Технология синхронизации Ethernet-сети

Такие услуги по мультиплексной передаче с временным разделением каналов (Time Division Multiplexing — TDM) как T1/E1 и SONET/SDH требуют синхронизации между источником и узлом назначения. Аналогично, беспроводные базовые станции требуют синхронизации с основными часами, чтобы обеспечить непрерывную передачу управления между соседними ячейками.
Несмотря на то, что существует несколько способов для установления синхронизации по Ethernet-сети, все они построены на основе стандарта Synchronous Ethernet (SyncE). В SyncE применяется интерфейс физического уровня для межузловой синхронизации, которая осуществляется так же, как в технологиях SONET/SDH или T1/E1. Это обстоятельство вселяет в поставщиков беспроводных услуг уверенность, что сети на базе SyncE не только окажутся экономичными, но и будут обладать высокой надежностью, как сети на базе SONET/SDH или T1/E1.
SyncE представляет собой стандарт распределения частот по каналам Ethernet. Другие стандарты, например IEEE Std. 1588 Precision Time Protocol (PTP), IETF Network Time Protocol (NTP) и т.д. были разработаны и продолжают совершенствоваться с целью обеспечить высокое качество разделения каналов во времени и удовлетворить требованиям ACR (Adaptive Clock Recovery — адаптивное восстановление тактовой синхронизации).
По мере роста интереса со стороны операторов и провайдеров услуг многие поставщики оборудования разрабатывают оборудование с возможностями SyncE для этого нового доходного рынка. Однако разработчикам Ethernet-оборудования часто не хватает глубокого понимания вопросов синхронизации, из-за чего они недооценивают сложность этой задачи. Обычно считается, что синхронизация по Ethernet-сети достигается путем замены несинхронизированного кварцевого генератора, используемого для устройств физического уровня (PHY) Ethernet, устройством общего назначения PLL (Phase Locked Loop — система фазовой автоподстройки частоты, ФАПЧ).
Разумеется, это неверное предположение и основанные на нем проекты обречены на провал. 

Синхронизация — определяющее требование для функционирования систем связи. Эти системы базируются на TDM-технологиях (T1/E1 и SONET/SDH), которые наилучшим образом подходят для передачи трафика с постоянной скоростью, например оцифрованных голоса и видео. TDM-технологии позволяют получить небольшую задержку передачи при малых отклонениях от этого значения — два основных параметра, обеспечивающих требуемое качество сигнала.
Малая задержка передачи сигнала достигается только при условии минимальной буферизации данных в каждом узле. Это значит, что все узлы в TDM-сети должны быть жестко синхронизированы с задающим генератором, чтобы предотвратить потерю данных. Если у какого-то узла несколько другая частота даже в течение небольшого времени, его буфер либо переполнится, либо опустошится, и выборки данных потеряются или повторятся для поддержания постоянной скорости передачи. Синхронизация сети в системах связи основана на иерархии, в которой самая верхняя позиция отведена опорному генератору с наивысшей точностью (см. рис. 1).

Рис. 1. Синхронная цифровая иерархия сети SDH/SONET

Иерахическую верхушку занимает первичный опорный генератор PRC/PRS (Primary Reference Clock, или Primary Reference Source) с точностью 10^–11, означающей, что на каждые 10¹¹ импульсов синхросигнала приходится на один импульс больше или меньше по сравнению с идеальным синхросигналом. Наручные часы при такой точности ошибались бы на 1 с каждые 10¹¹ с (3172 года).
Радиосигналы PRC/PRS поступают от цезиевых (атомных) часов систем глобального позиционирования GPS, ГЛОНАСС и LORAN-C.
Следующий уровень иерархии отведен блоку синхронизации SSU (Synchronization Supply Unit, или Building Integrated Timing Supply (BITS)). SSU/BITS имеет функцию переключения генератора в режим удержания, которая позволяет этому блоку генерировать синхросигнал с более высокой точностью, чем его собственная точность в автономном режиме в течение короткого времени после потери синхронизации с генератором PRC/PRS. Блок SSU/BITS обычно реализуется совместно с цифровой системой фазовой автоподстройки частоты (DPLL), управляемой с помощью рубидиевых часов.
Третий уровень иерархии занимает блок внутренних часов SEC (SDH — SDH Equipment Clock), или блок SONET Minimum Clock (SMC). SEC/SMC также снабжен функцией переключения генератора в режим удержания, но ее параметры и характеристики автономного режима хуже требуемых для SSU/BITS. SEC/SMC, как правило, имеет цифровую систему ФАПЧ, которая управляется термостатированным кварцевым генератором (TCXO). Следует заметить, что у всех уровней иерархии начиная со второго и ниже точность синхронизации равна точности блока PRC/PRS, до тех пор пока связь с ним не прервется.
Из соображений надежности едва ли можно ожидать, что глобальные сети связи будут синхронизироваться только с блоком PRC/PRS. На практике они используют структуру разделения каналов по времени наряду с независимо работающими блоками PRC/PRS. У каждого поставщика услуг связи имеется собственный блок
PRC/PRS, и это значит, что глобальная сеть связи состоит из синхронизированных участков, соединенных с помощью плезиохронных (почти синхронных) звеньев.
Если блоки PRC/PRS и SSU/BITS обычно реализуются как автономные элементы, предназначенные только для синхронизации (не для передачи данных), то SEC/SMC являются исключительно частью сети, как например мультиплексор ввода/вывода.

Традиционная Ethernet-сеть изначально предназначалсь для передачи асинхронного трафика данных, т.е. требования к прохождению сигнала синхронизации от источника к приемнику не выдвигались. В действительности, старая 10-Мбит/с (10Base-T) Ethernet-сеть была не в состоянии передавать этот сигнал по интерфейсу физического уровня, т.к. использовавшийся в ней передатчик 10Base-T прекращал передачу сигнала в интервалах незанятости.
Передатчик 10Base-T каждые 16 мс отправлял единичный импульс, уведомлявший приемную сторону о своем присутствии. Разумеется, таких редких импульсов недостаточно для установления синхронизации после сбоя на приемнике. Интервалы незанятости в более быстрых разновидностях Ethernet-сетей (100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с) постоянно регистрируются при появлении фронта импульса, что позволяет непрерывно и с высоким качеством восстанавливать тактовую синхронизацию на приемнике. Эти разновидности являются хорошими кандидатами для реализации синхронизированной Ethernet-сети.
На рисунке 1 схематически представлена сеть Gigabit Ethernet (1000Base-T) для передачи сигнала по медному проводу.
В Gigabit Ethernet с медным проводом используется линейное кодирование наряду с передачей по всем четырем парам кабеля CAT-5 для компенсации ограниченной ширины полосы витой пары этого кабеля. Передача осуществляется одновременно в оба конца, как это происходит в сетях ISDN и xDSL, где для подавления эха применяются алгоритмы цифровой обработки сигнала.
Подавление эха значительно упрощается в том случае, если частота, с которой передаются данные, одинакова в обоих направлениях. Это достигается в концепции master/slave (ведущий/ведомый) сети Gigabit Ethernet. Ведущий блок отправляет синхросигнал от независимого кварцевого генератора, а ведомый блок восстанавливает опорный тактовый сигнал из полученных данных и использует его для передачи собственных данных. Ведущий и ведомый блоки определяются в автопереговорном процессе. Ведущему блоку, как правило, назначается редко используемое случайное значение, но оно устанавливается и вручную.
Из рисунка 2 видно, что синхронизация действительно осуществляется в Ethernet на каждом сетевом сегменте между двумя соседними узлами, но она не распространяется от сегмента к сегменту. Таким образом, узел принимает тактовый сигнал, восстанавливает его, а затем пересылает всем передающим узлам (см. рис. 3).

Рис. 2. Синхронизация на физическом уровне в традиционной Ethernet-сети

Рис. 3. Синхронизация на физическом уровне в Ethernet

Разумеется, восстановленный сигнал нуждается в очистке с помощью ФАПЧ, позволяющей устранить джиттер из цепи восстановления тактового сигнала до того, как он поступит на передающее устройство. Кроме того, необходимо вручную настроить порты в тракте передачи сигнала синхронизации, что делается для чередования функций ведущего и ведомого блоков (только для сети 1000Base-T).
В случае оптоволоконной сети Gigabit Ethernet (1000Base-X) или 10  Gigabit Ethernet (10GBASE) такая необходимость отсутствует, т.к. один волоконный тракт используется для передачи, другой — для приема (по одному оптоволокну сигнал передается только в одном направлении) и, следовательно, функции ведущего и ведомого узлов не требуются.
Любое устройство физического уровня сетей Gigabit Ethernet или 10 Gigabit Ethernet должно поддерживать синхронизированную Ethernet-сеть, обеспечивая восстановленный синхросигнал на одном из своих выходов. Восстановленный синхросигнал очищается с помощью системы ФАПЧ и передается на вход 25-МГц кварцевого генератора физического устройства. Несколько новых физических устройств Ethernet-сети обеспечивают специальный вывод для входного тактового сигнала. Преимуществом этого метода является то, что частота входного сигнала может быть выше 25 МГц — чем выше частота синхронизации, тем, как правило, меньше джиттер. Кроме того, данный метод позволяет избежать каких-либо потенциальных проблем, связанных с циклом синхронизации физического устройства.

Из сказанного можно сделать преждевременный вывод о том, что единственная функция системы ФАПЧ, используемой в технологии SyncE, заключается в очистке восстановленного сигнала от джиттера. Однако в SyncE схема ФАПЧ должна обеспечивать и другие функции.
Например, если приемное устройство физического уровня (см. рис. 3, узел 2, PHY 1) отсоединилось от линии, восстановленная частота синхронизации перестанет или начнет дрейфовать, в зависимости от того, как реализована схема восстановления синхронизации после сбоя. ФАПЧ общего назначения не отследит этого большого изменения в частоте на передающем физическом устройстве (см. рис. 3, узел 2, физ. уровень 2), и в результате не только тактовый сигнал не будет передан, но и, возможно, не произойдет и передача данных.
Схема ФАПЧ в технологии SyncE должна обнаруживать сбой восстановленного сигнала синхронизации и уметь переключаться либо на другой хороший опорный сигнал системы, либо переключать генератор в режим удержания. Требования к SyncE кратко изложены в спецификации внутренних часов синхронной Ethernet-сети (ITU G.8262/Y1362). Эти требования основаны на спецификации ITU-T G.813 для тактовых сигналов стандарта SDH. Ниже перечислены основные требования ITU G.8262/Y1362.
– Точность в автономном режиме: точность выходного сигнала схемы ФАПЧ, когда она не управляется опорным сигналом, должна быть равной или выше чем ±4,6 ppm в течение одного года. Это очень высокая точность относительно точности традиционной Ethernet-сети (±100 ppm).
– Режим удержания: система ФАПЧ постоянно рассчитывает среднее значение частоты синхронизированного опорного сигнала. В случае если опорный сигнал не поступает, а также отсутствуют другие опорные сигналы, ФАПЧ переходит в режим удержания и генерирует выходной синхросигнал на основе расчетного среднего значения. Устойчивость режима зависит от разрешения усредняющего алгоритма и стабильности частоты генератора, используемого в качестве задающего тактового генератора ФАПЧ.
– Контроль за опорным сигналом: система ФАПЧ должна постоянно контролировать качество входных опорных сигналов. Если оно ухудшается (сигнал исчезает, или дрейфует частота), блок ФАПЧ подает сигнал тревоги (прерывания) и переключается на другой действующий опорный сигнал.
– Переключение опорного сигнала без паузы: если ФАПЧ-система не обнаруживает опорного сигнала, она захватывает другой опорный сигнал. При этом фаза сигнала не изменяется.
– Фильтрация джиттера и стабилизация дрейфа: блок ФАПЧ можно рассматривать как фильтр для джиттера и средство стабилизации дрейфа. Чем уже ширина полосы петли, тем меньше джиттер и дрейф.
– Устойчивость к джиттеру и дрейфу: система ФАПЧ должна быть устойчивой к большому джиттеру и дрейфу на входе и поддерживать синхронизацию, не генерируя сигнала тревоги.
Эти жесткие требования можно удовлетворить только с помощью цифровой системы ФАПЧ (DPLL), схожей с той, которая используется для синхронизации сети SONET/SDH. Основное различие заключается в том, что система SyncE DPLL должна захватывать и генерировать тактовые частоты, используемые в Ethernet (25, 125 и 156,25 MГц), тогда как в SONET/SDH задействованы другие значения тактовых частот (19,44 и 155,52 MГц).

SyncE-системы операторского класса должны обеспечивать высокона­дежное функционирование при всех условиях. Для этого наиболее важные компоненты системы имеют некоторую избыточность, в т.ч. в отношении синхронизации.
Синхронизация в системе операторского класса реализуется с помощью двух плат, с которых тактовые сигналы поступают на несколько линейных плат через общую плату, как видно из рисунка 4. Все линейные платы синхронизируются с тактовым сигналом, поступающим с активной платы. Если, например, ее не подключили, линейные платы станут синхронизоваться с сигналом, поступающим с резервной платы. Переключение с одной платы синхронизации на другую не должно вызывать прерывания или сбой в системе.

Рис. 4. Резервная синхронизация в SyncE-системе операторского класса

Две платы синхронизации обеспечивают защиту системы на случай отказа одной из них. Из рисунка 4 видно, что платы имеют возможность синхронизоваться от более чем одного опорного сигнала. Плата принимает опорные сигналы из нескольких источников, выбирает один из них, очищает от фазового шума с помощью цифровой ФАПЧ и передает линейным платам через общую панель. Цифровая схема ФАПЧ является наиболее важной составляющей платы синхронизации. Опорные сигналы цифровой ФАПЧ могут поступать извне с блока SSU/BITS, изнутри с линейных плат или от другой платы синхронизации в системе. Цифровая ФАПЧ платы синхронизации должна отвечать всем требованиям рекомендации ITU-T G.8262/Y1362.
Как видно из рисунка 4, каждая линейная плата оснащена схемой цифровой ФАПЧ, которая позволяет уменьшить джиттер и преобразовать частоту, например, 25-МГц тактового сигнала в один или более тактовый сигнал для Ethernet PHY с частотой 125, 156,25, 155,52 МГц и т.д.
Цифровая ФАПЧ линейной платы должна также обеспечить переключение без паузы между активным и резервным тактовым сигналом, например в случае, когда активный синхросигнал неожиданно исчезает, а система еще не обнаружила сбой и не переключила цифровую схему ФАПЧ линейной платы на резервный опорный сигнал. Для цифровой ФАПЧ линейной платы, как и для любой другой сехмы ФАПЧ, требуется кварцевый генератор.
Стоимость этого генератора невысока, т.к. для цифровой ФАПЧ линейной платы не требуется режим удержания (кроме коротких интервалов времени переключения с активного на резервный тактовый сигнал). В случае если этот режим занимает продолжительное время, система использует цифровую ФАПЧ платы синхронизации и потому ей необходимы кварцевые генераторы более высокого качества (TCXO, OCXO).
Малые SyncE-системы, которым не требуется резервная синхронизция, обычно имеют только одну цифровую схему ФАПЧ. Она должна удовлетворять всем требованиям как цифровой системы ФАПЧ платы синхронизации, так и цифровой ФАПЧ линейной платы. У этой ФАПЧ должна быть узкая ширина полосы петли, функция удержания высокого качества (требуется TCXO или OCXO), возможность переключения опорного сигнала без паузы и очень малый собственный джиттер. В зависимости от того или иного приложения, может также потребоваться, чтобы эта цифровая ФАПЧ генерировала такие частоты как 8 кГц; 2,048; 1, 544; 34,368; 44,736 МГц и т.д.
На рисунке 5 показан цифровой канал связи (Digital Loop Carrier, или ЦКС) следующего поколения, работающий на тактовых частотах Ethernet-сети и телекома. Этот канал устанавливается таким образом, чтобы объединить трафик телефонных станций, линий xDSL и сетей T1/E1, свести к минимуму количество линий, идущих в центральный офис (ЦО), и увеличить скорость передачи данных по xDSL за счет укорачивания медных линий.

Рис. 5. Цифровой канал связи следующего поколения

Совокупный трафик передается в ЦО по оптоволоконному кабелю или нескольким медным линиям. Традиционно, в ЦКС для передачи данных между этим каналом и центральным офисом использовались технологии SONET/SDH или T3/E3. Однако эти каналы заменили Ethernet-сетью благодаря низким капитальным затратам и операционным расходам на ее реализацию.