同步以太网及其时钟

同步以太网及其时钟(2011/6/1314:30)摘要：本文描述了同步以太网的概念，同步以太网的网络结构及同步性能的总体要求。然后，介绍了同步以太网设备(EEC)的时钟规范，网络应用及支持同步以太网的时钟芯片。关键词：同步以太网；同步状态信息；以太网设备时钟前言在电信服务提供商网络向下一代网络的演进中，以太网将逐步取代PDH以及SONET／SDH传输网。因此，在一些要求严格同步的应用(包括无线基站以及TDM电路仿真(CES)设备)中，电信服务提供商将面临如何通过以太网传输高品质时钟同步的挑战。最新的标准解决办法是同步以太网(SvncE)。在SvncE中，以太网采用与SONET／SDH相同的方式，通过高品质、可跟踪一级基准时钟信号同步其位时钟。2006年，国际电信联盟在其G．8261中描述了SvncE概念。2007年，在G．8262中对SvncE性能要求进行了标准化。规定了同步以太网网络设备中使用的时钟的最低性能要求。同步以太网技术广泛用于DSLAM、路由器、MSSP(多业务交换平台)、PON及多业务接入设备，支持通过高带宽。融合同步以太网链路来承载话音、数据、视频和传统业务。1、同步以太网的概念和基准时钟信号的分配方式G.8261定义了分组网中的定时同步网元，规定了网络中所容许的最大抖动和漂移值；分组网边界与TDM接口时需要达到的抖动和漂移容限的最小值；概述了网元实现同步功能的最小要求。提出了两种基准时钟信号的分配方式：网络同步方式(同步以太网)和基于分组方式，解决了分组网特别是以太网的同步问题。1.1方式1：网络同步方式(同步以太网)与现在的SONET／SDH链路一样，同步以太网通过OSI七层协议的第一层即物理层实现网络同步，如图1所示。同步以太网方式称为PRC分配方式(如GPS)或用同步物理层(以太网(E丁Y)，STM—N)的主一从方式。它支持基于网络同步线路码方式的时钟分配，这种方式己广泛地运用到同步TDM网。总体结构从以太交换提供一个物理层时钟到互联功能(IWF)的概念，如图2所示。可跟踪一级基准时钟’(PRC)的定时信号(图2中所示的两个可跟踪一级基准时钟(PRC)的定时信号来自同一个源)，用外时钟接口注入以太交换。然后抽出该信号，在注定时进以太网比特流之前，需经同步功能处理。同步功能提供过滤和所需的保持。在被注入定时信号的网元和IWF问可能存在多个以太交换。在这种情况下，以太交换内的同步功能必需能够从输入比特流来恢复同步即“线路定时”。在部分结构中，网络时钟与业务时钟是不同的。网络时钟网络日寸钟是训练以太交换内同步功能的时钟并且以该时钟的比特率离开以太交换。该时钟注入同步功能是用于同步，即锁到网络时钟。在这种情况下，产生的抖动和漂移必须限制，包括时钟精度、过滤功能、保持性能、产生的噪声等。业务时钟在现存以太网技术中。业务是异步的。在同步以太网中，现存的以太业务将继续以适当的速率映射进或出以太网物理层。1.2方式2：基于分组方式第二类方法是指定时信息由分组承载(即图3所示，发送专用的时戳消息；双向传送定时信息的方法可能是NTP或类似的协议；值得注意的是双向协议还能传送mlN信息)。在某些情况(如计费)，仅此方式可以替代PRC分配方式。基于分组方式及相关的性能有待进一步研究。1.3两种方式的比较方式1：使用以太网物理层；仅能分配同步频率，不能分配同步时间；不会因网络高层产生损伤而受到影响，同步质量好，可靠性高。方式2：与物理层无关；能分配同步频率和同步时间；会受电信网损伤的影响，如分组时延抖动。两种方式的混合应用将构建既能实现频率同步又能实现时间同步的下一代同步网。2、物理层同步以太网的网络结构2.1一级(全国)基准时钟(PRC)位置一个典型的同步以太网结构中，在图4所示的三个位置之一具有PRC。情况A，核心位置：这种结构意味只有少量PRC节点即以PRC为m,b用某种形式分配定时到IWF。情况B，接入位置：PRC将位于网络中的某些点，典型的在多业务接入点。这种结构意味有比情况A更多的PRC节点即以PRC为中心用某种形式分配定时到1wF。情况C，IWF位置：PRC将位于IWF并直接同步连接到IWF，这种结构意味有很多PRC节点即每个IWF有～个PRC。参照图3，提供的同步流是由核心网至IWF。不试图从用户设备往核心网方向分配定时。2.2同步状态信息(1)同步操作和维护OAM功能通过使用OAM协议数据单元(OAMPDU)来实现，由以太帧中的特定头字段识别。QAMPDU是标准的以太MAC帧，但通过长度／类型为慢协议帧(值8809)和子类型(值0x03)两者来识别OAMPDU。编码字段规定OAMPDU帧的类型。编码字段有八种可能的值，特定值(FE)留作组织化特定的扩展。该组织化扩展是位于数据字段的最初三个字节并组成值××，YY，ZZ(这些值由IEEE定义)，剩下39字节用于OAM用户数据，如图5所示。(2)同步状态信息同步状态信息(SSM)对下游以太交换提供确定可跟踪同步分配方案的机制并返回PRC或者利用更高质量的时钟。同步功能将处理SSM。在上游网络故障状态下，同步功能根据SSM和预置的优先权采取适当的操作，选择另一个同步供给。这可能是另一个网络供给或者是外部供给。SSM由G707定义。在同步以太网络中，SSM的使用准则将有待进一步研究。用户数据字段SSM部分的安排见图6。用户数据字段剩下的空位装填充数据。2.3限制同步以太网的抖动和漂移在广域网环境中，限制同步以太网产生的抖动和漂移的方案需要满足抖动和漂移的网络容限。同步以太交换中的同步功能取决于内嵌时钟的性能特性。当该时钟同步到另一个类似的同步以太网时钟或更高质量的时钟时，该时钟应确保出现适当的网络操作。为了与现存同步网的一致，内嵌时钟必须基于G．813SEC(SDH设备时钟)。当这样的同步以太网与G812SSU(同步供给单元)或SASE(独立型同步设备)连接再连接到G．811PRC时，用这样的网络时钟将能保证同步互联，同时也允许现存TDM网与新的分组网之间同步互联。需要指出的是，这些方案不影响现存IEEE802．3的任何特性如频率容差等。在传统SDH同步网中，规定了不同等级的同步时钟，G．811可以认为是一级PRC，G，812可以认为是二级或三级的时钟BITS，G813就是SEC，也是网络中最低的时钟等级。在同步以太网中，也开始考虑组织一个像SDH一样的同步链路。于是就出现了一个新概念：以太网设备时钟(EEC)，G．8262就是定义EEC的一个规范。在同步时钟层次中，SEC和EEC是同等级别，也可以互联互通。3、同步以太网设备3.1新型以太网设备传统的以太网设备处异步工作方式，不需要同步传送功能，同步链路是中断的。新型以太网设备要求具有同步传送功能，同时要求支持lEEE802．3ah。3.2同步以太网设备的时钟规范G．8262规范了同步以太网设备(网元)中时钟的最小要求，包括时钟精度，噪声转移，保持性能，抖动和漂移容限和产生的噪声。规范包含两种可选的同步以太网设备，称EEC—Options1和EEC—Options2。应用EEC—Optionsl的同步以太网设备最好用来与2048kbit／s系列网络互联，而应用EEC—Oiotions2的同步以太网设备最好用来与1544kbit／s系列网络互联。这试图使同步以太网能与现存的同步网进行互操作。此外，还要认真考虑基于EEC—Optionsl的同步以太网设备与基于EEC—Op—tiORs2的同步以太网设备间的互联。G．8262规范了同步以太网设备(网元)中时钟的最小要求。然而，某些同步以太网元可能具有更高质量时钟，规范允许经适当的网络操作，从更高质量时钟来定时。同步以太网设备(EEC)的同步输入，输出接口包含：1544kbit／s，2048kHz，2048kbit／s，STM—N，64kHz，6312kHz，同步以太网等接口。为了支持与现存网络设备的互操作，接13应可选支持SSM。同步以太网设备(EEC)的外同步接1：3包含：2048MHz／2．048Mbit／s，1544MHz／1544Mbit／s，同步以太网等接口。主要是考虑容易从现存基于SDH的同步分配结构升级到未来具有内嵌EEC基于电信级以太网的同步结构。3.3混合SDH／同步以太网设备及应用混合SDH／同步以太网设备具有各种以太网和SDH接口。如图7所示的时钟选择机制“SETS”功能适合该设备。SETG具有G8262(对同步以太网)和G813(对SDH)定义的特性。T4接口仅考虑：至仅考虑北美网络应用，通过T4接13提供网络定时到BITS／SSU。混合SDH／同步以太网设备如图8所示。该图说明了混合网元的设备It3{中(EC)与STM—N接I：11和以太网接13间的定时关系。混合SDH／同步以太网设备同时提供STM—N接口和相关的SDH—VC交叉连接功能与以太网接口和相关的分组交换功能。EEC的时钟性能如同SEC一样，能支持严格的定时分配链路(图9b)。EEC时钟能支持在同步链路任何位置使用混合网元。能支持从任一个类型输入接13到任一个类型输出接口的定时传送。使用以太网接1：3进行定时分配和使用混合网元时，都不需要修改SDH网元或PRC，SSU的部署，即不出现新的SSM编码点的STM—N接口。现在的同步网使用PRC，SSU和SEC。SSU通常是单独的设备。定时信息经SDH网元从PRC传至fJSSU或SSUNSSU。为了可靠，有两个或更多的路由，如图9a)所示。当在传送网中引入分组交换网元时，SDH网元将被分组交换网元取代。重要的是在同步链路取代SDH网元的位置，分组交换网元应接替定时传送功能。这样，就不需更改SSU或PRC。如图9b)所示，有两个同步链路，一个由SDH网元组成(S)而另一个由分组交换网元组成(E)。采用新型混合网元，如图8所示的网元(H)能放在同步链路的任何位置，如图9c)所示。上面H网元用STM—N接口输入，以太网接口输出。下面H网元用以太网接口输入，STM—N接口输出。定时从STM—N到以太网和以太网到STM—N分别传送。3.4同步以太网设备的时钟芯片目前已经有支持同步以太网的多家公司芯片面市。Zarlink也与Marvell公司近日进行了同步以太网互操作性测试。典型的芯片是Maxim公司推出一款可提供全运营级时钟同步的DS3104芯片，采用基于DSP的数字PLL(DPLL)技术。DS3104的关键创新之处在于包含了两路独立的DPLL，可以实现以太网时钟速率和SONET／SDH速率之间的双向频率转换。DS3104具有非常灵活的时钟I／O功能。器件可提供八路时钟输入，并且各路输入均可以被分配到两路内部DPLL中的任意一个。器件持续监控所有输入的品质，并且可以根据配置的标准自动筛选。8路时钟输入可接收所有常见电信时钟速率，包括2kHz、8kHz、DSl、E1、DS2、DS3、E3、0C一3Nxl9．44MHz，以及全部以太网M¨时钟速率(包括25MHZ、125MHz以及15625MHzo时钟输入还可以接收2kHz的倍频(最高至77．76MHz)以及8kHz的倍频(最高至155．52MHz)，使输入与其他各种工业时钟，包括13MHz和3072MHz基站时钟以及来自GPS接收器的10MHz时钟兼容。DS3104的DPLL可以直接锁定至各种常用的电信频率。DPLL还可以通过输入分频器锁定到直接锁定频率的整数倍。DPLL带宽可编程为1Hz至600Hz，并且具有多种阻尼系数。主DPLL可以选择采用相位构建技术，当主系统时钟失效时，可以无过；中切换至次系统t,1-4中。这种情况下，即使器件通过没有温度补偿的廉价晶振同步，输出时钟相移通常低于纳秒。主DPLL具有精确的数字保持模式，当系统时钟基准失效或者没有接入时用于维持输出t,14中。DS3104可以同时产生总共七路输出时钟频率，加上2kHz和8kHz的帧脉；中。各路输出时钟可以被锁频至任意一路DPLL，实现最大的灵活性。对于SONET／SDH／Svn