衡量网络脉搏——第一部分

自20世纪80年代PDH系统问世以来，同步一直是数字网络的基本需求，经历了90年代SDH/SONET的部署，直至今日的光传输网络（OTN）。同步分发已广泛应用于所有这些技术的物理层，设备供应商和网络运营商都能够利用这一优势，将时间和定时信息从核心传输到边缘。

网络运营商面临着越来越大的压力，需要以更具竞争力的价格提供更丰富的服务，这迫使网络技术向基于分组的方法融合。这导致物理层同步的可用性发生了范式转变——从电路交换模式转向无连接模式。在分组交换网络中，许多应用和节点仍然需要稳定的时间和定时，因此开发了新技术来支持通过分组网络在更高层进行传输同步。因此，现在不仅需要在物理层进行同步性能的测试和监控，还需要对分组层的性能进行测试和监控。

即使服务提供商正向全分组网络转型，时分复用(TDM) 服务和电路的占比仍然很大。TDM 传输仍然是服务提供商和运营商的重要收入来源，在转型阶段也必须继续提供支持。因此，必须在网络的 TDM 部分保持同步，并在网络的分组部分实现同步，以确保两个域之间的平稳运行和互操作性。

无线服务的增长正推动以太网成为回程网络中的替代技术。然而，同步对于蜂窝和无线网络的运行至关重要，因为基站必须同步才能实现基站间的呼叫切换，从而最大限度地减少掉话并确保计费准确——所有这些都直接影响客户满意度。

网络与同步演化

同步基础知识

同步可以定义为多个设备之间时间记录的协调一致。对于电信行业以外的人来说，同步通常指的是时间同步，即一个或多个设备的时间与参考时钟（通常是世界协调时(UTC)）的时间保持一致；同步后，无论地理位置如何，两个设备都将拥有相对于世界协调时参考的正确时间 (ToD)。

然而，对于网络工程师而言，同步有着非常精确且至关重要的用途。电信网络，例如SONET 和 SDH 网络，都基于同步架构，这意味着所有数据信号都经过同步，并且几乎始终使用相同的时钟。这确保了所有传输数据的端口都以相同的频率或极小的偏移量进行传输，因此，对于特定的传输速率，网络吞吐量是确定性的且固定的。

另一方面，以太网是一种异步技术，每个以太网端口都有其独立的时钟电路和振荡器。由于每个端口的时钟独立，互连端口之间的频率偏移可能相对较大。为了解决这个问题，以太网设备通常会实现缓冲区来存储流量，从而减轻两个端口之间的偏移影响。因此，除了时间同步之外，电信网络还需要另外两种类型的同步，即频率同步和相位同步。

频率同步通常是指设备间输出时钟同步的物理同步。当两个设备频率同步时，它们在一个积分周期（通常为1 秒）内产生的比特数基本相同。当它们频率不同步时，一个设备每秒产生的比特数会比另一个设备多，这可能导致溢出，最终造成比特错误或数据丢失。

相位同步是指两个设备之间时钟同步的变化。相位同步时，两个设备会在同一时间从一个时钟脉冲切换到另一个时钟脉冲。一个实际的例子是并排放置的两块手表。同步时，这两块手表会同时递增。不同步时，一块手表的计时速度会比另一块快。在网络领域，这种差异相当于相位偏移。

网络中的同步技术

传统频率同步

现代电信网络，例如SONET和SDH，都是同步网络，所有传输都基于同一个时钟源。这些技术实现了分层时钟精度，其中一个高精度时钟为其他时钟提供信号——每个节点都连接到精度最高的时钟并与之同步。

在SDH中，一个高精度的铯原子主时钟，被称为“主参考时钟”（PRC），通过数据信号分发到整个网络，其原理是利用每个节点的设备时钟（SEC）同步输出比特时钟。由于时钟精度会随着传输距离的增加而降低，因此需要使用被称为同步供应单元（SSU）的网络节点来重新生成时钟信号，从而确保所有节点始终保持与主时钟速率同步。SONET采用了相同的同步机制，但使用了不同的术语：从第1层（精度最高）到第4层（精度最低）。

数据包同步

随着网络向以太网这一首选传输技术发展，同步仍然是一个重要问题。由于以太网和时分复用(TDM) 技术持续共存，电路仿真服务 (CES) 等技术能够将 TDM 流量映射到以太网基础设施上，反之亦然，从而使网络运营商能够平稳过渡到全分组网络。

为了将这两种技术互联起来，频率同步至关重要，因为时分复用(TDM) 技术的频率偏移容差远比异步以太网技术严格。以太网依赖于低成本的保持振荡器，可能会停止传输流量或缓存数据，而 TDM 技术则依赖于持续传输和同步参考信号的存在。同步以太网通过在物理层面上确保频率同步来解决这些问题。以太网 SyncE 通过从高精度 1 层可追溯时钟信号对输出位时钟进行定时来实现频率同步，其方式类似于传统的 TDM 和 SONET/SDH 同步。SyncE 支持同步状态消息 (SSM) 的交换，并且现在包含一个新引入的以太网同步消息通道 (ESMC)，该通道确保启用 SyncE 的以太网节点始终从最可靠的时钟源获取其定时信息。

然而，由于SyncE 是一种基于第 1 层的同步技术，它要求同步路径上的所有端口都必须启用 SyncE。路径上任何未启用 SyncE 的节点都会自动断开与该节点的同步。对于在主同步单元和需要同步的边缘设备之间拥有大量以太网端口的网络提供商而言，这是一个问题，因为所有端口都必须启用 SyncE 才能与边缘设备同步。此类要求会增加部署成本，因为硬件和软件升级会显著增加总体拥有成本。此外，SyncE 仅关注频率同步，并不保证相位同步——尽管可以通过 SyncE 进行一定程度的相位要求评估。

下一代数据包同步技术——精确时间协议 (PTP) 专为通过数据包网络提供高精度时钟而设计，其原理是通过持续交换带有相应时间戳的数据包来实现。在该协议中，一个被称为“主时钟”的高精度时钟源生成时间戳公告，并响应来自边界时钟的时间戳请求，从而确保边界时钟和从时钟与主时钟精确对齐。通过利用保持功能和集成时钟的精度，并结合支持 PTP 的设备之间持续交换时间戳，可以将频率和相位精度维持在亚微秒级，从而确保网络内部的同步。除了频率和相位同步之外，基于协调世界时 (UTC) 的时差同步还可以确保所有支持 PTP 的设备与正确的时间同步。

PTP 的优势在于，由于 PTP 是一种基于数据包的技术，因此只有边界时钟和从时钟需要了解数据包的性质，同步数据包可以像网络中的其他数据包一样转发。这种灵活性降低了拥有成本，因为网络的主要升级仅限于同步设备，而 SyncE 方法则需要同步设备以及将链路上的所有以太网端口升级到 SyncE 规范。

PTP 的主要弱点也源于其数据包的特性。由于 PTP 使用的同步数据包在主时钟和主机之间通过网络转发，因此它们会受到所有网络事件的影响，例如帧延迟、帧延迟波动（数据包抖动）和丢帧。即使采用最佳实践，对同步流赋予高优先级，这些同步数据包仍然会遇到网络拥塞以及可能的路由和转发问题，例如乱序和路由抖动。主机时钟的保持电路必须足够稳定，才能在同步数据包经历网络事件的情况下维持同步。

至于时间同步（ToD），诸如网络时间协议（NTP）之类的协议可确保用户基于标准通用时间源正确获取时间信息。NTP及其不同版本会定期向用户（例如个人电脑和网络设备）分发时间和日期信息，同时确保对地理位置进行校正。时间同步通常通过连接到互联网时间服务器、无线无线电信号或GPS同步来实现。

同步测试/监控的目的

由于时钟漂移通常发生在较长的测试时间内，因此同步指标也必须针对长时间测试进行调整，并配合稳定且高精度的参考时钟源。同步指标通常包含三个关键测量值：时间间隔误差(TIE)、最大时间间隔误差 (MTIE) 和时间偏差 (TDEV)。

·TIE（时间误差）是基于重要事件之间的时间差，对参考时钟和被测时钟之间的相位差进行的基本测量。这种基本测量需要在数小时或数天的测试中进行，才能提供时钟之间的瞬时偏移量。由于其瞬时性，这种测量方法并不适用于长期测量，但它可以评估相位变化的峰值偏移，而这些峰值偏移通常会导致故障。

·MTIE 是一种基于 TIE 数据的测量方法，旨在通过扩大观测窗口来提供 TIE 峰峰值的最大偏差。MTIE 通常在处理 TIE 数据后生成，它提供了不同观测窗口内 TIE 可能出现的最差变化，可用于预测时钟频率随时间的稳定性。

·TDEV 是另一种基于 TIE 数据的测量指标，它通过计算特定测量窗口内 MTIE 变化的均方根 (RMS) 值，来表示时钟的平均相位变化。由于 MTIE 主要关注最坏情况，任何峰值变化都会限制对微小变化的检测。而 TDEV 则对最坏的峰值变化进行平均，能够很好地指示周期性或 TIE 偏移。TDEV 提供了有关时钟短期稳定性和时钟精度随机噪声的信息。

目前引入了一些新的指标，以更好地展现时钟的精度。例如，修正艾伦偏差(MDEV) 等指标虽然有用，但通常用于实验室环境中的特定频率稳定性测量，并不常用于现场应用。向基于数据包的同步方式的转变也促使业界定义了新的指标，例如最大平均时间间隔误差 (MATIE) 和最大平均频率误差 (MAFE)，以便更好地表征由数据包事件（例如数据包延迟变化）引起的频率和相位误差。需要注意的是，这些指标仍在由各个同步委员会进行研究。

除了上述指标外，国际标准委员会还发布了指南，描述了电信网络同步可接受的性能水平。这些指南旨在定义网络设备的可接受性能限值，最终目的是确保在部署这些设备并全面投入网络运行时，能够实现无故障同步。因此，使用性能掩码进行同步测试是网络部署和维护的关键步骤，必须确保各项指标均在这些范围内，才能保证无故障传输。

附加数据包指标

随着PTP的引入，网络运营商现在必须基于PTP架构来评估新的数据包度量标准。在PTP中，由于数据包同步是通过消息交换实现的，因此同步流程对帧延迟变化和丢帧导致的消息有无非常敏感。与其他任何服务一样，PTP流程也会受到拥塞、链路故障和高流量导致的排队的影响，进而影响边界时钟或从时钟与更高质量时钟之间的同步精度。

此外，消息交换是单向的，这意味着节点之间会交换和终止同步数据包。这就引出了单向性能的概念，因为一个方向的网络事件可能会比其他方向更多。这种不对称的行为可能导致同步数据包在一个方向上出现更多的延迟、拥塞和丢包，而另一个方向则保持畅通无阻。

因此，PTP测试不仅包括测试时序的相位和频率特性，还包括测试网络资源和网络事件对同步数据包流性能的影响。为了获得可靠的测试结果，并了解时间同步与数据包事件之间的关系，必须独立评估PTP关键性能指标的流向。

随着网络从时分复用(TDM) 向分组解决方案演进，各种标准也随之制定。从测试和指标的角度来看，标准委员会也在研究专门针对基于分组的同步技术的新指标。国际电信联盟电信标准化部门 (ITU-T) 第 15 研究组第 13 号问题正在制定一系列新的标准和指标，例如定义频率分布和性能的 G.826x 系列，以及定义基于分组的同步技术的相位/时间分布和性能的 G.827x 系列。