应用于精确网络时钟同步的新型传输技术研究

金利忠 罗 鉴

(中兴通讯股份有限公司 江苏 南京 200336)

应用于精确网络时钟同步的新型传输技术研究

金利忠 罗 鉴

(中兴通讯股份有限公司 江苏 南京 200336)

在MPLS网络中提供时钟同步，是当前基于MPLS/MPLS-TP的传输网络的重要功能。经过对IEEE1588v2精确时钟协议的研究，创造性地提出了“中心分支多点标签交换路径”HSMP LSP(Hub Spoke Multipoint LSP)。通过HSMP LSP承载IEEE1588v2协议，与使用普通点到点或者点到多点LSP进行承载相比，在保证相同的时钟同步精度要求下，能够更加高效地利用网络带宽资源。

标签交换路径 MPLS P2MP LSP HSMP LSP

0 引 言

在基于MPLS/MPLS-TP的移动回传网络中，基于IEEE1588v2[4]的时钟同步协议，需要通过MPLS LSP进行传输，从而完成基站与时钟服务器之间的时钟同步，如图1所示。

图1 基于MPLS/MPLS-TP移动回传网络

IEEE1588v2定义了两种时钟模式，即边界时钟模式BC(Boundary Clock)和透明时钟模式TC(Transparent Clock)。其中透明时钟模式可以提供比边界时钟模式更加精确的同步性能。透明时钟有两种类型，即端到端的透明时钟模式和点对点的透明时钟模式。

点对点透明时钟模式，需要获取节点之间的链路延时，以进行时间修正。假设在PTP Master(Precision Time Protocol Master)与PTP Slave(Precision Time Protocol Slave)之间有一条路径，时钟同步报文可以传送到PTP Slave。通过对链路延时的计算，沿途每个节点可以对PTP Sync报文进行时间修正，从而在PTP Slave端可以得到PTP Sync的处理时延。PTP Master节点为了将相同的PTP Sync报文发送到各个PTP Slave节点，目前普遍的做法是通过在PTP Master与多个PTP Slave之间建立点到点的LSP路径进行报文的传输。

同时，PTP Slave也需要回复Delay Request报文给PTP Master。根据IEEE1588v2的时钟同步原理，Delay Request报文的路径需要与PTP Sync报文的路径相同，并且只能发送给PTP Master节点。

当前IETF定义了IEEE1588 over MPLS技术[3]，通过使用点到多点LSP技术来传输PTP Sync报文，可以大大提高网络的带宽利用率，而不需要建立多条点到点的LSP进行报文的传输。然而，当前的点到多点LSP只提供从根节点到叶子节点的单向路径，从而无法保证叶子节点在发送Delay Request报文时，与PTP Sync报文同路径。

根据IEEE1588v2的时钟同步原理，要求IEEE1588v2的PTP Sync报文与Delay Request报文来回同路径，从而保证时延的对称性。这就要求承载时钟同步的网络提供的传输能力，包括：

(1) 报文双向路径相同；

(2) 路径需要有带宽保证；

(3) 路径需要有可靠的QoS保证。

本文基于上述网络要求，提出了“分支中心多点LSP”来完成1588v2时钟同步报文的承载，从而达到了：

(1) 通过PTP Sync报文的点到多点路径传输，提高了网络的带宽利用率；

(2) 通过“分支中心多点LSP”的上游路径，进行Delay Request报文传输，保证了双向同路径；

(3) 通过采用LDP(Label Distribution Protocol)协议建立“分支中心多点LSP”，可以灵活动态适应网络拓扑的变化；

(4) 通过采用RSVP-TE(Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering)协议建立支持DS-TE (DiffServ Aware Traffic Engineering) 功能的“分支中心多点LSP”，为1588v2协议的承载提供了带宽和QoS的保证。

1 技术原理

本文提出的“分支中心多点LSP”HSMP LSP，其特点是由一个根节点和若干个叶子节点组成。根节点沿着P2MP LSP (Point-to-Multipoint LSP) 路径，称为下游路径，将数据报文发送给各个叶子节点。叶子节点沿着上游P2P LSP路径，将数据报文发送给根节点。HSMP LSP路径由下游P2MP LSP路径与上游P2P LSP路径组成，其中下游P2MP LSP路径与上游P2P LSP路径是相同路径。

如图2所示，给出了IEEE1588v2报文沿着HSMP LSP进行传输的例子。Master节点连接R2，R2作为HSMP LSP的根节点，R1与R3为叶子节点，分别连接着Slave_1与Slave_2节点。Master节点将PTP Sync报文发送给R2，由R2沿着HSMP LSP的下游路径发送PTP Sync报文给R1与R3。随后，R1与R3分别把PTP Sync报文发送给Slave_1与Slave_2节点。当Slave_1与Slave_2节点收到PTP Sync报文后，回复Delay Request报文给Master节点。R1与R3分别收到Slave_1与Slave_2节点发送的Delay Request报文，将Delay Request报文沿着HSMP LSP的上游路径发送给R2节点，随后R2节点将Delay Request报文发送给Master节点。

图2 HSMP LSP承载时钟同步协议

如果每一个Slave节点收到PTP Sync报文后，同时进行Delay Request报文的回复，必然会加大上游路径的带宽压力。为了避免所有的Delay Request报文在上游路径上抢占相同的带宽和QoS资源，每一个Slave节点需要根据Slave_ID进行一定的延时，然后沿着上游路径发送Delay Request报文，其中Slave_ID是一个全网唯一的标识符，可以为IP地址。延时时间计算公式如下：

Tdelay=Random(Slave_ID) ×Tmax

其中，随机函数Random()∈ [1, 0]，Tmax是最大允许时延。

根据IEEE1588v2协议，随后Master节点将发送DelayResponse报文给各个Slave节点，这由其他点到点的路径连接传输完成，而不再通过HSMPLSP的下游路径完成。

从上述分析可以看出，通过HSMPLSP承载IEEE1588v2协议，满足了IEEE1588v2协议的承载要求，即PTPSync和DelayResponse报文双向同路径，满足了带宽和QoS保证等。同时，由于采用了类似P2MPLSP的组播方式承载PTPSync报文，大大提高了网络的带宽利用率。

2 基于LDP的HSMP LSP建立

IETF已经标准化了基于LDP的P2MPLSP[7-8]，实现了点到多点的MPLS标签传输路径。本文使用LDP协议建立的HSMPLSP，通过路由协议的动态调整，能够在网络拓扑变化的时候，自动进行路径重建和恢复。下面简要描述基于LDP的HSMPLSP的建立原理。

如图3所示，网络由5个节点组成，分别为P1、P2、P3、P4和P5，P1作为HSMPLSP的根节点Root，P3、P4和P5作为HSMPLSP的叶子节点，分别标识为LeafA、LeafB和LeafC。P2节点为中间传输节点，即Transit节点，完成下游路径的报文复制，以及上游路径的报文汇合。

图3 基于LDP的HSMP LSP网络

HSMPLSP是由各个叶子节点首先触发建立。

(1)LeafA获知其要建立到根节点Root的HSMPLSP，于是查找本地路由表，得到达到Root节点的下一跳，即中间节点Transit，也是其上游节点。然后发送标签映射消息LM(LabelMapping)给Transit节点，其中消息携带下游路径DFEC(DownstreamForwardingEquivalenceClass)，简写为D(其中x为Root节点的IP地址，y为HSMPLSP标识符)，以及标签L1。

(2)Transit节点收到此标签映射消息后，由于本地还没有收到来自Root方向的标签映射消息，所以首先需要发送标签映射消息到其上游节点。同样根据路由协议寻找到达Root节点的上游节点。在图2的拓扑中可以看出，Root节点本身即为上游节点。于是发送标签映射消息给Root节点，其中消息携带下游路径DFEC为D，以及标签L3。

(3)Root节点收到此标签映射消息后，发现FEC为D，其中x为其自身，所以认定自己为根节点，于是发送标签映射消息给下游节点，即Transit节点，其中消息携带上游路径UFEC(UpstreamFEC)，简写为U(其中x为Root节点的IP地址，y为HSMPLSP标识符)，以及标签L4。Root节点建立如下标签转发表：① 从客户接口收到数据流，封装L3标签，发送给下游节点；② 从下游节点收到标签为L4的报文，发送数据流到客户接口。

(4)Transit收到此标签映射消息后，发送标签映射消息给其下游节点LeafA，其中消息携带上游路径UFEC为U，以及标签L2。Transit节点建立如表1所示的下标签转发表。

表1 标签转发表

(5)LeafA节点收到Transit的标签映射消息后，建立如下标签转发表：① 从客户接口收到数据流，封装L2标签，发送给上游节点；② 从上游节点收到标签为L1的报文，发送数据流到客户接口。

(6)LeafB获知其要建立HSMPLSP到根节点Root，于是查找本地路由表，得知到达Root节点的下一跳，即中间节点Transit，也是其上游节点。然后发送标签映射消息LM给Transit节点，其中消息携带下游路径FEC为D，以及标签L5。

(7)Transit节点收到LeafB的标签映射消息后，发现其已经收到过上游节点，即Root节点发送过的标签映射消息，于是直接发送标签映射消息给其下游节点LeafB，其中消息携带上游路径UFEC为U，以及标签L2(Transit向所有下游节点发送相同的标签L2)。Transit节点更新标签转发表，如表2所示。

表2 标签转发表

(8)LeafA节点收到Transit的标签映射消息后，建立如下标签转发表：① 从客户接口收到数据流，封装L2标签，发送给上游节点；② 从上游节点收到标签为L5的报文，发送数据报文到客户接口。

上述过程如图4所示，其中，LM[D,L1]表示标签映射消息，DFEC为D (x为root节点地址，y为LSP标识符)，标签为L1。

图4 基于LDP的HSMP LSP建立

3 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

基于LDP建立的HSMPLSP不能提供带宽和QoS的保证，而设计基于RSVP-TE的HSMPLSP，正是用来解决此问题。IETF已经标准化了基于RSVP-TE的P2MPLSP[6]，实现了点到多点的MPLS标签传输路径，我们在此基础上进行了技术扩展。

仍以图2为例，P1作为HSMPLSP的根节点Root，P3、P4和P5作为HSMPLSP的叶子节点。P2节点为中间传输节点Transit节点，完成下游路径的报文复制，以及上游路径的报文汇合。基于RSVP-TE的HSMPLSP建立步骤如下：

(1) 基于RSVP-TE的HSMPLSP是由根节点Root首先触发的。根据RFC4875[6]所描述的机制，Root节点将发送携带source-to-leaf(S2L)对象的Path消息给其下游节点Transit，其中S2L对象携带了到达LeafA与LeafB的路径。同时Path消息携带RFC3473[5]所定义的Upstream_Label对象，上游标签为L1。

(2)Transit节点收到Path消息后，根据S2L对象，得知需要将Path消息分别发送给LeafA与LeafB，同时携带Upstream_Label对象，上游标签为L2。

(3)LeafA与LeafB分别收到各自的Path消息后，向上游节点，即Transit节点回复RSVPReserve消息，分别携带标签L3和L4。LeafA与LeafB建立如下标签转发表：① 从客户接口收到数据流，封装L2标签，发送给上游节点；②LeafA与LeafB从上游节点分别收到标签为L3和L4的报文，发送数据报文到客户接口。

(4)Transit节点收到分别来自A和B的两个RSVPReserve消息。假设首先收到来自LeafA的RSVPReserve消息，于是发送RSVPReserve消息给上游节点Root，携带标签L5。当收到来自LeafB的RSVPReserve消息后，由于其已经向上游发送过RSVPReserve消息，所以不需要额外操作。这时形成的标签转发表如表3所示。

表3 标签转发表

(5)Root节点收到Reserve消息后，建立如下标签转发表：① 从客户接口收到数据流，封装L5标签，发送给下游节点；② 从下游节点收到标签为L1的报文，发送数据流到客户接口。

上述过程见图5所示，其中，UL为上游分配的标签。

图5 基于RSVP-TE的HSMP LSP建立

4 HSMP LSP的应用

HSMPLSP除了在IEEE1588v2时钟同步领域的应用外，还可以应用于其他诸多领域。例如，应用HSMPLSP进行P2MPLSP的保护，在某个叶子节点的下游客户链路出现故障时，可以通过HSMPLSP的上游路径，将叶子节点的故障情况汇报给根节点，从而由根节点进行HSMPLSP的保护切换。

HSMPLSP还可以应用于IPTV领域。对于IPTV的接入网，往往是Hub-Spoke的网状结构，当使用P2MPLSP进行组播分发前，叶子节点却没有路径将收到的IGMP消息发送给根节点。而采用HSMPLSP进行IPTV网络部署，则叶子节点可以将收到的IGMP消息通过上游路径发送给根节点，从而完成组播的加入过程。

在VPLS组播网络中，同样可以利用HSMPLSP进行PE之间的LSP连接建立，其中下游路径用来进行组播分发，而上游路径用来进行单播转发，这可以大大减少VPLS组播网络LSP建立的总数量。

HSMPLSP同样可以应用于P2MPLSP的单向延时测量，通过上游路径，将延时测量结果反馈给根节点，从而可以进行延时的计算。

5 国际标准化

IETF(国际互联网工程任务组)是全球互联网标准化的最权威组织。本文的主要成果之一，基于LDP的HSMPLSP建立机制，已经向IETF提交了标准文稿，并且已经正式发布为RFC7140[1]。基于RSVP-TE

的HSMP LSP建立机制，也通过IETF提交了标准draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp[2]，并且已经被IETF的MPLS工作组接受为工作组文稿。

6 结 语

通过使用HSMP LSP进行IEEE1588v2协议的承载，既高效利用了网络带宽资源，又达到时钟同步的精度要求。同时，HSMP LSP作为一种新型的LSP，已经被IETF正式标准化。在可预见的未来，HSMP LSP会被应用到更加广泛的领域。

[1] Jin L,Jounay F,Wijnands I,et al.LDP Extensions for Hub & Spoke Multipoint Label Switched Path[R].RFC7140,2014.

[2] Jin L,Jounay F,Bhatia M,et al.Hub and Spoke Multipoint Label Switched Path Tunnels[R].draft-jjb-mpls-rsvp-te-hsmp-lsp-04,2013.

[3] Davari S,Oren A,Bhatia M,et al.Transporting Timing messages over MPLS Networks[R].draft-ietf-tictoc-1588overmpls-03,2013.

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

[5] Berger L.Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Signaling Resource ReserVation Protocol-Traffic Engineering (RSVP-TE) Extensions[R].RFC 3473,2003.

[6] Aggarwal R,Papadimitriou D,Yasukawa S.Extensions to Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering (RSVP-TE) for Point-to-Multipoint TE Label Switched Paths (LSPs)[R].RFC 4875,2007.

[7] Wijnands I J,Minei I,Kompella K,et al.Label Distribution Protocol Extensions for Point-to-Multipoint and Multipoint-to-Multipoint Label Switched Paths[R].RFC 6388,2011.

[8] Roux J L L,Morin T.Requirements for Point-to-Multipoint Extensions to the Label Distribution Protocol[R].RFC 6348,2011.

RESEARCH ON NEW TRANSMISSION TECHNOLOGY FOR PRECISE TIMING SYNCHRONIZATION

Jin Lizhong Luo Jian

(ZTECorporation,Nanjing200336,Jiangsu,China)

Providing IEEE1588v2 time synchronization is one of the most important functions in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP. After analyzing the precise timing protocol IEEE1588v2, a new type of LSP, named hub spoke multipoint LSP (HSMP LSP) is put forward. Compared with the transportation with P2P or P2MP LSP, time synchronization with HSMP LSP could provide higher bandwidth usage efficiency in the transmission network based on MPLS/MPLS-TP.

Label switched path MPLS P2MP LSP HSMP LSP

2015-09-28。金利忠，工程师，主研领域：网络与交换技术。罗鉴，工程师。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.023