电信级以太网的同步性能验证

李 军

（中国铁通通信计量测试中心，北京 100038）

目前，随着电信技术的不断发展，电信级以太网的数据传输速度越来越迅捷，已从早期的10 M提高到100 M，GE，10 GE，40 GE，100 GE。随之而来的是电信级网络对设备时间同步性的要求也越来越严格，对于一个全国范围的IP网络来说，骨干网络时延一般要求控制在50 ms之内，并且对同步精度或收敛速度有着相当严格的要求。

如何保证以太网设备能够适应越来越高速网络的同步要求，下面从几个方面来详细分析一下。

1 同步性的技术支持：时间协议技术标准

回顾以太网同步技术的发展，曾在以太网上用过互联网网络时间协议（NTP）技术，简单网络时间协议（SNTP）技术，GPS技术或用T1/E1和以太网组成混合网络来增加以太网的时钟同步能力，但由于NTP自身技术的限制，其精度只能在1～50 ms之间，不能达到所要求的同步精度或收敛速度；GPS广泛应用在CDMA基站和其他应用，提供时间和频率的同步，但GPS接收机需要在空中架设天线，在办公室或运营商机房里实施比较困难；在T1/E1和以太网混合网络，用T1/E1传递时钟，用以太网扩大带宽，但从网络建设成本来讲用这种方法是不经济的。

为此，网络精密时钟同步委员会起草的“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，在2002年底获得美国电气和电子工程师协会（IEEE）通过作为IEEE 1588标准予以发布。IEEE 1588标准特别适合以太网，可以在一个地域分散的IP网络中实现微秒级高精度的时钟同步。

IEEE1588PTP协议借鉴了NTP技术，具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。现在IEEE 1588的版本为IEEE1588 V2，是一种精确时间同步协议，可以认为是对NTP协议的一种进化版本，IEEE1588 V1精度可以达到亚ms级，IEEE1588 V2精度可以达到亚us级的精度。IEEE1588 V2对IEEE1588 V1进行了改进和提高，提高了同步精度，加入了故障容限，满足冗余和安全的保障功能，并引入边界时钟和透传时钟两种新类型设备。通过主从设备间传递PTP消息包，从时钟计算时间和频率偏移，实现与主时钟的频率和时间的同步。

2 同步性的技术内容：IEEE 1588的主要技术指标

IEEE1588 V2作为PTN关键技术之一，打破了分组化网络无法传送精确时钟信号的历史，支持IEEE1588 V2的以太网只需要一个高精度时钟源输入，就可以将时钟信号精准地传送给各个网元，实现全网精准同步。IEEE1588的核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。IEEE1588可以同时实现频率同步和时间同步，时间传递的精度保证主要依赖于两个条件：计数器频率准确和链路的对称性。IEEE1588实现的关键在于延时测量。确保以太网设备满足IEEE1588标准的要求，才能够为IP网络传送各种实时业务与数据业务的多重播放提供保障。目前，针对电信级以太网设备的IEEE1588验证测试项目主要有以下几种。

1）校正系数测试：测试PTP设备是否能精确计算校正系数。

2）PTP设备规模测试：测试主时钟在不同的各种消息速率下，能够支持最大从时钟数。

3）BMC测试：主要指最佳主时钟（BMC）选择测试和错误倒换测试。

4）对PTP包优先级的测试：测试PTP设备如何对PTP的包做到有保证地转发，结合L2和L3的QoS测试。

5）多时间域测试：测试多时间域的规模和多时间域下是否有相互交互。

6）加载控制面：在测试PTP协议时，通过仿真STP和路由协议等，可以加载控制平面，并同时仿真网络的不稳定情况。

7）异常测试和加载额外压力的测试。

8）协议定时器的测试：在发送Sync消息后，可以控制发送Follow UP的间隔时间。

9）稳定性测试：通过发送异常包来测试PTP设备的稳定性。

3 同步性的具体验证：通过仪表进行测试分析

现在主要分析一下校正系数错误测试、PTP大规模测试和最佳主时钟选择算法测试。能够完成这些测试项目主要有IXIA公司的XM12、IXN2X或思博伦的Spirent TestCenter等仪表。

1）校正系数错误测试

透传时钟最重要的一个功能就是能够正确测量PTP包经过它时的延迟（ns级），这个延迟又叫做“驻留时间”。透传时钟在发向下游的PTP消息里携带延迟信息，称为校正系数，如果CF不准确，下游的从时钟就无法与上游的主时钟精确同步。

用测试仪表可以测量每个PTP包经过透传时钟的实际延迟，并比较PTP消息里所报告的CF值，可以更有效地测试透传时钟所计算的CF值是否准确。

CF Error计算公式为：CF Error=Correction Factor-Actual Latency。

CF Error如果是正的，则表示透传时钟过高估算了驻留时间。反之，则表示透传时钟过低估算了驻留时间。如果CF Error过大和变化过大，将引起下游的从时钟同步丢失。通常CF值在几十ns是可以接受的。

2）PTP大规模测试

大多数PTP系统里有很多从时钟。在系统中随着从时钟数量的增加，会加重主时钟或边界时钟的处理负担。因此，在设计、布置和升级PTP设备时，主时钟、边界时钟和透传时钟的大规模基准测试非常重要。利用测试系统，可以模拟在多个时间域里大量的主时钟和从时钟。PTP设备所能支持的规模与很多因素有关，例如，Sync和Delay-Request消息的发送速率，是用单播模式还是组播模式等。

3）最佳主时钟选择算法

BMC选择算法主要应用在从时钟和边界时钟的从时钟端口上，在本时间域选择质量最好的主时钟。此算法主要比较不同的时钟质量参数，以特定的优先级顺序选择最佳主时钟。可以用测试系统模拟多个带有不同时钟质量参数的主时钟。如果被测设备是边界时钟，则下游测试系统所仿真的从时钟可以很容易地确定系统的主时钟和被测设备所选择的是否相同。

4 同步性的保障意义：建立真正的电信级网络

IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。只有“同步的”的IP网络才是一个真正的电信级网络，才能够为IP网络传送各种实时业务与数据业务的多重播放业务提供保障。

[1]李军.精确时钟同步 确保IP网“电信级”特性[J].通信世界，2011（8）：34.

[2]王莉.IEEE1588协议测试方法[J].电信网技术，2010（5）：71-76.