交換機中同步以太網技術的研究及其實現

摘要：提出了一種支持同步以太網交換機工作在主從模式狀態下同步時鐘網絡架構，及其在不同工作模式下的時鐘同步機制；提出了交換機工作在從模式狀態系統同步鏈路時鐘的優先級選擇策略，以及工作在主模式狀態下交換機系統時鐘指定選擇原則。實踐表明，這種同步以太網時鐘架構和同步機制能很好地滿足網絡應用。

關鍵詞： 同步以太網；以太網同步狀態消息；鎖相環；漂移

Abstract： In this paper， we propose a synchronous clock network architecture for the Ethernet switch （ES） so that synchronous Ethernet （Sync-E） is achieved when the ES is in slave or master mode. We also propose different synchronous clock mechanisms for the ES in different modes. We introduce the priority selection strategy of synchronous clock link when the ES is in slave mode. The specific selection principle for the system clock when the ES is working in the master mode is also introduced. Finally， we suggest that this synchronous Ethernet clock architecture and mechanisms can meet needs of network applications.

Key words： synchronous Ethernet； Ethernet synchronization messaging channel； phase locked loop（PLL）； wander

電信網絡正在從基于時分的電路交換向基于分組的包交換的下一代網絡發展，電信服務都可以統一到統一的包交換平臺上來。以太網在網絡匯聚中扮演越來越重要的作用，現在無線網絡匯聚和骨干網絡以及在城域網中都在應用以太網。不少接入網需要接入單元間時鐘的同步，比如基站、無源光網絡（PON）接入以太網，這就涉及到同步以太網的問題。接入單元有的需要頻率同步，比如無線網絡中GSM、UMTS/W-CDMA、LTE（FDD）只需要頻率同步；有的還需要相位和頻率都同步，比如CDMA2000、LTE（TDD）、TD-SCDMA、WiMAX等網絡。同步以太網技術用于分布式網絡的頻率同步，但其不支持相位同步。使用同步以太網的網絡，網絡的各個節點均需支持同步以太網。傳統的運營網絡一般建有自己的SDH/PDH同步網絡，以確保整個網絡的頻率同步。目前通過以太網來承載傳統通信網絡的頻率同步和時間同步信息有著現實的迫切要求。圖1是同步以太網在網絡中的典型應用場景[1-2]。最上端是元時鐘（PRC），每個同步網絡單元都含有以太網設備時鐘（EEC）。在正常情況下EEC是鎖定某一輸入業務端口的頻率，業務輸出端口頻率和輸入端口同步。這種鏈路拓撲結構能實現EEC至上而下的頻率同步，最終和PRC時鐘同步，這種同步方式類似SDH/SONET同步網。網絡拓撲中的同步支持單元（SSU）作用是減少鏈路抖動和漂移的累計，另外也可以作為一個節點時鐘給別的設備提供同步。在上游設備時鐘出現問題，比如PRC時鐘丟失時，自身可提供保持功能，直至上游設備時鐘恢復。

1 以太網中的同步技術

1.1 同步以太網主設備

對于同步以太網主設備，其功能模塊時鐘拓撲如圖2所示。設備一般是在設備外接標準的高精度時鐘源，比如2 MHz時鐘或者2 Mb/s數據或者是別的時鐘源輸入接口。2 MHz時鐘通過鎖相環輸出，時鐘的頻率及其參數可以通過鎖相環參數配置。2 Mb/s數據通過大樓綜合定時（供給）系統（BITS）收發芯片接收鏈路碼流提取2 MHz時鐘，然后將提取的鏈路時鐘2 MHz送給鎖相環，再由中央處理單元中鎖相環通過配置輸出一個設置時鐘。鎖相環輸出所需要時鐘送給邏輯單元，邏輯單元分發出若干路下發時鐘到各個接入單元，再由接入單元的鎖相環輸出到接入單元交換芯片媒體訪問控制層（MAC）、物理層（PHY）作為其工作時鐘，實現時鐘源和接入單元交換芯片和PHY芯片的時鐘同步。主設備通過接入單元的PHY鏈路數據輸出。從設備接入單元根據主設備接入單元輸出鏈路數據，通過提取鏈路時鐘，然后根據從設備時鐘同步原理而實現主交換設備和從交換設備的同步。以太網從設備不需要外接時鐘源。

1.2 同步以太網從設備

同步以太網從設備利用從主設備互聯的數據流端口，通過PHY或者MAC芯片數據接收端集成的時鐘數據恢復（CDR）來提取接收數據鏈路的時鐘。這個時鐘除了可以用作發送端時鐘外，還可以用于芯片對接收數據的解串行化和解復用高速串行數據成低速并行數據，恢復功能可從發送方數據恢復時鐘。圖3為同步以太網從設備時鐘拓撲框圖。選擇從哪路端口恢復時鐘是可以配置選擇的。根據電路所采用PHY的數量，恢復出來的每路高精度時鐘，送給一個多路選擇器或者邏輯，按照一定的規則選擇一路恢復時鐘送給一個鎖相環（PLL）。PLL輸出某一頻率的高精度時鐘送給中央處理單元。中央處理單元通過一個復用器按照一定的選擇規則選擇多個輸入的接入單元時鐘的一個，作為主控鎖相環PLL的輸入時鐘源，然后中央處理單元PLL輸出一高精度的時鐘，通過時鐘驅動緩存器分發給各個接入單元。各個接入單元根據中央單元輸入的時鐘，通過配置鎖相環輸出接入單元MAC和PHY所需要的頻率，作為接入單元MAC和所有PHY的發送工作時鐘，從而實現交換設備與主設備同步。一般接入設備只需MAC和PHY和主設備同步。

1.3 以太網同步狀態消息ESMC的

應用

一般來說，同步以太網既可以工作在普通模式，也可以工作在同步模式，默認是普通以太網方式。工作在同步模式時，接收端除了從輸入信號提取輸入信號頻率并送給時鐘系統進行處理進行時鐘分發外，還獲取并處理以太網同步消息信道（ESMC）狀態消息，獲取鏈路提供的時鐘質量等級（QL）。

QL可以作為本地進行時鐘切換依據，根據當前獲取的鏈路的時鐘質量等級，以判斷系統是否切換到更高級別的時鐘。在同步以太網模式，鏈路發送端鎖定系統時鐘用于數據發送，同時還產生ESMC消息發送鏈路時鐘質量等級QL到下游環節，ESMC包含鏈路同步狀態消息（SSM），用于表示EEC時鐘等級，這個信道是按照組織特性慢協議（OSSP）協議提供。同步狀態消息的數據格式如表1所示[3]。

表1中，目的地址是組播地址，低速協議類型及其協議子類型固定為88-09-0A[4-5]。在ESMC PDU中數據和填充區域用4個字節來表示時鐘的質量等級，其時鐘質量等級采用類型長度值（TLV）來表示，其數據格式如表2所示。在同步以太網中，SSM用于表示上游設備給下游設備所同步跟蹤的時鐘源的質量。SSM包含在ESMC PDU中，周期性由上游設備發給下游設備作為下游設備選擇時鐘源的重要根據。下游設備時鐘子系統根據端口收到的SSM級別，總是選擇最高級別的時鐘源，當高級級別時鐘源發生故障后，再根據統計的當前的SSM等級，選擇次之的時鐘源。如果存在等級相同的時鐘源就按照定義的優先級選擇時鐘源，如果所有鏈路時鐘均不可用，選擇本地時鐘作為當前系統時鐘。如果丟失所有的參考時鐘源，鎖相環PLL進入保持（holdover）狀態；SSM消息需要沿著鏈路依次逐級傳遞，每級EEC都支持SSM消息的處理。時鐘子系統通過這種方法選擇系統源時鐘，以使系統保持穩定工作。同步以太網ESMC中的SSM定義了2種時鐘質量等級，如表3所示。

表3中，QL-EEC1主要適用于同步以太網設備時鐘架構為2048 kb/s的體系，QL-EEC2主要面向同步以太網時鐘架構為1544 kb/s的同步體系。

2 同步以太網的調試方法

2.1 同步以太網基本調試方法

采用若干套交換設備分別級聯組網也可以混合組網，這時兩個節點間上下游構成主從設備。這里以同步以太網組網中兩個上下游節點為例，上游設備配置為主設備、下游設備配置從設備，從設備端口提取上游設備鏈路時鐘。一個同步以太網流量測試環境如圖4所示。

圖4中，以太網流量測試儀器的一對端口的收發端口與設備A的第一個以太網接口收發端口收發互連。圖4中設備每個方格為一對以太網收發端口，上下一組以太網端口構成一對虛擬局域網（VLAN）。相鄰一對VLAN通過網線或者光纖連接。設備A最后一個以太網的收發端口和設備B的收發端口收發互聯。上下兩對以太網接口構成一對VLAN，相鄰VLAN通過網線或者光纖依次連接。設備B最后一對以太網的收發和以太網流量測試儀器的另一個收發端口互聯。設備A配置成主設備，設備B為從設備。設備B從連接設備A的一個輸出端口的接口提取鏈路時鐘，通過設備B的時鐘子系統的一系列變換形成設備B發送鏈路時鐘。設備B通過讀取PHY或者MAC的狀態判斷接入端口是否鎖定上游設備鏈路時鐘；另外，也通過以太網流量測試儀器發送以太網報文進入設備A，并通過一系列的設備端口連接和軟件配置，使得輸出設備A的報文進入設備B，然后最終回到以太網流量測試器的輸入端口，同時在設備B到設備A方向通過以太網流量測試儀器對發反方向報文，這樣可以同時驗證兩個方向在同步以太網模式下端口報文收發情況，報文可采用線速隨機長度報文。通過這些方法可以觀察同步以太網設備運行的同步穩定性。

2.2 同步以太網的時序特性

對于支持同步以太網的設備，其時序特性主要是滿足ITU-T Recommendation G.8262/Y.1362標準中支持2048 kb/s體系EEC-option1選項和支持1544 kb/s體系的EEC-option2選項，符合業務端口輸出漂移最大時間間隔誤差（MTIE）和時間偏差（TDEV）的指標要求。對于輸入端口需要滿足輸入端口漂移容限MTIE和TDEV模板的要求，端口還需滿足抖動方面的標準指標要求[6-8]。滿足這些指標要求便于實現上下游同步以太網設備單元間的互操作性，便于設備間的對接。對于同步以太網設備端口的漂移特性主要是以MTIE、TDEV來表征。MTIE反映信號的頻率偏差和相位的瞬態變化，TDEV反映信號的頻率成分。MTIE是指在采樣間隔τ0，總觀測時間τ=nτ0，測量周期T =（N -1）τ0，時間間隔誤差（TIE）峰峰值的最大值，其中觀測周期包含在測量周期中。

對于同步以太網輸入輸出漂移指標必須符合標準中的模板要求。圖5所示測試環境可以測試同步以太網業務輸出輸入端口漂移最大時間間隔誤差和時間偏差，可以用于業務端口的輸入抖動容限和端口的抖動轉移特性，還可以模擬ESMC狀態測試時鐘狀態切換。不同的測試，儀器需要不同的配置設置。漂移測試需要外接一個高精度的穩定時鐘源。

漂移指標主要包括漂移容限、漂移轉移特性，漂移轉移特性主要是考察設備對輸入漂移的抑制能力。抖動測試主要是測試輸出抖動和輸入抖動容限，測試輸出抖動是否滿足標準要求[9]，測試輸入端口容許的最大輸入抖動，設備正常工作也不告警。

3 結束語

本文通過對同步以太網主從設備同步時鐘鏈路部分的研究和設計，對同步以太網設備的基本功能測試，通過對同步以太網端口漂移、抖動指標等重要指標的測試，可以很好、可靠地實現同步以太網功能，滿足同步以太網設備在網絡中的應用。

參考文獻

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