1588技术在大规模网络环境下的应用方式探讨＊

张 军 国电南瑞科技股份有限公司高级工程师

李 信 国网冀北电力有限公司信息通信分公司高级工程师

黄源源 国电南瑞科技股份有限公司工程师

吕 博 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

1 引言

目前，1588v2（PTP：Precise Time Protocol）技术作为GPS的一种替代方案用以解决3G/4G基站的时间同步问题，已经在电信运营商（如中国移动）的城域网中得到了试点应用；在电力系统中部分地市（如浙江电力公司）也组建了PTP时间同步试验网，为变电站内的被授时设备提供高精度的时间同步信号。虽然利用PTP技术已经可以组建时间同步网进行时间传送，可以为网络末端的被授时设备提供亚微秒量级的时间同步信号，然而随着时间同步需求的不断增大以及对网络健壮性、安全性要求的日益提高，利用PTP技术进行组网必然要面临大规模网络应用的挑战。最为突出的问题是：随着网络规模的扩大、时间同步设备数量的增多，目前PTP自身的技术缺陷如选源算法中优先级数量的瓶颈问题将会凸显，从而影响到PTP技术的推广和组网应用；此外，端到端的距离以及节点数都会使噪声累积增加，影响到时间同步的性能。在此技术背景下本文探讨了在大规模网络环境下1588的新型应用方式。

2 1588典型的应用方式

目前，1588典型的应用方式主要有两种：边界时钟（BC）组网和静态单播组网。

2.1 全BC组网场景

图1所示为中国移动城域网中1588用以解决3G/4G基站的时间同步问题的典型应用场景。该应用场景中在核心层部署了一主一备两台时间服务器作为同一时间域的时间基准源头，并配置了GPS/北斗卫星授时接收机和高精度原子钟来提高全网的同步可靠性；在PTN+OTN的传送网中全网启用了BC功能，可以有效地抑制分组网络PDV噪声的影响，保证了从源端到基站侧端到端的时间性能；在这种组网场景下启用BMC算法后可自动进行选源与PTP同步链路安排，减少了运维成本。目前，该场景已经在中国移动的城域网中得到试点应用。

2.2 三层单播方式

图2所示为电力时间同步试点中典型的组网应用场景。在该场景中采用了两级结构，分为一级PTP主时钟和二级PTP从时钟，通过人工预置PTP时钟的优先级（Priority1/2）来规划全网PTP时钟的等级，通过三层单播的方式规划PTP同步链路组织。该应用场景引入了同步网分级分层的概念，所以并不局限于局域和城域组网，但在大规模广域组网中会遇到优先级数量的瓶颈以及IP地址的划分等技术问题，需进行更深入的研究后才可进行推广应用。

图1 BC组网应用场景

3 1588大规模组网需考虑的重要因素

尽管1588在城域组网中已经有典型的应用实例，但随着网络规模的扩大，一方面传输距离的增加和网元数量的增多会增大同步网络噪声的累积，影响到端到端的时间同步性能；另一方面网络拓扑结构的复杂化又对同步区的划分、同步网的分层分级和PTP同步链路的组织提出新的挑战，因此在1588大规模网络应用中需重点考虑以下3点因素：

（1）端到端时间同步性能：为保证端到端的时间同步性能，需对时间误差（TE：Time Error）进行严格控制，主要包括对固定时间误差的非对称时延补偿以及动态时间误差的噪声过滤两大类技术手段。

（2）选源问题：大规模网络中需对同步区进行划分，对同步网进行分层分级，从而涉及到时间同步选源和溯源问题。选源和溯源需对BMC算法的数据集中关键参数（如域名、优先级、clkID等）进行统筹规划。

（3）PTP同步链路组织：PTP同步链路组织中需同时考虑极长定时参考链接带来的误差影响、时间同步组网保护方式以及PTP的通道组织方式等技术问题。

4 1588大规模组网应用方式论证与比较

针对以上3点考虑因素，本文提出了3种新型的1588大规模组网应用方式。

4.1 网格化BC组网

图3为本文提出的网格化BC组网应用方式。这里“网格化”是将大规模网络划分为不同的时间网格，其中纵向为时间域的划分，横向为同步网层的划分，在网格交叉处部署不同等级的PTP时间同步节点以实现联网。在该方式中根据网络特点首先需规划多个时间域，不同域间在传输网络边缘处即可采用物理隔离的方式也可通过BMC算法中不同时间域编号进行划分。在同一时间域内将同步网分为3层，在不同网层交汇点处部署主备一级、二级和三级PTP时间同步设备。全网启用BMC算法后在同一时间域内可实现自动选源与主备PTP同步链路的自动配置，降低了规划的复杂度，同时为保证端到端时间同步性能可在域内增设PTP从时钟设备实现PDV噪声过滤。对全网进行“网格化”处理的方式即可保证不同时间域的相对独立，又可对BMC算法的选源参数如优先级1和2进行复用，从而降低了规划难度。该方式的缺点为在Mesh网络拓扑环境下网格的划分与剥离存在一定的难度，因此该方式主要适用于网络结构较为清晰的环网结构。

图2 静态单播组网应用场景

4.2 智能时钟辅助型TC组网

1588 v2中引入透传时钟（TC）的初衷是为了弥补了BC在时间精度方面的不足，采用TC方式的中间节点可灵活方便地对驻留时间进行修正及补偿，确保在更远的传输距离和更广泛的网络内保持更高的时间精度。TC方式支持多时钟域的处理，同时可以避免网络成环。但是，在大规模网络应用中仍然面临两方面挑战：一是TC为扁平化结构，所有从时钟都跟踪到同一时间域的祖时钟（GM：Grandmaster），当从时钟数量较多时祖时钟的负担加大，同时从网络安全性角度讲需要限制单个时间服务器下携带的从时钟数量；二是在大规模网络环境下，由于1588v2并未引入TC设计专属的BMC算法，使得TC方式下时钟溯源和PTP定时同步链路的组织和保护配置需人工实现，大大提高了规划与配置难度。为解决以上两大难题本文提出可利用智能时钟辅助全网进行TC时钟的规划与配置，这里“智能时钟”是指采用计算机辅助方式实现时间域、时间源头、PTP主备同步链路的自动规划与配置，目前厂家正致力于各自网管系统智能时钟功能模块的开发工作，待其功能完善后可辅助进行大规模网络的TC组网应用。

图3 网络化BC组网应用场景

4.3 分布式GM组网

图4所示分布式GM组网应用场景在韩国和日本的4G网络中得到了一定应用。该组网方式为了控制端到端的时间同步误差，将大规模网络划分为多个子网使时间同步信号做适度收敛。不同子网可通过划分时间域进行区分，每个子网内部署一主一备两台祖时钟设备GM1和GM2，正常情况下均跟踪卫星接收机，卫星接收机失效后可利用GM自身的晶振进行守时。该方式简化了时间源头与PTP同步链路的配置，部署方式较为灵活，缺点为由于网络中配备了大量的GM设备，出于成本考虑，目前的GM多采用恒温晶体振荡器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator），因此守时性能受限，现网中可适当增配内置铷钟的增强型GM设备以提高守时精度。

图4 分布式GM组应用场景

4.4 3种方式的比较

表1为3种应用方式相比较的结果。综合比较方式1较为适中，主要实现难度为时间网格的划分与设备优先级的规划；方式2可提供较高的端到端时间同步精度及守时精度，但时间源及PTP同步链路组织的复杂度较高，建议网管智能时钟功能开发完善后再加以应用；方式3采用了分布式GM组网方式，部署方式最为简单灵活并且在正常跟踪卫星时具有较高的时间精度，缺点为GM以数量降低了建设成本但牺牲了守时性能，从而降低了同步网的可靠性。可以说这3种方式是各有利弊，实际规划中应根据网络环境和应用需求综合比较进行选择。

表1 3种应用方式比较

5 结束语

1588 在大规模网络环境下面临端到端时间同步性能的保证、同步选源以及PTP同步链路组织问题，本文提出3种应用方式，建议在大规模网络环境中根据被授时设备的时间精度需求、网络的拓扑结构以及建设成本等因素对本文提出的3种方式进行论证及选择。

1 孟海强,田君.1588v2 BC和TC时钟模式部署建议.电信技术.2010,6

2 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Sync hronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

3 YD/T 2375-2011.高精度时间同步技术要求