1 以太网中的同步技术
1.1同步以太网主设备
对于同步以太网主设备，其功能模块时钟拓扑如图2所示。设备一般是在设备外接标准的高精度时钟源，比如2 MHz时钟或者2 Mb/s数据或者是别的时钟源输入接口。2 MHz时钟通过锁相环输出，时钟的频率及其参数可以通过锁相环参数配置。2 Mb/s数据通过大楼综合定时（供给）系统（BITS）收发芯片接收链路码流提取2 MHz时钟，然后将提取的链路时钟2 MHz送给锁相环，再由中央处理单元中锁相环通过配置输出一个设置时钟。锁相环输出所需要时钟送给逻辑单元，逻辑单元分发出若干路下发时钟到各个接入单元，再由接入单元的锁相环输出到接入单元交换芯片媒体访问控制层（MAC）、物理层（PHY）作为其工作时钟，实现时钟源和接入单元交换芯片和PHY芯片的时钟同步。主设备通过接入单元的PHY链路数据输出。从设备接入单元根据主设备接入单元输出链路数据，通过提取链路时钟，然后根据从设备时钟同步原理而实现主交换设备和从交换设备的同步。以太网从设备不需要外接时钟源。
图2 同步以太网主设备功能模块时钟拓扑
1.2同步以太网从设备
同步以太网从设备利用从主设备互联的数据流端口，通过PHY或者MAC芯片数据接收端集成的时钟数据恢复（CDR）来提取接收数据链路的时钟。这个时钟除了可以用作发送端时钟外，还可以用于芯片对接收数据的解串行化和解复用高速串行数据成低速并行数据，恢复功能可从发送方数据恢复时钟。图3为同步以太网从设备时钟拓扑框图。选择从哪路端口恢复时钟是可以配置选择的。根据电路所采用PHY的数量，恢复出来的每路高精度时钟，送给一个多路选择器或者逻辑，按照一定的规则选择一路恢复时钟送给一个锁相环（PLL）。PLL输出某一频率的高精度时钟送给中央处理单元。中央处理单元通过一个复用器按照一定的选择规则选择多个输入的接入单元时钟的一个，作为主控锁相环PLL的输入时钟源，然后中央处理单元PLL输出一高精度的时钟，通过时钟驱动缓存器分发给各个接入单元。各个接入单元根据中央单元输入的时钟，通过配置锁相环输出接入单元MAC和PHY所需要的频率，作为接入单元MAC和所有PHY的发送工作时钟，从而实现交换设备与主设备同步。一般接入设备只需MAC和PHY和主设备同步。
1.3以太网同步状态消息ESMC的应用
一般来说，同步以太网既可以工作在普通模式，也可以工作在同步模式，默认是普通以太网方式。工作在同步模式时，接收端除了从输入信号提取输入信号频率并送给时钟系统进行处理进行时钟分发外，还获取并处理以太网同步消息信道（ESMC）状态消息，获取链路提供的时钟质量等级（QL）。
QL可以作为本地进行时钟切换依据，根据当前获取的链路的时钟质量等级，以判断系统是否切换到更高级别的时钟。在同步以太网模式，链路发送端锁定系统时钟用于数据发送，同时还产生ESMC消息发送链路时钟质量等级QL到下游环节，ESMC包含链路同步状态消息（SSM），用于表示EEC时钟等级，这个信道是按照组织特性慢协议（OSSP）协议提供。同步状态消息的数据格式如表1所示[3]。
图3 同步以太网从设备时钟拓扑
表1中，目的地址是组播地址，低速协议类型及其协议子类型固定为88-09-0A[4-5]。在ESMC PDU中数据和填充区域用4个字节来表示时钟的质量等级，其时钟质量等级采用类型长度值（TLV）来表示，其数据格式如表2所示。在同步以太网中，SSM用于表示上游设备给下游设备所同步跟踪的时钟源的质量。SSM包含在ESMC PDU中，周期性由上游设备发给下游设备作为下游设备选择时钟源的重要根据。下游设备时钟子系统根据端口收到的SSM级别，总是选择最高级别的时钟源，当高级级别时钟源发生故障后，再根据统计的当前的SSM等级，选择次之的时钟源。如果存在等级相同的时钟源就按照定义的优先级选择时钟源，如果所有链路时钟均不可用，选择本地时钟作为当前系统时钟。如果丢失所有的参考时钟源，锁相环PLL进入保持（holdover）状态；SSM消息需要沿着链路依次逐级传递，每级EEC都支持SSM消息的处理。时钟子系统通过这种方法选择系统源时钟，以使系统保持稳定工作。同步以太网ESMC中的SSM定义了2种时钟质量等级，如表3所示。
表1 ESMC PDU格式
ESMC：以太网同步消息信道
FCS：帧校验系列
OUI：IEEE注册机构分配的组织唯一标示符
QL：质量等级
TLV：类型长度值
表2 QL TLV数据格式
表3 同步以太网SSM消息
EEC：以太网设备时钟 QL：质量等级
表3中，QL-EEC1主要适用于同步以太网设备时钟架构为2048 kb/s的体系，QL-EEC2主要面向同步以太网时钟架构为1544 kb/s的同步体系。
2 同步以太网的调试方法
2.1同步以太网基本调试方法
采用若干套交换设备分别级联组网也可以混合组网，这时两个节点间上下游构成主从设备。这里以同步以太网组网中两个上下游节点为例，上游设备配置为主设备、下游设备配置从设备，从设备端口提取上游设备链路时钟。一个同步以太网流量测试环境如图4所示。
图4中，以太网流量测试仪器的一对端口的收发端口与设备A的第一个以太网接口收发端口收发互连。图4中设备每个方格为一对以太网收发端口，上下一组以太网端口构成一对虚拟局域网（VLAN）。相邻一对VLAN通过网线或者光纤连接。设备A最后一个以太网的收发端口和设备B的收发端口收发互联。上下两对以太网接口构成一对 VLAN，相邻VLAN通过网线或者光纤依次连接。设备B最后一对以太网的收发和以太网流量测试仪器的另一个收发端口互联。设备A配置成主设备，设备B为从设备。设备B从连接设备A的一个输出端口的接口提取链路时钟，通过设备B的时钟子系统的一系列变换形成设备B发送链路时钟。设备B通过读取PHY或者MAC的状态判断接入端口是否锁定上游设备链路时钟；另外，也通过以太网流量测试仪器发送以太网报文进入设备A，并通过一系列的设备端口连接和软件配置，使得输出设备A的报文进入设备B，然后最终回到以太网流量测试器的输入端口，同时在设备B到设备A方向通过以太网流量测试仪器对发反方向报文，这样可以同时验证两个方向在同步以太网模式下端口报文收发情况，报文可采用线速随机长度报文。通过这些方法可以观察同步以太网设备运行的同步稳定性。
图4 同步以太网流量测试示例
2.2同步以太网的时序特性
对于支持同步以太网的设备，其时序特性主要是满足ITU-T Recommendation G.8262/Y.1362标准中支持2048 kb/s体系EEC-option1选项和支持1544 kb/s体系的EEC-option2选项，符合业务端口输出漂移最大时间间隔误差（MTIE）和时间偏差（TDEV）的指标要求。对于输入端口需要满足输入端口漂移容限MTIE和TDEV模板的要求，端口还需满足抖动方面的标准指标要求[6-8]。满足这些指标要求便于实现上下游同步以太网设备单元间的互操作性，便于设备间的对接。对于同步以太网设备端口的漂移特性主要是以MTIE、TDEV来表征。MTIE反映信号的频率偏差和相位的瞬态变化，TDEV反映信号的频率成分。MTIE是指在采样间隔τ0，总观测时间τ=nτ0，测量周期T=（N-1）τ0，时间间隔误差（TIE）峰峰值的最大值，其中观测周期包含在测量周期中。
图5 同步以太网部分指标测试环境
对于同步以太网输入输出漂移指标必须符合标准中的模板要求。图5所示测试环境可以测试同步以太网业务输出输入端口漂移最大时间间隔误差和时间偏差，可以用于业务端口的输入抖动容限和端口的抖动转移特性，还可以模拟ESMC状态测试时钟状态切换。不同的测试，仪器需要不同的配置设置。漂移测试需要外接一个高精度的稳定时钟源。
漂移指标主要包括漂移容限、漂移转移特性，漂移转移特性主要是考察设备对输入漂移的抑制能力。抖动测试主要是测试输出抖动和输入抖动容限，测试输出抖动是否满足标准要求[9]，测试输入端口容许的最大输入抖动，设备正常工作也不告警。
3 结束语
本文通过对同步以太网主从设备同步时钟链路部分的研究和设计，对同步以太网设备的基本功能测试，通过对同步以太网端口漂移、抖动指标等重要指标的测试，可以很好、可靠地实现同步以太网功能，满足同步以太网设备在网络中的应用。
参考文献
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[5]ITU-T G.810.Definitions and terminology for synchronization networks[S].1996:16-19.
[6]ITU-T G.8261/Y.1361.Timing and synchronization aspects in Packet Networks [S].2006:16-21.
[7]ITU-T G.8262/Y.1362.Timing characteristics of synchronous Ethernet equipment slave clock(EEC)[S].2007:2-29.
[8]ITU-T.813.Timing characteristics of SDH equipment slave clocks(SEC)[S].2003.
[9]ITU-T O.172.Jitter and wander measuring equipment for digital systems which are based on the synchronous digital hierarchy (SDH)[S].2005:18-26.
Synchronous Ethernet Technologies in Ethernet Switch
摘要:提出了一种支持同步以太网交换机工作在主从模式状态下同步时钟网络架构，及其在不同工作模式下的时钟同步机制；提出了交换机工作在从模式状态系统同步链路时钟的优先级选择策略，以及工作在主模式状态下交换机系统时钟指定选择原则。实践表明，这种同步以太网时钟架构和同步机制能很好地满足网络应用。
关键词:同步以太网；以太网同步状态消息；锁相环；漂移
Abstract:In this paper,we propose a synchronous clock network architecture for the Ethernet switch(ES)so that synchronous Ethernet(Sync-E)is achieved when the ES is in slave or master mode.We also propose different synchronous clock mechanisms for the ES in different modes.We introduce the priority selection strategy of synchronous clock link when the ES is in slave mode.The specific selection principle for the system clock when the ES is working in the master mode is also introduced. Finally,we suggest that this synchronous Ethernet clock architecture and mechanisms can meet needs of network applications.
Key words:synchronous Ethernet;Ethernet synchronization messaging channel; phase locked loop(PLL);wander
