智简园区交换机1588技术白皮书.docx
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智简园区交换机1588技术白皮书
华为智简园区交换机1588v2
技术白皮书
摘要
1588v2时钟是一种采用IEEE1588V2协议的高精度时钟,可以实现纳秒级精度的时间同步,精度与当前的GPS实现方案类似,但是在成本、维护、安全等方面有一定的优势,成为业界最热门的时间传递协议。
1概述
1.1技术背景
为了满足无线接入网络用户正常接入的需要,不同基站之间的频率必须同步在一定精度之内,否则手机在进行基站切换时容易掉线,严重时会导致手机无法使用。
而某些无线制式,除了频率同步,还需要求时间同步。
表1-1为一些常见的不同制式的无线系统对频率同步和时间同步的要求:
表1-1不同制式基站对频率/时间同步的要求
无线制式
频率同步精度要求
时间同步精度要求
GSM
0.05ppm
NA
WCDMA
0.05ppm
NA
TD-SCDMA
0.05ppm
+/-1.5us
CDMA2000
0.05ppm
+/-3us
WiMaxFDD
0.05ppm
NA
WiMaxTDD
0.05ppm
+/-1.5us+/-1us
LTEFDD
0.05ppm
NA(exceptforMB-SFN<+/-1us,LBS)
LTETDD
0.05ppm
+/-1.5us
总的来看,以WCDMA/LTEFDD为代表的标准采用的是FDD制式,只需要频率同步,精度要求0.05ppm。
而以TD-SCDMA/LTETDD代表的TDD制式,同时需要频率同步和时间同步。
传统的无线网络系统通常采用每基站安装GPS,利用GPS系统来解决频率同步和时间同步的需求,如图1-1为GPS同步方案示意图。
图1-1GPS同步方案
随着全球无线网络从2G向3G和LTE的快速演进,GPS同步方案面临挑战:
Ø成本高:
跟2G网络相比,3G和LTE网络覆盖相同的区域,需要的基站个数成倍增加,如果仍旧使用每基站安装GPS的方式,施工和维护的成本将非常高昂;
Ø安装选址难:
尤其是室内覆盖,室内覆盖基站馈线长,馈线铺设困难,而且馈线较长时还需要加装放大器并考虑馈电;
Ø安全隐患高:
由于方案依赖于GPS系统,紧急情况下整网可能因失效而瘫痪,且
GPS系统目前存在失效的可能;
针对无线网络系统高精度的同步需求以及现有GPS解决方案的种种弊端,运营商迫切希望能够有一种高精度的地面传送同步方案。
目前IP承载网络支持同步的方案主要有SyncE(同步以太),NTP和PTP(1588v2)。
其属性如表1-2所示。
SyncE同步以太只支持频率同步,不支持时间同步,只能适用于只对频率同步有要求的无线制式。
NTP支持时间同步,但精度为毫秒级别,达不到无线系统的精度要求。
PTP同时支持频率同步和时间同步,精度也能满足各种无线制式的要求。
表1-2时钟特性对比
标准
频率同步
频率同步精度
时间同步
时间同步精度
SyncE
支持
纳秒级
不支持
NA
NTP
不支持
NA
支持
毫秒级
PTP
支持
纳秒级
支持
亚微秒级
网络测控系统精确时钟同步协议PTP(PrecisionTimeProtocol)是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议,也称为IEEE1588,简称为1588。
1588分为1588v1和1588v2两个版本,1588v1只能达到亚毫秒级的时间同步精度,而1588v2可以达到亚微秒级同步精度。
1588v2被定义为时间同步的协议,本来只是用于设备之间的高精度时间同步,随着技术的发展,1588v2也具备频率同步的功能。
现在1588v1基本已被1588v2取代,以下非特殊说明,PTP即表示1588v2。
图1-2是一个典型的1588v2同步传送方案,时间源通过GPS/北斗等多种方式注入,承载设备通过1588v2协议传送时间信息,基站可通过1588v2接口从承载设备获取时间信息,达到与时间源同步的目的,精度可达到亚微秒级,完全能够满足无线基站要求。
图1-21588v2时间同步方案
1.2技术优势
1588v2可以实现纳秒级精度的时间同步,精度与当前的GPS实现方案类似,但是在成本、维护、安全等方面有一定的优势,成为业界最热门的时间传递协议,其主要优势有:
Ø低成本:
无需为每个基站部署和维护GPS接收设备,因而时间同步的建设和维护成本更低;
Ø高精度:
基于硬件辅助处理的1588v2能够提供亚微秒级的时间同步;
Ø符合网络转型趋势:
IP网络,承载未来的融合网络;
Ø安全性高:
可以摆脱对GPS的依赖,在国家安全方面具备特殊意义;
2技术原理
2.1同步概念
2.1.1频率同步
频率同步是指不同的信号在相同的时间间隔内有相同的脉冲个数,和脉冲出现的顺序以及每个脉冲开始和结束的时间没有关系。
以图2-1为例,在每个1秒钟的时间间隔周期
内,如果两个信号的脉冲个数不一样,信号1有4个脉冲(脉冲1,2,3,4),信号2只有3个脉冲(脉冲3,4,5),那么这两个信号之间的频率是不同步的,或者说同步很差。
但如果两个信号都有相同的脉冲个数,如图2-2所示,信号1有4个脉冲(脉冲1,
2,3,4),信号2也有4个脉冲(脉冲3,4,5,6),那么这两个信号之间的频率是同步的,或者说同步很好。
从这里我们也可以看到,频率同步只关心不同的信号在相同的时间间隔内是否有相同的脉冲个数,而不关心脉冲出现的顺序以及开始和结束的时间,即信号1的脉冲是第1,2,3,4个脉冲,信号2的脉冲可以是第3,4,5,6个脉冲,而且每个脉冲开始和结束的时间可以不一样。
图2-1差的频率同步
图2-2好的频率同步
2.1.2相位同步
相位同步是指两个信号具有相同的频率,并且每个脉冲的开始和结束时间也相同,但是和脉冲出现的顺序没有关系。
以下图为例,两个信号具有相同的频率,在每个1秒钟的时间间隔周期内,两个信号具有相同的脉冲个数。
如果脉冲开始和结束的时间不相同,如图2-3中信号1的第一个脉冲和信号2的第3个脉冲,他们开始和结束的时间是不一样的(上升沿、下降沿没有对齐),那么这两个信号的相位同步就比较差。
如果脉冲开始和结束的时间相同,如图2-4中信号1的第1个脉冲和信号2的第3个脉冲,开始和结束的时间是一样的,那么这两个信号的相位同步就比较好。
图2-3差的相位同步
图2-4好的相位同步
2.1.3时间同步
时间同步是指两个信号具有相同的频率,相同的相位,并且脉冲出现的顺序也相同。
以下图为例,两个信号具有相同的频率,而且脉冲出现的顺序也相同,即信号1和信号2
都是按照脉冲1,2,3,4同时顺序出现的。
如果信号1和信号2脉冲的相位没有同步好,我们可以说这两个信号的时间没有同步好,如图2-5所示。
而图2-6所示,则是很好的时间同步。
图2-5差的时间同步
图2-6好的时间同步
2.21588v2的设备模型
IEEE1588v2定义了5种网络节点模型:
OC(普通时钟)、BC(边界时钟)、E2ETC
(E2E透明时钟)、P2PTC(P2P透明时钟)、管理节点。
图2-7描述了用于同步的4种节点模型,管理节点仅用于同步节点的配置管理,本身不提供同步功能。
图2-71588v2设备模型
1)OC:
OrdinaryClock,普通时钟,仅有一个物理接口同网络通信,OC模型用于整个网络的时钟源或时钟宿,不能同时作为始端和终端。
OC模型对应网络的纯粹时钟源或时钟宿,用于向下游节点发布时间,或者从上游节点同步时间。
OC作为系统时钟源时,也被称作最优时钟GMC(GrandmasterClock)。
GMC作为整个系统的参考时钟,即最高层次的时钟,通过各时钟节点间1588v2报文的交互,最优时钟的时间最终将被同步到整个系统中。
最优时钟可以通过手工配置静态指定,也可以通过最佳主时钟BMC(BestMasterClock)算法动态选举。
2)BC:
BoundaryClock,边界时钟,有多个物理接口同网络通信,每个物理端口行为都类似于OrdinaryClock的端口。
BC模型相当于时间中继器,是OC两种类型的混合体,既可以恢复时钟,又可以作为时钟源往下游传递时钟。
BC模型对应处于中间位置的时钟节点,其中设备一个端口从上游设备同步时间,其余多个端口向下游设备发布时间。
3)TC:
TransparentClock,透明时钟,TC模型自身不恢复时间和频率,除信令报文和管理报文外,TC节点本身是不终结1588v2报文的,只对1588v2报文做延时修正。
TC模型对应网络中仅需配合处理1588v2报文,自身不需恢复时钟的设备,所以TC模式不用支持BMC算法。
TC模式包含E2ETC和P2PTC两种。
E2ETC:
EndtoEndTC,端到端透明时钟,E2ETC设备有多个接口,它转发所有1588v2
消息,并测量PTP事件消息经过该设备的驻留时间,并进行修正。
P2PTC:
PeertoPeerTC,点到点透明时钟,P2PTC设备有多个接口,与E2ETC设备相比,它还可以测量该设备每个端口相连链路的延迟,并进行修正。
驻留时间是通过设备本地时钟产生的报文出和入的时间差生成的。
P2PTC用到链路延时是通过对端延时机制获得,具体请参看1588v2时间同步章节。
4)管理设备:
该设备具有多个接口,提供PTP管理消息的管理接口。
此外,华为还有以下两种扩展的设备类型:
1)TC+OC:
具备多个1588v2端口的设备,其中一个端口配置为OC,用来恢复频率
(TC+OC不恢复时间)。
此外的其他所有1588v2端口都配置为纯TC(E2E或者P2P)模式,只透传报文。
TC+OC实现时需要给配置为OC的端口配置其跟踪的时钟源,也就是说TC+OC频率恢复的参考源只能从配置为OC的端口中选择指定的时钟源。
与TC时钟相比,TC+OC时钟同步到主时钟;TC时钟为自由震荡。
TC+OC设备类型分E2ETC+OC和P2PTC+OC两种。
E2ETC+OC:
E2ETC+OC设备有多个接口,与E2ETC设备相比,还可以配置设备哪个端口作为OC,完成频率同步;
P2PTC+OC:
P2PTC+OC设备有多个接口,与P2PTC设备相比,还可以配置设备哪个端口作为OC,完成频率同步;
2)TCandBC:
TCandBC设备有多个接口,其中某些端口配置为BC,用来恢复频率和时间。
此外的其他所有1588v2端口都配置为纯TC(E2E或者P2P)模式,只透传报文。
BC模式下的参考源根据BMC算法选择。
2.31588v2报文
2.3.11588v2报文类型
1588v2报文分为两类:
事件报文(EVENTMessage)和通用报文(GeneralMessage)。
事件报文是时间概念报文,进出设备端口时需要打上精确的时间戳,而通用报文则是非时间概念报文,进出设备不会产生时戳。
表2-11588v2报文类型
报文大类
报文类型
说明
事件报文(EVENTMessage)
1)Sync
2)Delay_Req
3)Pdelay_Req
4)Pdelay_Resp
时间概念报文,进出设备端口时打上精确的时间戳,PTP根据事件报文携带的时间戳,计算链路延迟
通用报文(GeneralMessage)
1)Announce
2)Follow_Up
3)Delay_Resp
4)Pdelay_Resp_Follow_Up
5)Management
6)Signalling
通用报文:
非时间概念报文,进出设备不会产生时间戳,用于主从关系的建立、时间信息的请求和通告
Sync、Delay_Req、Follow_Up、和Delay_Resp报文用于产生和通信定时报文,用延迟请求-响应机制来同步OC和BC设备需要这些定时报文。
Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up报文用于测量两个实现Pdelay机制的时钟端口间的链路延时,链路延时用于修正P2PTC系统中Sync和Follow_Up报文中的定时信息,OC和BC通过执行Pdelay机制应用测量的链路延时和Sync和Follow_Up报文中的时间戳信息实现同步。
Announce报文用来建立同步体系,即BMC算法的相关的信息通过Announce报文来携带。
Management报文用来查询和更新时钟维护的PTP数据集,这些报文也被用来定制一个
PTP系统、初始化和故障管理,管理报文用在管理节点和时钟设备间。
Signaling报文用在时钟设备间实现其他用途的通信,比如Signaling报文可用于协商在主从时钟间单播报文的速率。
2.3.21588v2报文封装
1588v2支持MAC封装和UDP封装两种。
UDP封装又分为IPv4和IPv6两种。
根据主从节点间的拓扑类型配置PTP报文采用单播封装还是组播封装:
Ø单播封装:
实现时钟信息点对点传输,实现单台设备同步主节点时钟。
指定PTP报文发送的目的MAC地址或IP地址为单播地址,则表示报文采用单播封装的方式。
Ø组播封装:
实现点到多点的时钟信号同步,对于同一个PTP域,同一个延时测量机制,默认加入同一个组播组,所以采用组播封装时,无需配置目的MAC地址或IP地址。
1588v2MAC封装:
以太网类型EthernetType值为0x88F7。
对于组播封装,缺省情况下,对于延时请求-应答机制,组播目的MAC地址为01-1B-19-00-00-00;对于对端延时机制,组播目的MAC地址为01-80-C2-00-00-0E。
1588v2IPv4UDP封装:
对于事件报文的UDP目的端口号为为319,通用报文的UDP目的端口号为为320。
对于组播封装,缺省情况下,对于延时请求-应答机制,目的IP地址为组播地址224.0.1.129;对于对端延时机制,目的IP为组播地址224.0.0.107。
2.41588v2同步原理
在主从关系建立后,即可以进行频率同步和时间同步。
PTP本来只是用户设备之间的高精度时间同步,但也可以被用来进行设备之间的频率同步。
PTP通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳,计算出主从设备之间的路径延迟和时间偏移,实现主从设备之间的时间和频率同步,设备支持两种携带时间戳的模式,分别为:
1)单步时钟模式(Onestep),指事件报文Sync和Pdelay_Resp带有本报文发送时刻的时间戳,报文发送和接收的同时也完成了时间信息的通告。
2)双步时钟模式(Twostep),指事件报文Sync和Pdelay_Resp不带有本报文发送时刻的时间戳,而分别由后续的通用报文Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up带上该Sync和PDelay_Resp报文的发送时间信息。
两步时钟模式中,时间信息的产生和通告分两步完成,这样可以兼容一些不支持给事件报文打时间戳的设备企业应用能力,并可支持从定位服务器获取地图信息、终端位置信息并展示等。
2.4.11588v2频率同步
1588v2可以通过在主时钟和从时钟之间交换Sync报文来实现频率同步。
如图2-8主时钟设备在时刻t10发送Sync报文。
如果主时钟设备为one-step模式,t10随Sync报文传送到从时钟设备;如果主始终设备为two-step模式,则t10在随后的Follow_Up报文中传送到从时钟设备;两种模式频率同步原理是一样的。
主时钟周期性地给从时钟发送Sync报文,不考虑路径延时的变化,如果从时钟的频率和主时钟是同步的,那么在相同的时间间隔内,主时钟和从时钟累计的时间偏差是相同的,即t21-t20=t11-t10,t22-t21=t12-t11,t23-t22=t13-t12……依此类推,t2n-t20=t1n-t10。
如果t2n-t20大于t1n-t10,说明从时钟的频率比主时钟快,则需要调慢从时钟的频率;反之则需要调快从时钟的频率。
图2-81588v2频率同步原理
2.4.21588v2时间同步
1588v2通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳,计算出主从设备之间的平均路径延迟和时间偏差,实现主从设备之间的时间同步。
平均路径延时计算包括Delay-Req机制和Pdelay机制两种。
Delay-Req机制:
即延时请求-请求响应机制E2E(EndtoEnd),根据主从时钟之间的整体路径延时时间计算时间差。
Pdelay机制:
即对端延时机制P2P(PeertoPeer),根据主从时钟之间的每一条链路延时时间计算时间差
ØDelay-Req机制测量平均路径延时
下图是Delay-Req机制计算主从时钟设备之间平均路径延时的过程和原理。
图2-9Delay-Req机制测量平均路径延时原理
1)主时钟设备在时刻t1发送Sync报文。
如果主时钟设备为one-step模式,t1随Sync报文传送到从时钟设备;如果主始终设备为two-step模式,则t1在随后的Follow_Up报文中传送到从时钟设备;
2)从时钟设备在时刻t2接收到Sync报文,并从Sync报文(one-step模式)或者
Follow_Up(two-step模式)报文中获取时间戳t1;
3)从时钟设备在时刻t3发送Delay_Req报文给主时钟设备;
4)主时钟设备在时刻t4接收到Delay_Req报文;
5)主时钟设备随后通过Delay_Resp报文将时间戳t4发送给从时钟设备。
上述报文离开和到达时打戳的时钟都是基于本设备内部的系统时钟,1588v2协议规定时间戳的宽度为80bits。
假设主时钟到从时钟的发送路径延时是Delayms,从时钟到主时钟的发送路径延时是Delaysm,Slave和主时钟之间的时间偏差为offsetFromMaster。
显然,这3个变量都是未知数,那么:
t2-t1=Delayms+offsetFromMastert4-t3=Delaysm-offsetFromMaster
经过换算可得到:
Delayms+Delaysm=(t4-t1)–(t3-t2)
offsetFromMaster=[(t2-t1)+(t3-t4)-(Delayms-Delaysm)]/2
显然,如果Delayms=Delaysm,即主时钟和从时钟之间的收发链路延时对称,可获得:
平均路径时延:
meanPathDelay=(Delayms+Delaysm)/2=[(t4–t1)-(t3–t2)]/2
时间偏差:
offsetFromMaster=[(t2-t1)+(t3-t4)]/2
ØPdelay机制测量平均路径延时
Pdelay机制是利用延时请求Pdelay_Req报文、延时回答Pdelay_Resp报文和可能的Pdelay_Resp_Follow_Up报文,计算两个支持P2P机制的通信端口之间测量端口到端口的传播时间,也就是路径延时。
与延时请求-响应机制相比,路径延时测量原理并无不同,只是路径延时测量在每段链路之间进行,主从节点间每段链路的链路延时累计在Pdelay_Resp或Pdelay_Resp_Follow_Up报文中,向下游传递,同时传递信息还包括同步报文在透明时钟TC上的驻留时间。
从节点每段链路的链路延时和在透明时钟TC上的驻留时间,计算主从节点的平均路径延时。
在Pdelay机制中,延时测量和端口的主从属性无关,在支持Pdelay机制的两个相连端口之间进行。
下图是Pdelay机制计算时钟设备之间平均路径延时的过程和原理。
图2-10Pdelay机制测量平均路径延时原理
1)请求时钟设备在时刻t1发送Pdelay_Req报文;
2)响应时钟设备在时刻t2接收到Pdelay_Req报文;
3)响应时钟设备在时刻t3发送Pdelay_Resp报文,如果响应设备为one-step模式,t3-t2随Pdelay_Resp报文传送到请求设备;如果响应时钟设备为two-step模式,则t2随Pdelay_Resp报文传送到请求设备,t3在随后的Pdelay_Resp_Follow_Up报文中传送到请求时钟设备;
4)请求时钟设备在时刻t4接收到Pdelay_Resp报文。
上述报文离开和到达时打戳的时钟都是基于本设备内部的系统时钟,1588v2协议规定时间戳的宽度为80bits。
通过上述报文传递过程,请求设备获取t1、t2、t3、t44个时间或者t1、t3-t2、t43个时间,并利用这些时间计算出设备之间的平均路径延迟。
平均路径延时:
meanPathDelay=[(t4–t1)-(t3–t2)]/2
Ø时间偏差计算
从设备计算出时间偏差后就可以修正本地时间,使其和主设备时间同步。
图2-111588v2时间校正示意图
上述是通过1588v2报文来实现时间同步的基本原理。
对于一个实际的1588v2同步系统,需要考虑路径延时和驻留时间的变化。
2.51588v2时戳产生
当PTP消息穿过节点内的协议栈时,消息时间戳点通过协议栈定义的特定参考点(如A、B、C点)时产生时间戳。
参考点越靠近实际的物理连接点,引起的定时误差就越小,下图中的A点即为最佳参考点。
正是因为1588v2在最靠近物理层的PHY和MAC之间打戳,有效规避了协议层带来的不确定延时,才可以获得ns级的同步精度,满足电信网络的高精度时间同步需求。
1588v2时戳实际上记录的是1588v2EVENT报文到达设备物理端口的,经过时戳点时的时间,用一个80bit的计数值来表示,包含48bit的秒、32bit的纳秒部分。
图2-12时间戳位置
2.6建立主从关系
时钟同步的实现包括3个步骤:
1)建立主从关系,选取最优时钟、协商端口主从状态等。
2)频率同步,实现从节点频率与主节点同步。
3)时间同步,实现从节点时间与主节点同步。
2.6.1BMC算法原理
BMC
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