【摘要】文章在介绍1588协议的工作原理及其软件架构后，给出了基于PTN网络拓扑结构和1588协议的网络传输实现方法，对各方法的特点作了比较。探讨了网络的时间选择和链路保护。最后测试了不同实现方法的同步和抖动性能。
【关键词】IEEEl588、时间同步、PTN、 PTP
一、前言
随着无线通讯技术的不断发展，移动业务已从原有的语音服务转向集语音、数据和视频于一体的多业务混合应用。传统的窄带网络已越来越难适应这种应用，以分组传送网PTN实现这种多业务突发模式是移动承载网‘的一个重要研究方向。
lEEEl588协议(简称PTP，Precision Time Protoc01)是一种网络时间同步协议，具有次微秒级的时间同步性能、良好的载体移植能力及穿透非1588网络的贯通能力。利用PTN网络的开放性，在该网络中运行1588协议不仅可以实现业务传输，还能实现网络时间同步传递，满足移动不同制式无线网络对时间同步的要求，有效地节省系统设备投资，降低工程的安装维护费用。
二、 1588同步原理
2．1 1588同步机制
IEEEl588同步系统是一种主从同步系统。在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息。从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。1588协议实现过程如图1所示：
1588协议实现过程主要分为四步：
(1)Master端发Sync消息给Slave，Slave接收后记录该消息到达时间t2，Sync中同时包括其离开Master时的大约时间t1'；
(2)Master端发起Follow_Up；i自息，其包含前一个Sync消息离开MasterlN的精确时t1，Slave收到Follow—Up消息之后记下tl；
(3)Slave的PTP协议应用层发Delay—Req消息给Master，Slave记录Delay—Req的离开时刻t3，Master端记录其到达时间t4；
(4)Master通过Delay—Resp；肖息}Bt4发给Slave。此时Slave知道Delay—Req消息的发送时刻t3和接收时亥lJt4，及Sync消息的发送与接收时间t1(t1’)、t2。
经过上述时间戳消息应答过程之后，可得到如下的计算公式：
主从时间差=A=Offset 4-MS—Delay=t2一tl(t1’) (1)
从主时间差=B=SM—Delay—Offset=t4一t3 (2)
假设主从之间链路时延MS—Delay等于从主之间链路时延SM_Delay，则在Slave端可以得出：
Offset=(A—B)／2 (3)
MS—Delay=SM—Delay=(A4-B)／2 (4)
Maste r币1]Slave间不断发送PTP协议，Slave端根据Offset修正本地时间值，使之同步Master时间。
1588协议在时间同步过程中支持一步法和两步法。一步法无Follow—Up信息，计算时采用Sync中的tl’；而两步法采用Follow—Up信息中的t1信息，相对一步法的t1’。该t1更精准。
2．2 1588软件结构
基于软件协议的时间同步系统，其时间同步性能受协议栈、存贮转发及物理网络上的传输时延影响。物理网络所产生的线路延时一般是稳定的，而协议栈及存贮转发在运行过程中由于受不确定因素影响会产生较大的抖动，这对同步的精度有较大的影响。为止LIEEEl588协议提出了一种基于软件和硬件相结合的时间同步方法，将时间戳的标记点下移到MAC层和PHY层之间，降低协议栈及业务流量对同步时间的影响，使同步过程中的主要延时为物理层延时，如图2所示：
1588软件协议可运行在UDP协议之上，也可运行在MAC层之上。使用UDP通信载体时，PTP消息的第一个字节紧跟在UDPtE文之后，发送结点或中间结点可设置UDP校验和为0。PTP事件消息采用组播模式，UDP端口号为319；普通消息可采用组播或单播模式，UDP端口号为320。
使用MAC层通信载体时，PTP消息的第一个字节从用户数据字段开始，其使用的Ethertype帧类型定义为88F7，PTP消息可采用单播和组播模式，默认为组播模式，不同承载层的组播地址如表1所示：
三、1588在PTN网络中的组网应用
3．1 PTN网络拓扑
移动城域传送网从架构上看可分为接入层、汇聚层和核心层，PTN网络只是移动城域传送网中的一部分，它负责连接从基站NRNC的业务承载，为2G／3G业务系统提供语音、数据和视频业务的接入与汇聚。PTN网络以传统的以太网为骨干，以PBT或T-MPLS协议为核心，以环网拓扑实现数据的链路保护。PTN传送网拓扑如图3所示：
根据移动空中接El要求，GPS至基站间的时间相差不超过1 us，而各基站间相差不超过3ps。在传统的移动应用中，所有时间同步都采用基站直接外挂GPS接收器方式，由接收器接收GPS提供的时间信息而实现所有基站的时间同步。如果每个基站都安装GPS接收器，成本较高，维护困难；而GPS接收天线安装要满足120度净空要求，也给安装施工带来困难；另外，GPS资源受制于人，也存在资源使用安全隐患。如果在采用PTN网络承载移动业务的同时，通过PTP协议将1588技术移植到PTN网络中，则可以充分利用1588次微秒级的传递精度实现RNC到各基站的同步时间分发，把GPS接收器集中上移至EJRNC侧，这样不仅能降低系统组网成本，而且也降低了安装维护的困难。
实现1588的PTN系统可完全由PTP节点组成，也可由PTP和jBPTP节点混合组成。PTP节点具有识别和处理1588协议的能力；非PTP节点为普通交换设备，把1588协议包和其它协议包等同对待。
和普通节点相比，PTP节点增加了时间戳模块、PTP协议处理模块和时钟处理模块三部分。如图4所示。时间戳模块包括时间戳产生器，对输入输出消息进行识别分类，并对事件消息进行时间标记。协议处理模块处理相关PTP协议，根据主从节点的运行状态执行相应的任务，其中主节点定期发送Sync币llFollow—Up报文，并且响应来自从时钟节点的延迟请求；从节点接收Sync和Follow—Up报文，根据主从节点间传递的时间信息计算主从时间误差和链路延时，并调整本地时间；协议处理单元也运行BMC算法，解析各端口状态以决定采用最优端El时间同步本地时间。时钟处理模块在Server模式下，接收GPS或1 PPS／TOD等信息作为GrandMaster时钟。提供时间戳产生时的精确时间；在Slave状态时，接收PTP协议产生的时间差值调整本地时间；在Master状态时提供精确的本地时间用于时间戳的产生，同时也可输出1PPS／TOD信息供外部设备使用。
3．2 1588网络传输实现方法
1588的时钟类型包括普通时钟、边界时钟和透传时钟。根据1588不同时钟的组合方式，PTN网络时间同步方法可分为边界时钟法、透传时钟法、穿越法和混合实现法等，不同方法的物理拓扑基本相同(见图3)，但网络PTP协议的实现方式不尽相同。
采用边界时钟的组网应用中，除了Grand Master源时钟端口和末端Client端口工作于普通时钟外，所有其它节点均工作于边界时钟状态，不同PTP节点端口可采用不同的承载协议。边界时钟端口可支持多种状态，可用于不同的时间域或异质网的互联，由边界时钟组成的系统启用BMC算法，从而实现时钟源的自动选路，实现不同节点时间源的冗余保护，提高系统的安全可靠性。
采用透传时钟传递的系统，除了Grand Master源时钟端口和末端Client端口为普通时钟外，PTN网其它节点均工作于透传时钟状态。PTPSBi息中的Sync和Follow_Up等事件消息经过透传节点时，节点将这些消息经过本地的驻留时间累加到相应的修正域中，补偿这些消息经过本地的时间损失，消除了不同节点的误差积累，增加了时钟传递精度，也较大地延伸了网络的覆盖范围。
穿越法是在系统的首节点和末节点使用边界时钟或普通时钟，直接穿越非PTP节点的中间网络，中间节点不处理任何PTP协议。而把PTP协议包当作普通包直接转发至其目的地址。中间节点可为普通路由交换设备，这对其选型有利，也可很方便地在现有网络上进行扩容升级。穿透法也可在末端节点启用BMC算法，从而实现时钟源的自动选择，增加网络的可靠性。
混合法实际上是将上述各种传输方法综合在一起的实现方法。边界时钟法终结PTP协议，对源端CPU资源要求较小，可互联不同承载协议的PTP节点；但边界时钟的实现过程具有误差累积功能，不适宜大范围多节点网络使用。透传法由于在其中间节点传递中并不终结PTP协议，PTP透传节点补偿消息包的驻留时问，因此无时间积累误差，时间传递精度高，可传递较大的网络范围；但PTP透传对源节点的CPU资源要求较高，需要其底层协议解决时钟环路与链路保护。混合法可充分利用边界时钟和透传时钟的优点，规避其缺点，最大限度提高网络的安全性和可延伸性，增加了网络的组网弹性。
图3所示的混合实现方法中，汇聚层使用边界时钟在每个PTP节点终结协议；接入层采用透传时钟法，以每个汇聚层PTP节点为时钟源实现时间同步分发。接入层也可采用穿透法，以汇聚层节点为时钟源，PTP协议直接穿透到接入层各基站或与基站相连的末端节点。采用混合法所组成的PTP系统，具有如下一些特点：
(1) 汇聚层网络节点相对较少，采用边界时钟，其积累的误差也较小。
(2) 采用边界时钟后，汇聚层可以很方便地和接入层通过不同的承载协议进行互通，对接入层所使用的承载协议和传递技术要求不高。
(3) 汇聚层可启用BMC算法，BMC算法可基于时钟质量和最短节点路径选择时间源，有效减少时钟质量的累加误差，增加时钟源的冗余备份能力。
(4) 接入层采用透传时钟或穿透技术，可享有透传时钟和穿透技术带来的好处；同时不同的接入层以汇聚层PTP节点为主，把原来对总主节点CPU的资源要求分摊到各汇聚节点，降低了对CPU的要求，延伸了网络覆盖范围。
(5) 边界时钟和透传时钟的混合使用，使端到端的误差减少。组网变得容易，网络可扩性得以提高。
3．3 时间源的选择与链路保护
为保证PTN网络对时间信息的可靠传输，必须对输入时间源和传输链路实行可靠保护设计。输入时间源可采用GPS或北斗信号，以双星双卡模式实现输入时间源的双备份。PTN系统设备可集成GPS接收器，从而直接接收GPS信号；也可采用1PPS+TOD接13，由GPS接收机或其它中转设备提供GPS同步信号，输入时间源接入如图5所示。在无外部GPS或北斗时间源时，系统也可采用高精度铯原子钟进行守时，保证系统在一定的时间内可靠稳定地运行。
PTN传送网物理链路一般采用环型组网，汇聚层和接入层采用相交环或相切环实现互联，每个外时间源通过环形链路中不同两点接入主用链路和备用链路。在汇聚层采用边界时钟时，业务链路和时间传递链路可以相互分离，边界时钟的每个节点均可收到不同传递通路送来的时间源，这些时间源来自单一或多个GPS接收器。边界时钟节点启用BMC算法，时间传递链路环路阻断由BMC算法完成，不依赖于底层的协议实现。BMC算法可以根据时间源质量和链路路径选择最优时间源。
接入层采用透传时钟时，由于无法启用BMC算法，透传时钟必须由底层承载协议消去PTP时间环路，因此透传时钟保护切换必须和业务链路保护捆绑在一起。业务链路传递PTP同步协议，在时间源或业务链路故障时，均会引起链路的保护倒换。
3．4 性能测试
PTN网络时间传递性能受时间传递方法的影响较大，不同的方法，不同的网络拓扑。其输出同步相位及时钟抖动相差较大。本次性能测试采用图3所示的网络拓扑结构，汇聚环采用84"节点，接入环采用22个节点，端到端的PTP传输有效节点为20个。
图6是汇聚环和接入环均采用边界时钟，背景流量达到80%时的测试情况。图中黄色波形为Grand Master端的1PPS输入，绿色波形为末端Slave的1PPS输出，示波器水平坐标分辨率为500ns/div。经过24小时的在线测量。1PPS的相位差的变化范围为400ns～750ns。
图7为汇聚环采用边界时钟，接入环采用透传时钟时，在80%背景流量时的测试情况。图中黄色波形为GrandMaster端的1PPS输入，绿色波形为末端Slave的1PPS输出，示波器水平坐标分辨率为500ns/div。经过24小时的在线测量。1PPS的相位差的变化范围为250ns~600ns。
图8为输出时钟的抖动的MTIE测试结果，图中粉红色曲线为图6测试时Siave端10MHz时钟输出MTiE抖动情况，蓝色曲线是图7测试时SIave端10MHz时钟输出MTIE抖动情况，其他颜色折线为符合不同标准时的时钟抖动模板。本项测试中SIave端时钟质量近似于SSU时钟水平。
从测试结果可以看出，在PTN网络中采用混合时间传递方法，其时间同步相位偏差要比单纯采用边界时钟小。依照G.8261标准，经过对比测试，混合时间传递法要比其它传递方法的效能高20%左右。
四、结束语
lEEEl588源自于工控与测量领域，在该领域已得到了广泛的应用。利用1588协议实现PTN网络的时间同步是1588技术的一种应用移植，也是未来移动承载网研究和发展的一个重要方向。除了1588技术所要达到的时间传递精度外，还有许多诸如网络支持的节点范围、非对称光纤链路的时延计算与补偿、链路保护倒换的收敛时间、网络OAM等问题需要解决。只有在上述各种问题都解决的情况下，才能建立一张安全可靠的PTN时间同步网。
