1、什么是 1588v2 ?

对于无线通信来说,时钟同步至关重要,是基站正常工作的必要条件。如果同步有问题,轻则切换成功率降低,重则系统无法运行。

 

从 3G/4G 以来,随着连接基站和控制器,核心网的传输网络的逐渐 IP 化,传统的 TDM(时分复用,比如 SDH 等技术)网络承载的时钟功能,也必须在新的分组交换网中得以解决。

 

其实,在 IT 业界,这个问题早以太网的发展初期便被提了出来。

 

1985 年,以太网被 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程师协会)标准化为 802.3 协议;十年之后的 1995 年,以太网的数据传输速率从 10Mbps 提高到了 100Mbps,在此过程中,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题。
于是,IEEE 便着手制定进行基于分组交换的精密时钟同步标准。

 

2000 年底,网络精密时钟同步委员会成立。

 

2002 年底,该委员会制定的同步标准获得 IEEE 标准委员会的认证,IEEE1588 标准诞生,第一个版本就被称为 1588v1。

 

2008 年初,IEEE 组织对 1588 进行了修订并重新发布,这个版本就是目前正在广泛使用的 1588v2,可以提供小于 100ns 的时间同步精度。

 

IEEE 1588 的全称是“IEEE P1588 DM2.2, Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems”,翻译为中文就是:“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议”。因此 1588 协议也被简称作 PTP(Precise Time Protocol )协议。

 

1588 协议的基本构思是通过软硬件配合,记录同步时钟信息的发出时间和接收时间,并给每条信息都加上时间标签。有了时间记录,接收方就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时,经过修正之后,就可以实现和网络时钟源同步的目的。

 

 

1588v2 组网拓扑

 

2、1588v2 怎样实现时钟同步?

 

在这样一个复杂的同步网络中,1588 主时钟(Master)和从时钟(Slave)主要靠传递 Sync,Follow_Up,Delay_Req,以及 Delay_Resp 这几条消息来实现同步的。

 

1588v2 主从时钟间传递的报文


1588v2 的时钟具体的同步原理如下图所示:

 

 

 

 

1588v2 时钟同步原理

 

 

1、主时钟向从时钟发出 Sync 报文,并携带自身的时钟 t1;

2、从时钟收到 Sync 报文,并标注上该时刻自己的时钟 t2;

3、从时钟向主时钟发送 Delay_Req 报文,并携带该时刻自身的时钟 t3;

4、主时钟收到 Delay_Req 报文,并注上该时刻自己的时钟 t4;

5、主时钟向从时钟发送 Delay_Resp 报文,并携带时钟 t4;

6、假设从时钟和主时钟两者之间的差值为偏移量 offset,主时钟到从时钟的传输时延为 t_ms,从时钟到主时钟的传输时延为 t_sm,则有下面两个等式:

 

t2 - t1= t_ms + offset
t4 - t3= t_sm - offset

 

假设双向时延相同,即:delay = t_ms = t_sm,则可以算出如下结果:

offset = ( ( t2 - t1 ) - ( t4 - t3 ) ) / 2
delay = ( ( t2 - t1 ) + ( t4 - t3 ) ) / 2

 

有了上述计算结果,然后就可以根据偏移量 offset 来修正从时钟,就可以实现同步。
 

需要注意的是,上述结果存在一个假设,那就是上下行的时延 delay 是一样的,且不同报文间的时延也是相同的。

 

1588v2 主要支持如下 3 种时钟类型:普通时钟(Ordinary Clock,OC),边界时钟(Boundary Clock, BC),透明时钟(Transparent Clock,TC)。其中透明时钟又可分为 E2E(End to End)透明时钟,也叫 E2E-TC;以及 P2P(Pear to Pear)透明时钟,也叫 P2P-TC。

 

 

 

1588v2 支持的时钟类型


1、普通时钟(Ordinary Clock,OC)

在一个域中,维护着域内使用的时标,并且只有一个 PTP 端口的时钟。普通时钟要么作为主时钟提供时钟源,要么作为最末一级终端,从其他的时钟源获取时钟,而不能作为中间节点把时钟向其他节点传递。

 

 

1588v2 普通时钟架构


2、边界时钟(Boundary Clock,BC)

边界时钟有多个 PTP 物理通信端口和网络相连,其每个 PTP 端口和普通时钟的 PTP 端口是一样的,其中的一个端口在收到上级时钟源的 PTP 报文后进行终结,然后再生成新的 PTP 报文并向下传递。

 

 

 

1588v2 边界时钟架构


3、透明时钟(Transparent Clock,TC)

透明时钟作为中间节点,收到 PTP 报文之后不进行终结,其内部有一个驻留时间桥来计算报文在本节点的驻留时间,并以此来修正时间标签再向下传递。

 

 

 

1588v2 透明时钟


透明时钟可分为 E2E(End to End)透明时钟,以及 P2P(Peer to Peer)透明时钟。两者对于 PTP 报文时延的修正和处理方法不同,在其他方面是完全一样的。

 

 

 

E2E-TC


E2E 透明时钟对时延的修正只包含本节点驻留的时间,而 P2P 透明时钟对时延的修正除了包含本节点驻留的时间之外,还添加了传输路径上的时延。

 

 

 

P2P-TC


除了上述的几种时钟之外,1588v2 还定义了管理节点。管理节点负责处理 PTP 管理报文,有一个或者多个物理接口连接网络,可以和任意的时钟类型组合在一起工作。

 

3、1588v2 有哪些应用场景?

IEEE 1588 独立于物理层,可通过在报文中加入时间标签来传递同步信息,因此除了频率同步之外还可以实现时间同步。但在实际应用中由于会受到网络状态的影响,延时,丢包等都会影响到精度,所以通过交换网络来传输时钟有较多限制。

 

1、全网支持 1588v2 功能(FTS)

全网支持 1588v2 功能(FTS,Full Timing Support),是指主时钟和从时钟之间的所有传输设备都支持 1588 功能,包括边界时钟(BC 模式)和透传时钟(TC 模式)两种模式。它们的物理拓扑基本相同,仅在 PTP 协议的处理机制上有所差异。

 

边界时钟模式(BC 模式)下的网络中间节点设备有多个 1588 端口,其中一个端口作为从时钟和上级时钟保持同步,其他端口则作为下一级网元的主时钟。设备收到 1588v2 报文之后进行终结,然后生成新的报文再向下游传递。

 

 

 

普通时钟(OC)+边界时钟(BC)组网


透传时钟(TC 模式)下的网络节点设备接收到来自时钟源的 1588v2 报文之后不进行终结,而是根据报文的驻留时间和链路时延,修正报文的时间戳信息,并将其传送给下游设备。

 

 

普通时钟(OC)+透明时钟(TC)组网


边界时钟模式下,由于分组网络的不稳定性,中间节点不可能百分之百地恢复原始时钟,而是存在或多或少的误差,这样传递给下游的时钟就产生了漂移,并且这样的漂移还会随着跳数的增加而不断累积。而透传时钟模式下,中间节点只修正时延,对跳数并不敏感,故其理论上的精度高于边界时钟。

 

然而在实际使用中,由于边界时钟模式下的漂移是不定向的,可能不断累积增大,也可能多个节点之间产生的漂移可能相互抵消,所以实际上两种模式的精度相当。

 

2、1588v2 ATR(Auto Timing Recovery,自动定时恢复)

对于第一点全网所有传输节点都支持 1588v2 协议的场景,毕竟是理想情况,现实总是和理想有所差距的。如果主时钟和从时钟之间的传输节点不支持 1588v2 协议,还能怎样实现频率同步和相位同步吗? 

 

答案是,可以。但传输网中的时延,抖动,丢包都会影响时钟精度,只能用于传输负载较小,主从时钟之间的跳数较少的非常有限的场景。
 

3、1588v2 同步是否可以用于 5G

理论上来说,1588v2 可支持高精度的相位同步,基本能够满足 5G 的同步需求。

 

但实际上,分组传输网络需要所有节点都支持 PTP 协议,组网较为复杂,网络的拥塞,时延,抖动,丢包都会影响时钟精度。更为重要的是,1588v2 同步需要上下行链路的时延相等,否则就需要人工校准,这一点在项目实施中非常困难。
 

因此,5G 网络主流的同步方式是 GPS 或者北斗这样的 GNSS 系统。

 

好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。