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发布日期: 2011年1月8日

测量网络的脉动 — 第一部分

测量网络的脉动 — 第一部分

1/20/2011

自 20 世纪 80 年代 PDH 系统的推出,到 20 世纪 90 年代 SDH/SONET 的出现,再到当今的光传输网 (OTN),同步始终是数字网络的最基本要求。所有这些技术的物理层中均可广泛采用同步分配,并且设备供应商和网络运营商都渴求利用这一点将时间和时序信息从核心传输到边缘。

由于网络运营商需要不断以更具竞争力的价格提供更加丰富的服务,所以网络技术不得不向基于数据包的方法融合。这造就了物理层同步方式的典型转变,即从电路交换转变为无连接操作。方方面面的应用以及分组交换网络中的节点仍然需要稳定的时间和时序,并且为了适应这些需求,已经出现许多新技术,用于在分组网络的更高层上传输同步信号。因此,不仅需要测试和监测物理层的同步性能,而且现在还需要测试和监测分组层的性能。

即使服务提供商正在转向全分组网络,时分复用 (TDM) 服务和电路仍然是网络的主要组成部分。TDM 传输仍然占据服务提供商和运营商收入中的很大部分,因而在迁移过程中必须受到支持。因此,必须在网络的 TDM 部分维持同步,并且在网络的分组部分实质地实施同步,才能确保两个领域之间的平滑操作和互操作性。

无线服务的增长正在推动着以太网成为回传网络的替代技术。然而,对于蜂窝和无线运营而言,同步是必须的,因为必须使基站同步才能在基站之间传送呼叫,从而将通话中断的情况保持在最低水平并且确保正确的计费,所有这些都会在客户满意度中得到反映。

网络和同步的演变:

 

数字网络

SDH 传输

宽带服务

应用

语音

语音 + 数据

语音 + 数据 + 多媒体

语音 + 数据 + 多媒体

信令

R2
(PSTN)

SS7/IN
(ISDN/B-ISDN)

SIGTRAN/MEGACO
(ISDN/B-ISDN)

全 IP 信令
(MEGACO/SIP/H.323)

传输机制

TDM
交换

TDM/ATM
交换

IP/ATM
路由

IP/MPLS
(路由 LDP)

传输载体

SDH

SDH

SDH/WDM/OXC/GbE

WDM/OXC/NgSDH

接入链路

2W 环路

2W 环路
拨号 FLC

2E 环路/xDSL 线缆/
以太网/PON/FLC

所有接入
类型

同步概况

› 中央基准
时钟 (PRC)
› 分布在铜质 E1
干线上
› 本地节点时钟的
相位跟随振荡器
› 非冗余
›保护 1:N

› 分布式基准源 (PRS)
› G.812 I、II、V 或 VI 型滤波/保持振荡器
› 远程管理
› SDH 净荷指针/产生的时序区对分布
造成不利影响

› 新需求:
- 1+1 保护
- 实时时间 NTP/PTP/UTI
- 远程管理
› NGN 传输技术会产生更多的
时序区
› 网络监测、管理、
安全

1980

1990

2000

2010 —>

同步基本知识

可以将同步定义为多个设备之间时间保持的协调和同时关系。对于电信领域外的人员而言,同步通常是指时间同步:一个或多个设备采用相同时间作为基准时钟,通常为世界标准时钟 (UTC);在同步后,两个设备将根据通用时钟基准具有正确的实时时间 (ToD),而无论其地理位置如何。

然而,对于网络工程师而言,同步的使用需要非常精确并且非常关键。电信网络(如 SONET 和 SDH 网络)基于同步架构,这就意味着在整体上使用几乎相同的时钟使所有数据信号同步并为这些信号定时。这样可以确保承载数据的所有端口以相同频率或微小偏移工作,因此,对于特定传输速率,网络吞吐量是可确定的,并且是固定不变的。

另一方面,以太网是一种异步技术,每个以太网端口都有自己独立的时钟电路和振荡器。由于每个端口的时钟相互独立,因此互连端口的频率偏移相对较高。为了解决这一问题,以太网设备通常采用缓冲区;缓冲区可以存储信息流,然后减轻两个端口之间的偏移效应。因此,电信网络除了需要时间同步以外,还需要另外两类同步,即频率同步和相位同步。

频率同步通常是物理同步,它将设备之间的输出时钟同步。两个设备如果频率同步,它们在积分周期(通常为 1 秒)内生成的比特数基本相同。如果它们频率不同步,那么两个设备每秒生成的比特数就不相同,从而可能导致溢出并最终造成误码或信息流丢失。

相位同步是指设备之间时钟同时的变化。如果相位同步,两个设备会在几乎同一时间从一个时钟脉冲切换到另一个时钟脉冲。一个实际例子是并排比较两块手表。经过同步后,这两块手表的指针将在几乎相同的时间走动。如果没有同步,则两个设备的计数快慢不一,而在网络中,这些差异就等效于相位偏移。

网络中的同步技术

传统频率同步

现代电信网络,如 SONET 和 SDH,是所有传输均基于公共时钟源的同步网络。这些技术采用分层级的时钟精度,精度高的时钟为其他时钟提供信号;每个节点均连接到精度最高的时钟并使自身同步。

在 SDH 中,基于铯的高精度主时钟被称为“基准时钟”(PRC),以通过每个节点的设备时钟 (SEC) 同步输出比特时钟这一形式,由数据信号在整个网络上分布。由于每一跳的时钟精度依次降低,因此被称为同步提供单元 (SSU) 的网络节点专用于生成时钟信号,从而确保所有节点均与基准速率保持同步。SONET 采用相同的同步机制,但使用了不同的术语:从第 1 级(stratum 1,最高精度)到第 4 级(stratum 4,最低精度)。

数据包同步

在网络转向采用以太网作为传输技术的过程中,同步仍然是主要问题。由于以太网和 TDM 技术仍然共同存在,因此线路模拟服务 (CES) 等技术能够将 TDM 信息流映射到以太网基础设施上(反之亦然),从而使网络运营商平稳地转换到全分组网络。

要将这两项技术互相连接,频率同步就至关重要,因为 TDM 技术的频率偏移容限相对于异步以太网技术而言限制严格得多。以太网依赖于廉价的保持振荡器,可以停止传输信息流或缓冲区数据,而 TDM 技术则依赖于连续传输,并且存在同步基准。同步以太网可以确保物理层的频率同步,从而解决了这些问题。以太网同步技术 SyncE 以与传统 TDM 和 SONET/SDH 同步相似的方式从高精度第 1 级可溯源时钟信号为输出比特时钟定时,从而实现频率(同步)。SyncE 支持同步状态消息 (SSM) 交换,而且现已包含新推出的以太网同步消息通道 (ESMC),它能确保在 SyncE 启用的情况下以太网节点始终从最可靠的源获得定时。

然而,由于 SyncE 是基于第 1 层的同步技术,因此需要启用同步路径上所有端口的 SyncE(功能)。路径上未启用 SyncE 的所有节点均会自动中断从该节点的同步。对于在主同步单元和需要同步的边缘设备之间有多个以太网端口的网络提供商而言,这就存在问题,因为必须在所有端口上启用 SyncE 才能同步至边缘。由于硬件和软件升级会大幅提升总体拥有成本,因此这些需求会增加部署的成本。另外,SyncE 仅关注频率同步,而不保证相位同步;但是可以在一定程度上通过 SyncE 评估相位要求。

之后推出的数据包同步技术是精确时间协议 (PTP),该技术通过在数据包网络中不断交换包含适当时间戳的包,来提供高精度的时钟信号。在该协议中,被称为“主时钟”的高精度时钟源生成时间戳声明并响应边界时钟的时间戳请求,从而确保边界时钟和从时钟与主时钟精确对时。通过依赖于保持功能、集成时钟的精度以及启用了 PTP 的设备之间的时间戳连续交换,可以将频率和相位精度保持在亚微秒数量级,从而确保网络中的同步。除了能够确保频率和相位同步之外,ToD 同步还能确保启用了 PTP 的所有设备均采用正确的时间得到同步(基于协调世界时 (UTC))。

PTP 的优点在于,它是一项基于数据包的技术,只有边界时钟和从时钟需要了解数据包的性质,因此同步数据包与其他任何数据包一样在网络中转发。这一灵活性降低了拥有成本,因为网络的主要升级仅仅局限于同步设备;相反,SyncE 方法则既要求升级同步设备,又要求根据 SyncE 规格升级链路上的所有以太网端口。

PTP 的主要缺点在于它的本质是数据包。由于 PTP 使用的同步数据包在网络中的原主和寄主之间转发,因此会受到所有网络事件的影响,如帧延迟(时延)、帧延迟变化(数据包抖动)和帧丢失。即使采用最佳方法使同步信息流获得高优先级,这些同步数据包仍然会遭遇拥塞和可能存在的路由和转发问题,如帧失序和路由翻动。寄主时钟的保持电路必须足够稳定才能在同步数据包遭遇网络事件时保持同步。

对于 ToD 同步,网络时间协议 (NTP) 之类的协议可以确保客户端的实时时间信息根据标准通用时钟源得到正确更新。NTP 以及它的其他版本在确保纠正地理位置的同时,还将时间和日期信息周期性地发布给客户(如个人计算机和网络设备)。通常通过与 Internet 时间服务器的连接、通过在空中传播的无线电信号或通过 GPS 同步可实现 ToD 同步。

同步测试/监测的目的

技术

频率同步

相位同步

实时时间

传统频率 (TDM)

同步以太网

IEEE 1588v2 精确时间协议

网络时间协议

由于时钟漂移通常发生在较长的测试期中,因此对于较长的测试期,必须将同步指标结合稳定的高精度时钟源(作为基准)使用。同步指标通常包含三个关键测量值:时间间隔误差 (TIE)、最大时间间隔误差 (MTIE) 和时间偏差 (TDEV)。

  • TIE 是根据显著事件之间的时间差得到的、基准时钟和被测时钟之间相位差的基本测量。这项基本测量通过持续数小时或数天的测试来执行,提供时钟之间的即时偏移。该测量具有瞬时性质,因而并非长期测试的理想之选,但它能评估相位变化的偏移峰值(通常会导致(测试)失败)。
  • MTIE 是基于 TIE 数据的测量,设计用于通过加宽观测窗口来提供其中的 TIE 的峰到峰值的最大偏差。MTIE 通常在 TIE 数据经过处理后得到,能够提供不同观测窗口中最坏情况下可能存在的 TIE 变化,并且可以用于预测时钟频率随时间的稳定性。
  • TDEV 是从 TIE 数据得到的另一个测量,通过计算特定测量窗口的 MTIE 变化的均方根 (RMS) 来提供时钟的平均相位变化。MTIE 关注最坏情况,因此任何峰值变化都会影响小变化的可见性。另一方面,TDEV 对最差的峰值变化求平均值,因此可以很好地指示周期性或 TIE 偏移。TDEV 能够提供关于时钟短期稳定性以及时钟精度的随机噪声的信息。

现在已经推出了更先进的指标来更好地监测时钟的精度。修正的艾伦偏差 (MDEV) 等指标尽管很有用,但通常用于特定频率稳定性测量的实验室应用,而很少用于现场情况。向基于数据包的同步转变这一过程也促使行业制定最大平均时间间隔误差 (MATIE) 和最大平均频率误差 (MAFE) 这些新指标,以更好地鉴定由于数据包延迟变化等数据包事件造成的频率和相位误差。请注意,这些指标目前尚在多个同步委员会研究之中。

除了这些指标以外,国际标准委员会还发布了一些指导方针,描述电信网络中同步性能的可接受水平。这些指导方针的目的是定义网络设备的可接受性能限值,从而最终帮助确保部署了该设备的网络在满负荷状态下运行时能够无故障地同步。因此,使用性能掩码的同步测试是网络维护部署中的一个关键步骤,并且必须确保基准在这些范围之内才能保证无故障的传输。

其他数据包指标

PTP 推出之后,网络运营商现在必须证明基于 PTP 架构的新数据包指标合格。在 PTP 中,由于通过交换消息执行数据包同步,因此同步数据流对是否存在由于帧延迟变化和帧丢失导致的消息很敏感。与其他任何服务一样,PTP 数据流会受到高数据流导致的拥塞、链路故障和排队的影响,这反过来又会影响边界或从时钟与高质量时钟之间的同步精度。

此外,消息是单向交换的,意味着节点会交换和终止同步数据包。由于一个方向遭遇的网络事件会多于另一个方向,因此这就引出了单向性能的概念。非对称行为可能导致一个方向的同步数据包遭遇更多延迟、拥塞和可能的丢失,而另一个方向保持无故障。

因此,PTP 测试不仅涉及测试定时的相位和频率特征,而且还涉及由网络资源和网络事件造成的同步数据包数据流的性能。在评估性能时,必须单独评估 PTP 的关键性能指标数据流方向才能获得可靠的结果以及掌握时间同步和数据包事件之间的关系。

随着网络从 TDM 演进到数据包解决方案,业界已经制定了多个标准。而在测试和指标方面,标准委员会还正在研究专用于基于数据包的同步技术的新指标。ITU-T 第 15 研究组第 13 课题组正致力于开发一系列新的标准和指标,如 G.826x 系列(规定频率分布和性能)以及 G.827x 系列(规定基于数据包的同步技术的相位/时间分布和性能)。

本文的第二部分将介绍为确保成功实施和持续支持同步系统所需的工具和技术、EXFO 的网络同步测试解决方案以及该解决方案的方方面面和所具有的优势。