P-OTN网络中IEEE1588v2时间同步技术的实现

余 跃 ， 刘 华

（1.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武汉 430074）

近年来，随着宽带、移动通信等业务的快速发展，业务类型重心逐渐向分组业务转变，承载网中IP流量飞速增长，城域网压力越来越大。传统OTN（optical transport network，光传送网）通过整合以太网、MPLS-TP等技术，向分组增强型OTN（P-OTN）演进，来适应这些需求[1]。同时，随着4G的逐渐商用，移动通信对时间同步精度的需求越来越高，承载网的同步发展是大趋势。而GPS卫星系统存在着诸如安全隐患高、施工难等问题[1]，因此能够实现高精度地面时间同步的IEEE1588方案成为了人们的关注焦点。本文详细介绍了IEEE1588v2时间同步技术的原理，结合对OTN网络中ODUk（optical channel data unit-k，光通路数据单元）帧结构的分析，提出了P-OTN系统中实现高精度时间同步的方案。

1 IEEE1588v2基本原理

IEEE1588协议全称为IEEEStandard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，即网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，简称为 PTP（precision time protocol）精确时间协议[2]。

1.1 IEEE1588v2时间同步机制

PTP协议的核心是主从时钟模型和延迟测量机制。通过将高精度的时间信息写入PTP报文，并进行交互，以此计算出主从时钟之间时间偏差值并进行补偿，从而实现主从时钟之间时间的精确同步。测量过程分为两部分：偏移校正测量和延迟校正测量[2]。

图1 基本同步报文交互过程Fig.1 Basic synchronization message exchange

图 1 中所示的 Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp 4种报文即为同步过程中主从（Master、Slave）时钟之间交互的PTP报文。 t1、t2、t3、t4是 PTP报文发送或者接收时记录的时间戳。t-ms、t-sm表示主从时钟之间的链路延时，假设网络是对称的，t-ms=t-sm。则通过公式计算可得[3]：

MASTER与SLAVE时钟之间的时间偏移量：

MASTER与SLAVE时钟之间的线路延迟：

因为上述公式假设的是链路对称的通信网，所以最后计算得到的Tdelay代表的是平均线路延迟，即t-ms和t-sm的平均值。实际场景中常为非对称链路，需要开始进行测量补偿。

1.2 最佳主时钟BMC算法

数据集比较算法和端口状态决策算法，这两个算法共同组成了BMC（Best Master Clock，最佳主时钟）算法。PTP系统中主从时钟通过BMC算法交互的过程大致为图2所示。

图2 主从时钟BMC同步交互Fig.2 Master-Slave clock's synchronization based on BMC

BMC算法是是实现PTP系统正常运作的关键。在获取到相关时钟信息，如时钟精度，时钟等级，时钟优先级等，BMC算法可以自动选择出当前传输路径少，时钟优先级、精度高的时间源，并同步到该时钟。如果选择同步的时间源经BMC算法判断不再是最优时钟时，节点时钟能够自动同步到更新后的时间源上。

2 P-OTN中实现时间同步的方式

根据PTP报文在P-OTN网络中承载方式的不同，分为3种方式：1）通过客户信号（Client）通道来传送PTP报文，又称为纯透传方式；2）通过OTN特定开销（OH）传送PTP报文，又称为带内（ESC）方式；3）通过OSC通道来传送PTP报文，或通过传送1PPS+TOD信号来进行时间同步，又称为带外方式[4]。OTN中ITU-T G.709标准中规定的光传送模块（Optical Transport Module，OTM）接口模式如图 3 所示[5]。

图3 光传送网传输模块层次结构Fig.3 Structure of OTN transfer modules

纯透传方式下OTN网络自身不处理PTP报文，仅仅是

2.1 OTN采用客户信号承载PTP报文

起到了提供一个传送通道的作用，1588v2报文并不参与到同步网络中。

这种方式中存在着因设备内部业务处理或者网络延时而带来的无法估计的时间差，最终影响整个PTP系统同步的时间精度，一般不建议采用。

2.2 OTN采用特定开销承载PTP报文

带内方式通过使用OTN特定的开销（OTN开销待定）传送PTP时间同步信息。在每个OTN节点均需处理PTP报文，而且需要考虑补偿相邻节点之间光纤链路的不对称性。

带内方式下PTP报文的传送精度可以保证，因为：1）在业务单板的物理接口上，1588报文已经获取时间戳信息，因此报文在设备内部的映射/解映射过程不影响时间精度。带内方式逐跳支持1588v2，可随时OTN内部业务路径不一致带来的不对称时延，因此不影响时间精度。2）1588v2同步信号随支路以太口业务传送，不需额外处理，这样将方便实现不同厂家的互通[6]。

若采用带内方式进行全网同步，那么OTN现网中的业务单盘都需要相应地支持PTP同步功能，这样运营商投入的成本会较高，可在后期组网时部署。

2.3 OTN通过带外方式同步

带外方式即通过OSC带外监控信道传送：1）基于PTP时间同步信息接口；2）基于1PPS+TOD信号同步接口。

基于专门PTP接口的OSC带外方式在每个OTN节点及OA站都处理PTP报文，需要考虑补偿相邻节点之间光纤链路的不对称性。与PTN对接时，每个方向均需采用独立支持PTP功能的OSC单盘来实现时间同步功能[6]。

1PPS+TOD带外方式目前其相关接口规范是依据中国移动行业标准，主要用在时间注入源BITS与OTN设备对接授时，OTN与PTN对接授时的场景中，这种同步方式下的时间精度受路径延时影响较大，需要配置延时补偿。

带外方式实现的时间精度高，但是目前不同厂家有不同的实现方式，这给互通和端到端组网带来很多不便。

综合来看，初期对现网已部署的承载网OTN进行升级改造时，建议采用升级改造难度和成本都较低的带外OSC方式实现时间同步。后期应以带内开销同步方式为主要研发目标，待技术成熟之后后续的城域网设备部署都要求支持带内方式。这样就不再需要单独规划时间链路，实现了随路传送时间信息，不同厂家之间的互通难度也会很小，易于实现。

3 P-OTN中时间同步方案设计

IEEE 1588v2同步功能包括PTP协议栈、硬件驱动和时间源接口3部分。在P-OTN系统中，采取了基于硬件的频率恢复技术。在系统组网时，1588v2频率恢复技术成为备用技术方案。

基于后期组网需求，本方案通过带内方式实现PTP时间同步。时钟部分使用美高森美公司的Zarlink芯片，来获取稳定、高精度的时间信息。分组交换的多业务光传送网处理器采用的是博安思通信公司的芯片。

3.1 P-OTN中IEEE1588v2同步系统基本构架设计

图4为P-OTN系统中实现具备时间同步功能的设备的基本构架。报文经由业务盘出/入口时，由单盘获取出/入时间戳，或者是从主控时钟盘面板口获取带外（1PPS+TOD）信号，并送至主控时钟盘。主控时钟盘负责同步运算选取最佳时间源，并进行时钟处理。其间本地时钟的高精度时间戳信息由Zarlink芯片提取，再配合Announce报文中所携带的时间源信息，经由BMC算法完成选源及更新端口状态的功能，最终完成整个时间同步的过程。

图4 P-OTN中时间同步系统基本架构Fig.4 Structure of time synchronization in P-OTN

当BMC算法选定面板PPS+TOD作为本站设备的1588时钟源时，面板1PPS+TOD接口工作状态设置为输入模式，此时，TOD发送模块把系统同步的1PPS+TOD信息广播发送出去给各业务单盘。所有其他业务盘的端口均配置为master端口。

当BMC算法选定某个业务盘端口作为1588时钟源时，面板的1PPS+TOD接口工作状态设置为输出模式，主控盘的TOD模块输出被选定。

3.2 P-OTN系统中带内方式下PTP报文处理模块

如图5所示，本模块用于实现OTN开销接口的1588协议传输， 处理 包含 Sync、Follow_Up、Delay_Rep、Delay_Resp和Announce报文。所有报文的收发由FPGA根据软件配置自行维护，收方向需向主控时钟单元上报完整Announce报文和 T1、T2、T3、T4时戳。1588协议传输需要的时间戳由FPGA维护。

图5 带内方式下PTP报文处理模块Fig.5 PTPmessage processing module in ESCway

通过带内方式实现时间同步，复用1588报文至OTN颗粒时，由于PTP报文的长度超过了单个的OTN报文开销长度，即需要多个OTN帧开销字节来承载信息，因此需要采用MFAS（Multi-frame Alignment Signal，复帧定位信号）来定位处理[5]。本方案是采用多个连续的MFAS的OTN报文开销的RES保留字节，作为1588v2协议传输通道。

图6 OTN帧开销结构Fig.6 Structure of overhead bytes in OTN

3.3 软件模块总体结构设计

软件开发环境选择美国WindRiver公司推出的VxWorks操作系统。本设计在VxWorks实时操作系统中发起两个并行的任务（task）来分别完成BMC算法处理模块和PTP基本协议运行模块的功能。模块之间信息传递由共享数据结构完成。

3.3.1 PTP基本协议模块

本模块主要完成1PPS+TOD接口处理输入/输出信号的处理；各个端口PTP报文的收发；时间戳的计算，调整本地时钟；收集告警、状态和性能用于上报等功能。

图7 软件模块总体结构Fig.7 System structure of software modules

其中为了实现纳秒级别的时间同步，时间戳模块的设计要在识别PTP报文的前提下尽可能的靠近物理层接口。

3.3.2 BMC算法处理模块

BMC算法功能模块包括以下几部分：

1）Announce报文处理模块：①接收Announce报文，获取相应的时间源信息；②进行Announce报文的封装，并进行转发；

2）同步时钟和路径选择模块：负责时间源选择，同步路径选择和切换；

3）端口工作状态设置模块：按照上层网管设置及选择的路径设置端口工作状态；

4）上层接口模块：提供与上层模块交互配置、状态等数据的接口。

3.4 实验数据

本方案在烽火通信公司设备上已经验证实现，如图8所示，测试时间为44 000秒，时间精度平均约为58纳秒，且能够保持稳定，波动范围在20纳秒以内，满足P-OTN系统高精度的时间同步需求。

图8 实验数据Fig.8 Experiment record

4 结束语

本文介绍了IEEE1588v2协议的基本原理，结合实际应用，提出了一种通过带内方式实现P-OTN网络高精度时间爱你同步的系统方案，给出了软件功能模块的设计，具有很强的实用性。本文所采用的带内同步方式，经测试满足现网需求，已投入实际应用。

[1]于雷，刘祥义，李新华.如何解决OTN网络时钟同步传递[J].电脑知识与技术，2013（24）:5423-5425.YU Lei，LIU Xiang-yi，LI Xin-hua.How to solve time synchronization in OTN[J].Computer Knowledge and Technology，2013（24）:5423-5425.

[2]李恩，刘志强，敬玉乡，等.基于IEEE 1 588v2协议的光网络时间同步技术研究[J].光通信技术，2011（8）:47-49.LI En，LIU Zhi-qiang，JING Yu-xiang，et al.Research of time synchronization technology based on IEEE 1588v2 in optical communication network[J].Optical Communication Technology，2011（8）:47-49.

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

[4]程明，蒋铭，朱俊，等.分组增强型 OTN技术现状及其在城域网中的应用[J].电信科学，2013（9）:127-131.CHENG Ming，JIANG Ming，ZHU Jun，et al.Status of packet enhanced optical transport network technology and its application in metropolitan area network[J].Telecommunications Science.2013（9）:127-131.

[5]ITU-T Recommendation G.709-2009，Interfaces for the Optical Transport Network[S].2009.

[6]胡昌军.PTP over OTN的若干实现方式及其优劣分析[J].电信网技术，2011（12）：5-7.HU Chang-jun.Several implementations and analyses of PTP over OTN[J].Telecommunications Network Technology，2011（12）:5-7.