應用于精確網絡時鐘同步的新型傳輸技術研究

金利忠 羅 鑒

(中興通訊股份有限公司 江蘇 南京 200336)

應用于精確網絡時鐘同步的新型傳輸技術研究

金利忠 羅 鑒

(中興通訊股份有限公司 江蘇 南京 200336)

在MPLS網絡中提供時鐘同步，是當前基于MPLS/MPLS-TP的傳輸網絡的重要功能。經過對IEEE1588v2精確時鐘協議的研究，創造性地提出了“中心分支多點標簽交換路徑”HSMP LSP(Hub Spoke Multipoint LSP)。通過HSMP LSP承載IEEE1588v2協議，與使用普通點到點或者點到多點LSP進行承載相比，在保證相同的時鐘同步精度要求下，能夠更加高效地利用網絡帶寬資源。

標簽交換路徑 MPLS P2MP LSP HSMP LSP

0 引 言

在基于MPLS/MPLS-TP的移動回傳網絡中，基于IEEE1588v2[4]的時鐘同步協議，需要通過MPLS LSP進行傳輸，從而完成基站與時鐘服務器之間的時鐘同步，如圖1所示。

圖1 基于MPLS/MPLS-TP移動回傳網絡

IEEE1588v2定義了兩種時鐘模式，即邊界時鐘模式BC(Boundary Clock)和透明時鐘模式TC(Transparent Clock)。其中透明時鐘模式可以提供比邊界時鐘模式更加精確的同步性能。透明時鐘有兩種類型，即端到端的透明時鐘模式和點對點的透明時鐘模式。

點對點透明時鐘模式，需要獲取節點之間的鏈路延時，以進行時間修正。假設在PTP Master(Precision Time Protocol Master)與PTP Slave(Precision Time Protocol Slave)之間有一條路徑，時鐘同步報文可以傳送到PTP Slave。通過對鏈路延時的計算，沿途每個節點可以對PTP Sync報文進行時間修正，從而在PTP Slave端可以得到PTP Sync的處理時延。PTP Master節點為了將相同的PTP Sync報文發送到各個PTP Slave節點，目前普遍的做法是通過在PTP Master與多個PTP Slave之間建立點到點的LSP路徑進行報文的傳輸。

同時，PTP Slave也需要回復Delay Request報文給PTP Master。根據IEEE1588v2的時鐘同步原理，Delay Request報文的路徑需要與PTP Sync報文的路徑相同，并且只能發送給PTP Master節點。

當前IETF定義了IEEE1588 over MPLS技術[3]，通過使用點到多點LSP技術來傳輸PTP Sync報文，可以大大提高網絡的帶寬利用率，而不需要建立多條點到點的LSP進行報文的傳輸。然而，當前的點到多點LSP只提供從根節點到葉子節點的單向路徑，從而無法保證葉子節點在發送Delay Request報文時，與PTP Sync報文同路徑。

根據IEEE1588v2的時鐘同步原理，要求IEEE1588v2的PTP Sync報文與Delay Request報文來回同路徑，從而保證時延的對稱性。這就要求承載時鐘同步的網絡提供的傳輸能力，包括：

(1) 報文雙向路徑相同；

(2) 路徑需要有帶寬保證；

(3) 路徑需要有可靠的QoS保證。

本文基于上述網絡要求，提出了“分支中心多點LSP”來完成1588v2時鐘同步報文的承載，從而達到了：

(1) 通過PTP Sync報文的點到多點路徑傳輸，提高了網絡的帶寬利用率；

(2) 通過“分支中心多點LSP”的上游路徑，進行Delay Request報文傳輸，保證了雙向同路徑；

(3) 通過采用LDP(Label Distribution Protocol)協議建立“分支中心多點LSP”，可以靈活動態適應網絡拓撲的變化；

(4) 通過采用RSVP-TE(Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering)協議建立支持DS-TE (DiffServ Aware Traffic Engineering) 功能的“分支中心多點LSP”，為1588v2協議的承載提供了帶寬和QoS的保證。

1 技術原理

本文提出的“分支中心多點LSP”HSMP LSP，其特點是由一個根節點和若干個葉子節點組成。根節點沿著P2MP LSP (Point-to-Multipoint LSP) 路徑，稱為下游路徑，將數據報文發送給各個葉子節點。葉子節點沿著上游P2P LSP路徑，將數據報文發送給根節點。HSMP LSP路徑由下游P2MP LSP路徑與上游P2P LSP路徑組成，其中下游P2MP LSP路徑與上游P2P LSP路徑是相同路徑。

如圖2所示，給出了IEEE1588v2報文沿著HSMP LSP進行傳輸的例子。Master節點連接R2，R2作為HSMP LSP的根節點，R1與R3為葉子節點，分別連接著Slave_1與Slave_2節點。Master節點將PTP Sync報文發送給R2，由R2沿著HSMP LSP的下游路徑發送PTP Sync報文給R1與R3。隨后，R1與R3分別把PTP Sync報文發送給Slave_1與Slave_2節點。當Slave_1與Slave_2節點收到PTP Sync報文后，回復Delay Request報文給Master節點。R1與R3分別收到Slave_1與Slave_2節點發送的Delay Request報文，將Delay Request報文沿著HSMP LSP的上游路徑發送給R2節點，隨后R2節點將Delay Request報文發送給Master節點。

圖2 HSMP LSP承載時鐘同步協議

如果每一個Slave節點收到PTP Sync報文后，同時進行Delay Request報文的回復，必然會加大上游路徑的帶寬壓力。為了避免所有的Delay Request報文在上游路徑上搶占相同的帶寬和QoS資源，每一個Slave節點需要根據Slave_ID進行一定的延時，然后沿著上游路徑發送Delay Request報文，其中Slave_ID是一個全網唯一的標識符，可以為IP地址。延時時間計算公式如下：

Tdelay=Random(Slave_ID) ×Tmax

其中，隨機函數Random()∈ [1, 0]，Tmax是最大允許時延。

根據IEEE1588v2協議，隨后Master節點將發送DelayResponse報文給各個Slave節點，這由其他點到點的路徑連接傳輸完成，而不再通過HSMPLSP的下游路徑完成。

從上述分析可以看出，通過HSMPLSP承載IEEE1588v2協議，滿足了IEEE1588v2協議的承載要求，即PTPSync和DelayResponse報文雙向同路徑，滿足了帶寬和QoS保證等。同時，由于采用了類似P2MPLSP的組播方式承載PTPSync報文，大大提高了網絡的帶寬利用率。

2 基于LDP的HSMP LSP建立

IETF已經標準化了基于LDP的P2MPLSP[7-8]，實現了點到多點的MPLS標簽傳輸路徑。本文使用LDP協議建立的HSMPLSP，通過路由協議的動態調整，能夠在網絡拓撲變化的時候，自動進行路徑重建和恢復。下面簡要描述基于LDP的HSMPLSP的建立原理。

如圖3所示，網絡由5個節點組成，分別為P1、P2、P3、P4和P5，P1作為HSMPLSP的根節點Root，P3、P4和P5作為HSMPLSP的葉子節點，分別標識為LeafA、LeafB和LeafC。P2節點為中間傳輸節點，即Transit節點，完成下游路徑的報文復制，以及上游路徑的報文匯合。

圖3 基于LDP的HSMP LSP網絡

HSMPLSP是由各個葉子節點首先觸發建立。

(1)LeafA獲知其要建立到根節點Root的HSMPLSP，于是查找本地路由表，得到達到Root節點的下一跳，即中間節點Transit，也是其上游節點。然后發送標簽映射消息LM(LabelMapping)給Transit節點，其中消息攜帶下游路徑DFEC(DownstreamForwardingEquivalenceClass)，簡寫為D(其中x為Root節點的IP地址，y為HSMPLSP標識符)，以及標簽L1。

(2)Transit節點收到此標簽映射消息后，由于本地還沒有收到來自Root方向的標簽映射消息，所以首先需要發送標簽映射消息到其上游節點。同樣根據路由協議尋找到達Root節點的上游節點。在圖2的拓撲中可以看出，Root節點本身即為上游節點。于是發送標簽映射消息給Root節點，其中消息攜帶下游路徑DFEC為D，以及標簽L3。

(3)Root節點收到此標簽映射消息后，發現FEC為D，其中x為其自身，所以認定自己為根節點，于是發送標簽映射消息給下游節點，即Transit節點，其中消息攜帶上游路徑UFEC(UpstreamFEC)，簡寫為U(其中x為Root節點的IP地址，y為HSMPLSP標識符)，以及標簽L4。Root節點建立如下標簽轉發表：① 從客戶接口收到數據流，封裝L3標簽，發送給下游節點；② 從下游節點收到標簽為L4的報文，發送數據流到客戶接口。

(4)Transit收到此標簽映射消息后，發送標簽映射消息給其下游節點LeafA，其中消息攜帶上游路徑UFEC為U，以及標簽L2。Transit節點建立如表1所示的下標簽轉發表。

表1 標簽轉發表

(5)LeafA節點收到Transit的標簽映射消息后，建立如下標簽轉發表：① 從客戶接口收到數據流，封裝L2標簽，發送給上游節點；② 從上游節點收到標簽為L1的報文，發送數據流到客戶接口。

(6)LeafB獲知其要建立HSMPLSP到根節點Root，于是查找本地路由表，得知到達Root節點的下一跳，即中間節點Transit，也是其上游節點。然后發送標簽映射消息LM給Transit節點，其中消息攜帶下游路徑FEC為D，以及標簽L5。

(7)Transit節點收到LeafB的標簽映射消息后，發現其已經收到過上游節點，即Root節點發送過的標簽映射消息，于是直接發送標簽映射消息給其下游節點LeafB，其中消息攜帶上游路徑UFEC為U，以及標簽L2(Transit向所有下游節點發送相同的標簽L2)。Transit節點更新標簽轉發表，如表2所示。

表2 標簽轉發表

(8)LeafA節點收到Transit的標簽映射消息后，建立如下標簽轉發表：① 從客戶接口收到數據流，封裝L2標簽，發送給上游節點；② 從上游節點收到標簽為L5的報文，發送數據報文到客戶接口。

上述過程如圖4所示，其中，LM[D,L1]表示標簽映射消息，DFEC為D (x為root節點地址，y為LSP標識符)，標簽為L1。

圖4 基于LDP的HSMP LSP建立

3 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

基于LDP建立的HSMPLSP不能提供帶寬和QoS的保證，而設計基于RSVP-TE的HSMPLSP，正是用來解決此問題。IETF已經標準化了基于RSVP-TE的P2MPLSP[6]，實現了點到多點的MPLS標簽傳輸路徑，我們在此基礎上進行了技術擴展。

仍以圖2為例，P1作為HSMPLSP的根節點Root，P3、P4和P5作為HSMPLSP的葉子節點。P2節點為中間傳輸節點Transit節點，完成下游路徑的報文復制，以及上游路徑的報文匯合。基于RSVP-TE的HSMPLSP建立步驟如下：

(1) 基于RSVP-TE的HSMPLSP是由根節點Root首先觸發的。根據RFC4875[6]所描述的機制，Root節點將發送攜帶source-to-leaf(S2L)對象的Path消息給其下游節點Transit，其中S2L對象攜帶了到達LeafA與LeafB的路徑。同時Path消息攜帶RFC3473[5]所定義的Upstream_Label對象，上游標簽為L1。

(2)Transit節點收到Path消息后，根據S2L對象，得知需要將Path消息分別發送給LeafA與LeafB，同時攜帶Upstream_Label對象，上游標簽為L2。

(3)LeafA與LeafB分別收到各自的Path消息后，向上游節點，即Transit節點回復RSVPReserve消息，分別攜帶標簽L3和L4。LeafA與LeafB建立如下標簽轉發表：① 從客戶接口收到數據流，封裝L2標簽，發送給上游節點；②LeafA與LeafB從上游節點分別收到標簽為L3和L4的報文，發送數據報文到客戶接口。

(4)Transit節點收到分別來自A和B的兩個RSVPReserve消息。假設首先收到來自LeafA的RSVPReserve消息，于是發送RSVPReserve消息給上游節點Root，攜帶標簽L5。當收到來自LeafB的RSVPReserve消息后，由于其已經向上游發送過RSVPReserve消息，所以不需要額外操作。這時形成的標簽轉發表如表3所示。

表3 標簽轉發表

(5)Root節點收到Reserve消息后，建立如下標簽轉發表：① 從客戶接口收到數據流，封裝L5標簽，發送給下游節點；② 從下游節點收到標簽為L1的報文，發送數據流到客戶接口。

上述過程見圖5所示，其中，UL為上游分配的標簽。

圖5 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

4 HSMP LSP的應用

HSMPLSP除了在IEEE1588v2時鐘同步領域的應用外，還可以應用于其他諸多領域。例如，應用HSMPLSP進行P2MPLSP的保護，在某個葉子節點的下游客戶鏈路出現故障時，可以通過HSMPLSP的上游路徑，將葉子節點的故障情況匯報給根節點，從而由根節點進行HSMPLSP的保護切換。

HSMPLSP還可以應用于IPTV領域。對于IPTV的接入網，往往是Hub-Spoke的網狀結構，當使用P2MPLSP進行組播分發前，葉子節點卻沒有路徑將收到的IGMP消息發送給根節點。而采用HSMPLSP進行IPTV網絡部署，則葉子節點可以將收到的IGMP消息通過上游路徑發送給根節點，從而完成組播的加入過程。

在VPLS組播網絡中，同樣可以利用HSMPLSP進行PE之間的LSP連接建立，其中下游路徑用來進行組播分發，而上游路徑用來進行單播轉發，這可以大大減少VPLS組播網絡LSP建立的總數量。

HSMPLSP同樣可以應用于P2MPLSP的單向延時測量，通過上游路徑，將延時測量結果反饋給根節點，從而可以進行延時的計算。

5 國際標準化

IETF(國際互聯網工程任務組)是全球互聯網標準化的最權威組織。本文的主要成果之一，基于LDP的HSMPLSP建立機制，已經向IETF提交了標準文稿，并且已經正式發布為RFC7140[1]。基于RSVP-TE

的HSMP LSP建立機制，也通過IETF提交了標準draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp[2]，并且已經被IETF的MPLS工作組接受為工作組文稿。

6 結 語

通過使用HSMP LSP進行IEEE1588v2協議的承載，既高效利用了網絡帶寬資源，又達到時鐘同步的精度要求。同時，HSMP LSP作為一種新型的LSP，已經被IETF正式標準化。在可預見的未來，HSMP LSP會被應用到更加廣泛的領域。

[1] Jin L,Jounay F,Wijnands I,et al.LDP Extensions for Hub & Spoke Multipoint Label Switched Path[R].RFC7140,2014.

[2] Jin L,Jounay F,Bhatia M,et al.Hub and Spoke Multipoint Label Switched Path Tunnels[R].draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp-04,2013.

[3] Davari S,Oren A,Bhatia M,et al.Transporting Timing messages over MPLS Networks[R].draft-ietf-tictoc-1588overmpls-03,2013.

[4] IEEE Instrumentation and Measurement Society.IEEE Std 1588TM-2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2008.

[5] Berger L.Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Signaling Resource ReserVation Protocol-Traffic Engineering (RSVP-TE) Extensions[R].RFC 3473,2003.

[6] Aggarwal R,Papadimitriou D,Yasukawa S.Extensions to Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering (RSVP-TE) for Point-to-Multipoint TE Label Switched Paths (LSPs)[R].RFC 4875,2007.

[7] Wijnands I J,Minei I,Kompella K,et al.Label Distribution Protocol Extensions for Point-to-Multipoint and Multipoint-to-Multipoint Label Switched Paths[R].RFC 6388,2011.

[8] Roux J L L,Morin T.Requirements for Point-to-Multipoint Extensions to the Label Distribution Protocol[R].RFC 6348,2011.

RESEARCH ON NEW TRANSMISSION TECHNOLOGY FOR PRECISE TIMING SYNCHRONIZATION

Jin Lizhong Luo Jian

(ZTECorporation,Nanjing200336,Jiangsu,China)

Providing IEEE1588v2 time synchronization is one of the most important functions in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP. After analyzing the precise timing protocol IEEE1588v2, a new type of LSP, named hub spoke multipoint LSP (HSMP LSP) is put forward. Compared with the transportation with P2P or P2MP LSP, time synchronization with HSMP LSP could provide higher bandwidth usage efficiency in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP.

Label switched path MPLS P2MP LSP HSMP LSP

2015-09-28。金利忠，工程師，主研領域：網絡與交換技術。羅鑒，工程師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.023