一種專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

焦利彬，趙 輝，阮軍洲

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

0 引言

作為保證網(wǎng)絡(luò)正常工作的關(guān)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(shí)鐘不穩(wěn)會(huì)造成傳輸信號(hào)的滑碼，這對(duì)不同種類的業(yè)務(wù)產(chǎn)生的影響表現(xiàn)也各不相同，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏ㄐ畔到y(tǒng)的癱瘓［1］。不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)等級(jí)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(luò)應(yīng)用、具有一定穩(wěn)準(zhǔn)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(luò)規(guī)模在100個(gè)節(jié)點(diǎn)左右，全網(wǎng)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)采用異步傳輸方式(ATM交換機(jī))，可以承載話音、數(shù)據(jù)和視頻等多種業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^頻繁，中繼線路采用無線通信為主，鏈路不穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)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(shí)間不大于100 s。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方案，滿足了網(wǎng)絡(luò)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(luò)的同步技術(shù)越來越成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要問題之一［2］。通信網(wǎng)的同步是指對(duì)網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位一致，包括幀同步和時(shí)鐘頻率同步2個(gè)方面內(nèi)容［3，4］，其中時(shí)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(zhǔn)同步、主從同步和互同步3種同步方式。

1.1 準(zhǔn)同步方式

準(zhǔn)同步方式［2］是指網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)上都具有獨(dú)立的高精度時(shí)鐘源，這些時(shí)鐘源具有一致的標(biāo)稱頻率和頻率容差，但實(shí)際的頻率有微小差別，且各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘相互獨(dú)立，互不控制。由于沒有時(shí)鐘之間的相互控制問題，所以具有簡(jiǎn)單、靈活、不需要占用額外的網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源性能要求較高，且各時(shí)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(dòng)的缺點(diǎn)。準(zhǔn)同步方式一般用于大型的通信網(wǎng)絡(luò)中。

1.2 主從同步方式

主從同步方式［5］是指在網(wǎng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)主時(shí)鐘和若干個(gè)從時(shí)鐘，以主時(shí)鐘的頻率來控制從時(shí)鐘的信號(hào)頻率，即各從時(shí)鐘的信號(hào)頻率根據(jù)主基準(zhǔn)時(shí)鐘適時(shí)調(diào)整各自的頻率，保持與主基準(zhǔn)時(shí)鐘相同的精度，因此，網(wǎng)內(nèi)只需要一個(gè)高性能的主基準(zhǔn)時(shí)鐘就能滿足全網(wǎng)的時(shí)鐘精度要求。主從同步具有同步費(fèi)用低、正常情況下不存在周期性滑動(dòng)等優(yōu)點(diǎn);由于要傳輸主基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，因此造成全網(wǎng)同步時(shí)鐘受主基準(zhǔn)時(shí)鐘、級(jí)聯(lián)節(jié)點(diǎn)狀況、傳輸線路狀況等條件的限制，另外，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變化的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)，存在同步規(guī)劃困難的缺點(diǎn)，容易形成定時(shí)環(huán)路。主從同步方式適用于星型或樹狀網(wǎng)絡(luò)。

1.3 互同步方式

互同步方式［6］不區(qū)分時(shí)鐘級(jí)別，每個(gè)時(shí)鐘均接受其他節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘傳送的定時(shí)信號(hào)，將自身頻率鎖定在所有接收到的定時(shí)信號(hào)頻率的加權(quán)平均值上，最后網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘均穩(wěn)定于一個(gè)統(tǒng)一的均值頻率，從而實(shí)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(qiáng)、可靠性高以及應(yīng)用方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。由于參與同步計(jì)算的時(shí)鐘較多，因此互同步方式存在受網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化影響大、與其他同步方式兼容困難等缺點(diǎn)。互同步方式適用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

2 網(wǎng)同步軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

組成專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒有高穩(wěn)時(shí)鐘源，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l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(zhǔn)同步、外同步和主從同步方式［7］。網(wǎng)同步軟件屬于交換機(jī)軟件中的高層應(yīng)用軟件，由初始化軟件、定時(shí)中斷處理軟件、維護(hù)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(diǎn)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(guān)時(shí)鐘硬件，完成對(duì)本節(jié)點(diǎn)時(shí)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(guān)的硬件寄存器，例如:PortID［i］，用于記錄各路時(shí)鐘頻率計(jì)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(shí)鐘是否滿足同步計(jì)算條件*/

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

UINT16 curFreq;/*當(dāng)前頻率比較計(jì)數(shù)值頻率部分*/

UINT16 curPhase;/*當(dāng)前頻率比較計(jì)數(shù)值相位部分*/

UINT8 weight; /*時(shí)鐘權(quán)值*/

}_PACK_STRUCT_ CPT_T，用于記錄各路時(shí)鐘特性;初始化定時(shí)中斷，用于掛接、使能定時(shí)讀取各路時(shí)鐘頻率和相位值的中斷處理器;生成網(wǎng)同步時(shí)鐘控制軟件的任務(wù)實(shí)體和消息隊(duì)列。交換機(jī)上電后，通過調(diào)用初始化軟件的主函數(shù)啟動(dòng)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(shí)鐘同步計(jì)算與時(shí)鐘控制的主要控制功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)維護(hù)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(hù)消息，根據(jù)定時(shí)中斷得到的頻率相位差，進(jìn)行時(shí)鐘關(guān)系計(jì)算，控制本地的時(shí)鐘。

網(wǎng)同步控制軟件是整個(gè)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(shí)中斷處理軟件

定時(shí)中斷處理軟件用于定時(shí)讀取硬件鎖存的各路輸入時(shí)鐘的頻率和相位值，并通過消息隊(duì)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(jìn)行計(jì)算，得出各路時(shí)鐘的頻率和相位差，對(duì)新的頻率相位差進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，作為調(diào)整本地時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)。定時(shí)中斷源采用時(shí)鐘頻率振蕩產(chǎn)生的定時(shí)。

2.4 維護(hù)消息處理軟件

維護(hù)消息處理軟件接收從交換機(jī)維護(hù)與管理軟件模塊發(fā)送來的維護(hù)類消息，對(duì)消息進(jìn)行相應(yīng)處理，并向維護(hù)管理軟件模塊發(fā)送響應(yīng)消息及網(wǎng)同步軟件的主動(dòng)上報(bào)消息。接收的維護(hù)消息包括同步方式設(shè)置消息、中繼鏈路狀態(tài)通知消息等，根據(jù)同步方式設(shè)置消息中攜帶的內(nèi)容，網(wǎng)同步控制軟件可以設(shè)置調(diào)整交換機(jī)的同步方式為外同步、準(zhǔn)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(yīng)輸入時(shí)鐘的加權(quán)系數(shù)，確保正常的時(shí)鐘參與同步計(jì)算，異常的時(shí)鐘不參與同步計(jì)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(yīng)時(shí)鐘的調(diào)整范圍，又能適應(yīng)時(shí)鐘調(diào)整精度，專網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采用高穩(wěn)、低穩(wěn)2個(gè)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(xì)［5］。從而在滿足工程指標(biāo)要求的前提下，降低了設(shè)備成本。晶振切換控制軟件主要實(shí)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(shí)，晶振切換控制軟件根據(jù)當(dāng)前的同步方式，確定是否需要控制晶振切換，當(dāng)滿足晶振切換調(diào)整條件時(shí)，根據(jù)當(dāng)前工作選用的晶振類型及需要調(diào)整的范圍進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)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(shí)鐘同步收斂時(shí)間，在軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)2個(gè)晶振均滿足調(diào)整條件時(shí)，選擇大范圍可控晶振進(jìn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的各路時(shí)鐘的頻率相位差進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，從而得到用于調(diào)整本地晶振的指導(dǎo)值。

各路輸入時(shí)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(jì)算的各路時(shí)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(dòng)確定，權(quán)值可以為0和1兩種，0表示本路時(shí)鐘不參與同步計(jì)算，1表示本路時(shí)鐘需要參與同步計(jì)算。

通過本路時(shí)鐘權(quán)值與相應(yīng)時(shí)鐘狀態(tài)的綜合，加權(quán)平均算法軟件決定該路時(shí)鐘是否需要參與網(wǎng)同步計(jì)算。各路時(shí)鐘的權(quán)值各自獨(dú)立，互不相關(guān)。

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

2.7 故障時(shí)鐘排除軟件

故障時(shí)鐘排除軟件主要完成檢測(cè)本機(jī)時(shí)鐘以及輸入時(shí)鐘的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)本機(jī)時(shí)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(jìn)行調(diào)整，同時(shí)設(shè)置本機(jī)時(shí)鐘異常的全局標(biāo)志變量，以供相關(guān)軟件讀取并發(fā)送至相鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)到外部輸入時(shí)鐘狀態(tài)異常后，通過設(shè)置相關(guān)變量配合網(wǎng)同步控制軟件，排除外部輸入異常的時(shí)鐘參與網(wǎng)同步計(jì)算。

3 同步穩(wěn)定措施處理

由于專用網(wǎng)絡(luò)采用無線通信鏈路為主，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)的接入或退出現(xiàn)象，這就會(huì)造成網(wǎng)同步軟件不斷進(jìn)行新的時(shí)鐘計(jì)算，從而引起網(wǎng)內(nèi)時(shí)鐘的震蕩，浪費(fèi)交換機(jī)資源。

為解決這一問題，設(shè)計(jì)中采取了鈍化延遲處理措施，即:當(dāng)有新的時(shí)鐘輸入時(shí)，網(wǎng)同步軟件并不是立即使用該時(shí)鐘作為同步計(jì)算的鐘源，而是持續(xù)檢驗(yàn)該時(shí)鐘狀態(tài)一段時(shí)間。若該時(shí)鐘在時(shí)間閾值到達(dá)后仍然穩(wěn)定，則允許此時(shí)鐘參與網(wǎng)同步計(jì)算;否則不允許參與同步計(jì)算。這樣可以避免由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓鸬臅r(shí)鐘震蕩現(xiàn)象。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件能夠兼容準(zhǔn)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(shí)鐘源的條件下，通過比較輸入時(shí)鐘與本地時(shí)鐘的頻差及相差，綜合各中繼端口運(yùn)行狀況，經(jīng)過運(yùn)算送出調(diào)整控制字，去調(diào)整本地時(shí)鐘晶振，從而實(shí)現(xiàn)具有一定穩(wěn)準(zhǔn)度的時(shí)鐘，為專用通信網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘源。通過這種專用通信網(wǎng)的網(wǎng)同步軟件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)同步方式，提高了網(wǎng)絡(luò)對(duì)拓?fù)渥兓倪m應(yīng)性，降低了交換機(jī)的設(shè)計(jì)成本，增強(qiáng)了用戶選擇同步方式的靈活性，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

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