以太网的时钟同步技术（精选3篇）
以太网的时钟同步技术 第1篇
随着网络技术的发展, 工业以太网技术日趋成熟并逐渐在工业自动化控制领域得到广泛应用。这种分布式控制网络对异步通信的实时性和确定性要求也越来越严格。
1设计目的
传统以太网的介质访问控制协议 (CSMA/CD) 有无法预见的延迟特性, 网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权, 难以满足分布式控制网络的实时性、确定性要求, 一直被视为非确定性的网络。一种新的方法就是在以太网微网段内, 通过一种通信调度管理机制, 按宏周期进行时分方式通信。在宏周期内每个设备都有周期报文发送时间片, 同时也可根据突发信息发送非周期报文, 这样就保证了网络通信的确定性、实时性、准确性。因此网络上必须有统一的时钟, 才能保证设备按照准确的时间发送报文。然而, 很多工业现场环境比较恶劣, 由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化等原因, 多数设备的时钟不准确, 随着时间的推移设备间的时钟偏差不断累积, 无法保证通信的确定性、实时性、准确性。
因此控制网络的“精确时钟同步”成为必须解决的问题, 才能保证网络上数据发送遵循严格的时序。目前只有少数的现场总线或其他专有的解决方案能够达到循环时间小于1ms的要求。为此我们提出了基于可配置的32位Nios II嵌入式软核处理器系统的工业以太网精确时钟同步解决方案。
2设计方法
2.1硬件设计
设计中采用了Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240C8芯片, 内嵌32位RISC软核处理器NIOS II。芯片上包含了用于调试的JTAG接口、定时器、片内外设和存储器以及与片外存储器和外设相连的接口等, 它们之间通过Avalon总线连接在一起构成基于该总线的SOPC系统架构。Avalon总线是Altera公司开发的一种总线体系结构, 用来将处理器和周边设备集成到SOPC中, 并规定了主设备和从端口的端口连接方式的时序关系。如图1所示。
存储部分:片上RAM主要用于CPU快速存取, SDRAM主要在程序调试过程中暂时保存程序代码, 通过JTAG口将程序下载进去, 片外Flash里保存调试成功的程序代码, 系统上电后自动装载运行。通用接口:I/O口连接状态灯以及用于系统复位等按钮;串口UART1连接蓝牙芯片或现场设备采集现场数据;串口UART2连接上位机, 实现上位机的监控功能。定时器, 为上层软件精确时间同步算法提供时钟中断。网络接口, 采用了SMSC公司支持10/100M全、半双工传输的LAN91C111快速以太网控制器芯片。
2.2软件设计
Nios II核基础上的软件架构是一种“洋葱”式层次关系, 每一层都对该层的实现细节进行了封装, 为外面一层提供数据抽象, 如图2所示。
对于Nios II处理器, HAL (硬件抽象层系统库) 为底层硬件提供了器件的驱动程序, HAL应用程序接口 (API) 和ANSI C标准库集成在一起, HAL API允许用户使用熟悉的C库函数 (如printf、fopen、fwrite) 来访问设备和文件。当使用SOPC Builder创建一个硬件系统后, Nios II IDE (基于Nios II处理器的软件开发环境) 就可以创建一个典型的HAL系统库来匹配硬件配置。而且HAL抽象在应用程序与设备驱动软件之间, 从而提高了上层应用程序不受底层硬件改变影响的重用性。
在HAL API之上移植uC/OS-II和Lwip分别作为实时操作系统和以太网数据包解析协议。首先由lwip_stack_init () 和lwip_devices_init () 两个函数进行堆栈初始化和所有外设驱动的初始化, 再调用函数sys_thread_new () 创建使用套接字API与IP栈对话的新任务, 程序中使用Lwip网络服务的任务都由sys_thread_new () 创建。精确时间同步服务利用sys_thread_new () 函数创建Ptp_Task () 任务, 来完成四个精确时间戳获取、同步算法和时钟校准等工作。
2.3时间同步
2.3.1 状态转移算法
在网络上首先通过主时钟竞争算法选出主时钟, 接着以主时钟为标准, 其他从时钟进行本地时钟的校准;运行过程中如果有新的设备上线或者原来的主时钟出现故障而不能发送同步报文, 网络的所有时钟又会重新竞争主时钟, 直到选出新的主时钟。
如图3所示设备上电后首先进入侦听状态, 侦听网络上的同步报文, 如果此时收到同步报文, 则比较同步报文的源端IP和本地IP, 如果源端IP都大于本地IP, 设备就从侦听状态转到主时钟状态;如果有源端IP小于本地IP, 设备则转成未校准状态, 等待同步;为了防止设备长期处于侦听状态, 设定侦听定时器, 如果超时没有收到同步报文, 设备就自动从侦听状态转为主时钟状态。当设备处于主时钟状态, 如果收到同步报文且源端IP小于本地IP, 则转成未校准状态。当设备处于从时钟状态, 如果收到同步报文且源端IP小于本地IP, 则自动转为未校准状态等待同步, 但如果在规定的时间内还没有收到同步报文, 定时器超时就会自动将自己转成主时钟状态。设备不是始终处于未校准状态, 它在等待同步, 当收到同步报文就进行时钟校准, 完成同步后从未校准状态转到从时钟状态;另外它还在做未校准状态的超时检测, 如果超过规定的时间, 强行初始化, 然后自动转换为侦听状态。
2.3.2 同步过程
当主时钟被选择出来后, 首先调用同步报文发送函数SyncOutput () 初始化并构造同步报文, 然后调用套接字接口函数sendto () 将报文交由Lwip协议栈处理, 最终经PHY层发送至网络上, 同时在MAC层网卡驱动发送队列处记录发送时间戳TM1;接着调用跟随报文发送函数FollowUpOutput () 初始化并构造跟随报文并将TM1附在报文中, 再调用sendto () 将报文发送出去, 然后等待从时钟的延迟请求报文。从时钟接收到同步报文时在网口驱动接收中断里记录时间戳TS1, 报文经Lwip协议处理后由套接字接口函数recvfrom () 接收, 然后判断接收的是哪种报文, 若是同步报文则取出报文序号, 等待同样序号的跟随报文;若是跟随报文, 则调用函数FellowUpInput () 对报文解包, 取出时间戳TM1。然后调用DelayReqOutput () 函数初始化并构造延迟请求报文, 交由套接字函数sendto () 将报文发送出去, 并在MAC层记录发送时间戳TS2。主时钟收到延迟请求报文时在接收中断里记录时间戳TM2, 然后再调用函数DelyaRspOutput () 初始化并构造延迟请求响应报文, 并将TM2附在报文中发送给从时钟。如图4所示。
当从时钟收到延迟请求响应报文时从中取出TM2, 从时钟根据四个时间戳计算物理线路上的延迟 (Delay) :
Delay1=TS1-TM1+Offset (1)
Delay2=TM2-TS2+Offset (2)
在物理线路上假设同步报文 (Sync) 和延迟请求报文 (DelyaReq) 的传输时间是相等的, 即
Delay1=Delay2 (3)
这样就有:Delay= (Delay1+Delay2) /2 即:
Delay= (TS1-TM1+TM2-TS2) /2 (4)
然后再由 (1) 式和 (3) 式容易得出时钟偏差 (Offset) :
Offset= (TS1-TM1) -Delay (5)
这样从时钟根据Offset的值修正本地时钟, 达到与主时钟同步。
2.4算法改进
图5显示了同步测试结果, 图中X轴表示时间 (秒s为单位) , Y轴表示主时钟和从时钟的偏差。从图5可以看出, 每次同步后设备的偏差逐渐呈一定的斜率进行变化, 在主时钟发送同步报文进行同步的时刻, 从时钟时间发生了跳变, 同步偏差明显变小。理论上每次同步完毕后主、从时钟偏差应当近似为0, 但实际上达不到。造成这种偏差的原因是在计算时假设Sync报文和DelayReq报文在线路上传输的线路延时是相等的, 而实际上当网络上的数据流量很大时, 报文传输延迟是不相等的, 这样计算出来的Delay值就是不准确的。为了最大限度的减少这种计算误差, 采用取Delay平均值的方法, 即用下式:
这里的i是同步次数, 每次同步都取前面所有Delay的平均值。
3测试结果及方案应用
3.1测试结果
通过以上算法改进后, 同步的精度得到了改善。表1所示为改进前后的PTP同步测试结果, 改进算法前最大时钟偏差为91.312微妙, 而改进算法后最大时钟偏差为21.567微妙 (测试过程中, 上位机每100ms采样一次) 。从结果可以看出, 同步精度在原来的基础上有了比较明显的改善。
3.2方案的应用
我们将该方案应用在工业以太网实验平台上, 并且进行了长期的实际运行。该实验平台模拟了一个工业现场控制网络系统 (如图6所示) , 设备在各自时隙里有序地收发数据包, 有新设备上线或原设备下线, 经过短暂自动更新, 系统重新进入稳定状态。
4结束语
本文主要致力于Nios II软核处理器在嵌入式系统开发领域的研究, 通过在工业以太网精确时钟同步中的应用, 从硬件的设计到软件的设计体现出了集成了Nios II软核和各种可配置IP核的FPGA芯片在设计上的灵活性, 节省了硬件资源, 可进行现场编程和系统升级。在软件上我们采用了uC/OS-II和Lwip的内部结合和外部分层封装, 用套接字网络编程, 实现了类似Linux内核中的部分网络功能。在主时钟选择上, 我们采用一种简化的IP地址比较状态转移算法, 使得整个网络可以更加快速地选出主时钟, 迅速进入稳定状态。在同步算法方面, 引入了Delay平均化处理, 使得同步精度得到了显著的提高。并且将该设计方案引入到网络中, 通过了实际运行和测试。
参考文献
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以太网的时钟同步技术 第2篇
讨论了星际激光通信中脉冲位置调制技术中的时钟同步方案。脉冲宽度调制方案旨在实现信噪比约束下的最大数据传输速率。时钟同步是脉冲宽度调制的核心技术，利用统计鉴相机制实现调制和解调端的时钟同步。本文在深入分析激光通讯时钟同步方案的基础上，建立了时钟抖动的数学模型，并在此基础上分析了数据传输速率与时钟同步的权衡关系，对激光通讯系统设计具有一定的指导意义。
关键词：
PPM； 激光通讯； 数据传输； 时钟同步
中图分类号： TN201 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.017
Clock synchronization technology on interstellar high
speed laser communication
ZHANG Bin
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of
Sciences， Changchun 130033， China）
Abstract：
Clock synchronization technology of pulse position modulation（PPM） modulation is discuss in this paper. The main target of PPM modulation scheme is to gain the fastest data transition speed. Clock synchronization plays an important role in the PPM modulation scheme. Statistic phase detection technology is used in the clock synchronization to achieve the timing requirement between modulation and demodulation. The theory model about clock jitter is provided， and its influence with PPM modulation parameters is discussed. The relationship between clock synchronization and data stream timing requirement is provided. The analytical results have some guidance which is significant to the interstellar high speed laser design.
Keywords： PPM； laser communication； data transition； clock synchronization
引 言
激光通信与射频通信相比，激光通信在2.76 AU或更远的通信距离的高数据率信息传输的应用上具有很大的潜力[1]。在相同的通讯速率下，激光通讯设备质量更轻，有利于建立有效载荷的成本。 假设传输距离为2.67 AU，码速率要求为1 Gbit/s时，RF设备的质量需为100～175 kg，而光学终端则为42 kg。于此同时采用光通信的设备所需功耗明显比射频设备更低。因而激光通讯技术成为发达国家研究的热点之一。
欧空局针对激光通讯技术的SILEX计划是启动较早的卫星间激光通讯链路科研项目[2]。实验装置由两个激光通信终端组成，终端之一搭载在法国地面观测卫星SPOT4（低轨卫星）上，另一个终端搭载在欧空局的通信卫星ARTEMS（地球同步轨道卫星）上。SILEX计划的目的是完成在轨激光通信试验，以及执行一项由SPOT4卫星的地球观测数据至ARTEMS卫星的基本传输任务，再将此数据由ARTEMS卫星的Ka波段馈路传播至地面站。
日本高级无线通信组织NeLS研究中心也积极致力于激光通讯技术的研究，其激光通讯研究项目的目标是开发全球多媒体移动卫星通信服务，使掌上设备的通信速率达到2 Mbit/s[3]。NeLS研究中心设计了具有完整激光通信发射机，该设备将测量到的任务数据存储在任务处理器的存储器里，并利用X波段发射机并通过星载处理器向外传输，通过改装后的通信异频雷达收发机传回地面站。该设备已经成功搭载于SmartSat1a卫星上，并实现了速率为2.488 Mbit/s的光信号卫星地面站数据通讯实验。
OICETS是日本空间探测局研制的星际间通信工程测试卫星[45]，工作于轨道高度610 km、倾角97.8°的近地太阳同步轨道。2005年12月9日，首次成功建立了OICETS与ARTEMIS卫星之间的双向激光通信链接。从2005年12月开始，在为期6个月的时间内成功地进行了星间激光通信演示验证试验，试验次数超过100次。试验中，对捕获程序、跟踪性能和误码率进行了测试与统计，结果表明捕获概率超过90%，误码率小于10-6。2006年3月底，利用日本NICT光学地面站进行了星地之间的激光通信试验，并于3月28日地面站首次接收到了下行数据，数据误码率为10-5。在试验期间，多次重复并成功建立起光学链路。
美国NASA研究中心启动火星激光通信演示验证（MLCD）项目[6]，旨在距离变化范围在0.7～2.4太空单位，MLCD系统将以1～30 Mbit/s的速率从火星MTO轨道发送实验数据和遥感数据，并从地球向火星将以1～75 bit/s的低速率传送数据。光学链接演示验证设备已经于2010年8月成功到达火星后持续运作一年，成功建立数据链路。
激光通信最基本的核心技术是脉冲位置调制（PPM）技术，PPM技术能够获取能量峰均差较大的激光。时钟同步技术又是脉冲调制技术的核心，用以实现发射机与接收机的时钟的精确对准。本文首先讨论了采用脉冲宽度调制（PPM）情况下的时钟同步方案，推导了该方案下相位噪声与带宽的定量关系，并进一步讨论了时钟同步需求与传输速率的权衡关系。运用该理论以火星激光通信为例讨论了时钟同步方案的设计，为激光通讯技术研究提供一定指导意义。
1 激光通讯中时钟同步方案
脉冲位置调制方式可以有效将单位时间的平均激光功率降低为峰值功率的1/M，从而提高激光光源的使用寿命。引入数据重复虽然将编码长度降低为原来的1/P，但是经过数据处理可以通过将重复的单位数据时隙相加，从而等效的数据光功率变为原来的P倍。如果激光光源的平均功率为λs，则等效峰值脉冲激光功率为M*P*λs，如果背景杂光功率为λb，则等效的信噪比比起其他的调制方式来说提高了M*P倍。这样即便在白天，背景杂光功率很强的情况下，也能很好地完成数据传输。
激光通讯时钟同步方案如图1所示，在激光通信中采用插入同步帧的方式进行同步，传输协议分为数据帧和同步帧，每S帧插入一个同步帧，数据帧和同步帧都由M个时隙组成，每个时隙占有D个时钟周期。每个数据采用重复P次的编码方案，单位数据时隙长度为N。
同步帧主要用于完成高速时钟恢复，同步帧的插入利用了统计鉴相机制可以有效的实现高速的数据传输。在某个时隙位置插入同步光脉冲，如果时钟不同步引发时隙的偏移，则会使得同步光脉冲偏移到邻近的时隙中，通过对同步时隙以及前后一个时隙的光子计数，可以定量的得到同步脉冲的偏移量；对一定积分时间的多个同步帧进行统计，可以得到准确的同步脉冲偏移量，用这个同步脉冲偏移量作为锁相环路的鉴相器件，可以采用锁相技术得到准确的时钟同步。
采用脉冲宽度调制的激光通信方案中的多个系统参数需要权衡数据传输速度与同步需求之间的矛盾，例如帧时隙长度M增加，可以提高单位时间的编码长度，但是也会减少同步光脉冲的长度从而增加了统计鉴相机制所带来的相位噪声，进而增加了脉冲的抖动。建立准确的时钟抖动计算模型，并准确的表达出各种系统参数与同步需求的关系对于激光通讯系统设计至关重要。
2 激光通信的时钟抖动数学模型
激光通信时钟恢复电路主要有光子计数器、统计鉴相器、数字滤波器以及压控振荡器，其系统框图如图2所示。其中光子计数器由高灵敏度雪崩二极管阵列组成，可以测量出单位时隙的光子数量。统计鉴相器通过统计一定积分时间内的同步帧中同步时隙与其前后时隙的光子计数的比来计算相位偏差。数字滤波器可以提高锁相环路的时域锁相性能，减少相位锁定的时间和提高锁相精度。压控振荡器用于产生用以与输入光脉冲序列相比较的参考时钟序列，鉴相器得到相位偏差可以调节压控振荡器输出的参考时钟序列的相位从而实现精确的锁相功能。 时钟恢复电路的时钟抖动与三部分噪声源有关，第一部分是由光子计数器带来的相位噪声，第二部分是由鉴相器统计误差带来的相位噪声，第三部分是由压控振荡器带来的相位噪声。可以根据近似的线性传递函数模型计算输出总的相位噪声。
式中：G（f）为开环传递函数，它是鉴相器、环路滤波器与压控振荡器传递函数的乘积，是2型传递函数，具有零点ωz和极点ωp。下面分析各个噪声源的相位噪声谱从而推导时钟抖动与各种系统参数之间的关系。
2.1 光子计数器的相位噪声
盖革雪崩二级管是一类工作于盖革模式的雪崩光电二级管，其工作电压在击穿电压之上可实现单光子的灵敏检测。在弱光背景条件下，光子事件可以认为服从泊松分布，认为光子计数过程和暗计数过程分别服从λ的泊松过程，其中λ为单位时间的平均光子数。在激光通信过程假设从0时刻开始光子脉冲，λ=M*λs，则光子数目达到k的时刻t符合Γ分布，其方差可以表示为kλ2。 如果光脉冲的抖动时间T0定义为光子计数达到λ*T0/2的时刻，其方差（rms）可以表示为：
采用了火星激光通信演示项目中的一些基本参数，可以绘制时钟同步与传输速率关系曲线，如图3所示。图中实线为使用这些参数做出了时钟抖动约束曲线，虚线为信噪比所约束的最高传输速率。从图中可以看到1/S，M，τ三种参数越小越有利于数据传输，即插入更多的同步帧，选择更长的编码时隙，选择更长的鉴相器积分时间等。而A和Ntel两个参数越大约有利于数据的传输，即更低的压控振荡器相位噪声和采用少数量的望远镜阵列。但是考虑到编码传输速率以及制造成本等要求，很多参数需要进一步进行权衡：
（1） 增加M和1/S，从传输速率的公式R，增加插入同步信号的频率会减少数据编码传输速率。
（2） 增加τ，若积分时间超过一定的限度则必须考虑采样对时钟恢复电路的影响，因为这时系统不能看成连续系统而需要考虑离散采样对系统稳定性的影响。
（3） 增加Ntel，意味着将大口径望远镜换成多个小口径望远镜阵列，即可以减轻制造成本，因此实际数据传输速率的提高，会影响时钟抖动和极限传输速率。
因而激光通讯脉冲调制技术需要协调多方面的设计要求，达到数据传输速率、时钟同步需求的最优设计。
4 结 论
本文建立了激光通讯脉冲调制方案中时钟抖动的详细数据模型，以美国火星实验计划的相关数据为依据讨论了激光通信的技术难点，协调数据传输速率和激光通信的脉冲抖动的矛盾，推导了传输速率和时钟同步对PPM调制参数的约束关系，并在此基础上分析了数据传输速率与时钟同步的权衡关系。
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以太网的时钟同步技术 第3篇
同步以太网采用物理层同步时钟机制来实现网络时钟同步。ITU-T G.826x系列标准对同步EEC(以太网节点时钟)进行了详细规范[1,2,3]。借用SDH(同步数字体系)的同步处理机制[4],G.8264定义了用ESMC(以太网同步消息通道)报文来传送SSM(同步状态消息)。而同步时钟的选源算法也因此沿用了SDH算法机制。在有时钟源保护的情况下,当某时钟源出现故障时,时钟可以通过切换到其他时钟源的方式继续保持锁定状态。但采用传统的SSM算法可能导致时钟成环,使时钟性能很快劣化,对业务产生重要影响。运营商采用静态规划的方法,在关键节点打破时钟环,可避免某些简单网络故障下出现时钟成环现象[5]。但是静态方法不仅要耗费大量人力物力,而且还得承担某些情况下不能得到自动保护的风险。设备厂家则从改善选源算法来避免时钟成环,多数厂家采用基于扩展ESMC报文的eSSM(扩展SSM)算法。但各家都在实现方式和细节上略有差异:有的采用两个TLV(类型长度值)来分别传送标准的SSM和时钟源信息[6];有的提出需要传送时钟优先级;有的利用MAC(媒体访问控制)地址来作为时钟标识等等。这些改善要么处理了较多的冗余信息,使得扩展算法非常复杂;要么过于简单不能优化时钟性能。而且多数厂家没有考虑兼容性问题。
本文在深入分析标准SSM算法缺陷的基础上,考虑到兼容问题,对ESMC报文进行必要的扩展,提出了eSSM算法。该算法不仅简单有效地解决了在多种故障情况下的时钟成环问题,而且能够优化时钟树,提高时钟性能。
1 时钟成环分析
环形拓扑在传送网中得到了广泛应用,以环形拓扑为例来分析G.8264标准建议的SSM算法的成环问题是很有代表性的。图1所示为由6个NE(网元)节点组成的一个简单环。NE1跟踪外时钟,级别为PRC(主参考时钟),SSM值为02;NE6跟踪外时钟,级别为SSU(同步时钟提供单元),SSM值为04。考虑到保护功能,环上所有节点的时钟都配置有两个方向的时钟源。通过配置一定的优先级,可以得到一个时钟链,或以NE1或NE6为根的树。SSM字节由于采用回送0f可以解决正常情况下的成环问题。标准的SSM算法选源优先级顺序为:Quality Level>priority。
本例中假设通过配置并运用SSM算法,同步时钟最后成为这样一个时钟链(见图1):NE4NE5NE6NE3NE2NE1PRC。NE4发送给NE1的SSM仍然是时钟级别QL为02。由于合理的优先级配置,比如外时钟具有较高的优先级,NE4过来的线路时钟具有较低的优先级,则正常工作情况下不会出现时钟成环问题。
在NE1跟踪的外时钟出现故障的瞬间, NE1会错误地认为来自于NE4的时钟是有效的高等级时钟,于是就自动倒换到NE4,并且继续传递QL为02的SSM。但是NE4的时钟追溯到NE1,因此时钟环就这样无声无息地形成了。
只要采用标准SSM算法,在网络中有节点配置了多个线路时钟源的情况下,就有时钟成环的隐患。传统SDH设备厂家解决这个问题的办法是强制发现故障的节点先进入保持模式来彻底打破原来的时钟树,从而避免时钟环。本例中,检测到故障发生的NE1先进入保持模式,然后发布QL质量为不可用或SEC(同步数字系列网元时钟)QL的SSM。收到新信息的节点也处于保持模式。通过一段时间的传递,NE1为根的时钟链便被打破。NE1也不会错误地跟踪NE4,从而防止了时钟成环。当保持时间结束时,只有NE6首先倒换到可用的外时钟源,并发布新的SSM,新的时钟链就会在一定时间内形成。这个过程的缺点是增加了时钟收敛时间,保持时间的长短很难把握,短了则无效。因此该方法在复杂网络情况下是不可用的。
标准的SSM只有QL,下游时钟无法通过SSM字节获取时钟源信息。本例中,NE1之所以会倒换直接跟踪NE4发送过来的时钟,是因为在NE1无法判断NE4过来的时钟源就是自己发出的时钟。因此故障发生时NE1错误地判决NE4时钟的可用性,从而发生倒换,形成环路。在标准SSM算法中,时钟的保护和成环成了一对孪生姐妹,无法得到根本解决。因此要避免成环首先需要扩展ESMC报文,必须将时钟源信息和SSM一起传递。这样选源算法可以剔除来自自己发送的时钟源,从而彻底避免时钟成环。
2 eSSM算法
2.1 ESMC报文扩展
G.8264标准定义的信息只有QL[3,7]。扩展的报文将EEC的CSID(时钟源识别符)和CSTTL(时钟源生存周期)放进ESMC报文中。为了能尽量兼容到不影响未使用扩展功能的节点,同时遵从G.8264指出的将来的扩展需要在TLV中进行,我们将扩展信息放在了SSM编码之后。最后扩展的ESMC报文的数据填充域如表1所示。
SSM编码定义仍然遵从标准定义[4]。CSID 是指以同步以太网方式发布时钟的时钟节点标识符,每个节点根据配置有一个子网唯一的标识符。在前面的例子中,跟踪高等级外时钟的NE1和NE6就是通过同步以太网发布高等级时钟的时钟节点 ,所有节点处于自由振荡时都是发布EEC QL的时钟节点。这里定义了16个bit来标识CSID,足够支持一个大网运用。编码0X0001～0XFFFE可配置。考虑兼容性,全0’代表没有CSID指示;全1’预留给将来。
CSTTL在CSID域之后,总共8 bit,这个概念来自于IP协议的TTL(生存周期)思想,指示时钟经过的节点数。当跟踪外时钟的节点发布SSM的时候,就自动将配置的最大允许的时钟节点跳数填入该域,每次经过一个节点则减1。增加该域的重要目的是利用算法自动寻找一条最优化的时钟路径,同时限制时钟最长路径。0X01代表最后一跳;0X0代表没有CSTTL指示。
不支持扩展的ESMC节点时钟,其发布的报文按G.8264定义,其扩展域为全0’。而支持ESMC报文扩展的节点时钟,可以根据扩展域为全0’还是非0’来识别扩展与否,然后进行不同的处理。当混合组网时,按不扩展的ESMC报文来处理。
2.2 节点处理机制
eSSM算法将首先剔除收到的ESMC报文中CSID域中的值与自己一致的那路时钟,然后再比较发布时钟的质量,优选质量高的时钟。时钟质量一样的情况下,比较配置的优先级,优先级高的优先。如果前面两个条件都一样,最后再比较CSTTL值,值大的表明路径短,优先。因此eSSM算法选源的优先级顺序为: Quality Level>priority > Clk Source TTL。
在这个算法要求下,对于跟踪外部高等级时钟的节点而言,需要将外部高等级时钟的QL写入SSM code中,同时将自己的ID号和允许的最大跳数填入相应的CSID和CSTTL域。对于处于保持模式和自由振荡的节点而言,需要将EEC等级的QL、自己的CSID和允许的最大跳数填入相应的CSID和CSTTL域。下游同步以太时钟节点收到ESMC 报文后,首先比较CSID、 CSTTL值,如果ID和TTL为非全0’,则表明发布的是扩展的ESMC报文,需要按扩展的ESMC报文处理方式处理。通过eSSM算法,选定跟踪非自己发送的最佳时钟源,并将跟踪的那路时钟的CSID、QL和SCTTL-1填入ESMC相应的域,然后发布。当SCTTL为1时,表明自己是线路时钟同步的最后一跳,不能再通过线路钟的方式发布时钟。往下游发布的ESMC报文的QL为全1’时,该时钟不可用。
在图1中,和前面的假设一样,通过配置并运用eSSM算法,同步时钟最后成为这样一个时钟链:NE4NE5NE6NE3NE2NE1PRC。到现在为止,采用eSSM算法和标准SSM算法所得到的结果是一样的。
采用eSSM算法和标准SSM算法不同的是NE4发送给NE1的ESMC报文将是QL=2、CSID=NE1和CSTTL=15。NE1首先检测到NE4发来的ESMC报文中携带的CSID与自己的CSID一致,则在任何情况下都不会将该时钟作为备选源加入到可用时钟源中。因此NE1外时钟故障发生时,NE1没有可选时钟源只能进入保持状态,并在ESMC报文的SSM域填入EEC或不可用SSM发布出去。其他几个节点同样只能先进入保持状态。但NE6就不一样了,NE6由于有SSU过来的外时钟,当NE6发现高等级时钟源不能再用时,会将SSU最终作为主时钟,同时发布自己的CSID和新的CSTTL最大允许值。NE5会首先收到新的ESMC报文,指明新的可用时钟源,从而重新恢复来自NE6的时钟,并分别发布新的ESMC报文给NE4。NE4发布的ESMC报文的CSID指明时钟源来自另一个节点,此时NE1才会跟踪NE4。由于优先级配置并没有改变,因此最后形成以下时钟长链:NE3NE2NE1NE4NE5NE6SSU。
同时我们还要看到,CSTTL也成为时钟选源的条件,这个条件加入后,在一些复杂拓扑里,优先级规划设置较难取舍而设置同样值时,eSSM算法将自动获得较优的时钟树。在前面的例子中,如果节点的几个时钟源的优先级都设为一致,则利用CSTTL、eSSM算法运行下的同步时钟就不是一个长链,而是一个以NE1或NE6为根的树,这样的时钟树鄙弃了复杂的规划,性能在某种场合下得到优化。
3 结束语
在标准的SSM发布和算法中时钟成环是一个十分棘手的问题。基于G.8264定义的SSM的时钟选源算法不能在所有情况下,尤其是复杂拓扑和故障情况下防止时钟成环。在同步以太网中,由于ESMC很容易得到扩展,因此扩展的选源算法能够很好地避免时钟成环。本文将CSID和CSTTL两个重要信息放进ESMC报文中传递,可以有效防止时钟成环,同时优化时钟树,减小规划配置的工作量。本文所考虑的扩展的ESMC报文,兼容了标准定义,因此能和不支持扩展报文的设备互联互通。
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