網(wǎng)及該網(wǎng)絡(luò )下所掛的器件都滿(mǎn)足IEEE 1588協(xié)議，最終形成同步以太網(wǎng)。
結語(yǔ) 從目前的原型實(shí)驗和應用來(lái)看，IEEE 1588中標準化的精確時(shí)間協(xié)議可以達到亞微秒級的同步精度，并且有可能達到更高的精度。IEEE 1588為基于多播技術(shù)的標準以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)應用提供了有效的解決方案，但同時(shí)也存在一些尚待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，如主時(shí)鐘的容錯性能、振蕩器的穩定性對時(shí)鐘的影響等。相信今后該標準會(huì )更加完善，也會(huì )有更多的具體應用可以參考。 作者：吳敏涼，石旭剛，張勝，沈一波 (1．浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310014；2．浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省光纖重點(diǎn)實(shí)驗室；3．杭州奧博通信有限公司) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》2010年01期 |
