（通信与信息系统专业论文）以太分组网络时钟同步技术研究及应用.pdf

摘要 摘要 以太网是目前全球使用最广泛的网络之一。作为口网络的一种有效实现方 式，以太网技术已经由桌面办公环境逐步进入到企业网、园区网和城域网的建 设中。除了非实时的数据业务外，各种实时业务，如通过p 的电路仿真业务、 流媒体业务和实时测控等都希望通过廉价的以太网进行传输。以太网最初的用 途不是用来作为传输实时业务的，当通信网络演进到基于以太网的下一代网络 时，必须在以太网中制定时钟同步的传输机制，以便提高恒定比特率业务的传 输质量。 本文主要围绕以太分组网络中时钟同步的关键问题进行了理论和实验研 究，从以太网层、无线局域网中m a c 层及以太物理层的角度出发，对网络 中源时钟传输与恢复问题进行了研究，针对不同的应用环境提出了不同的时钟 同步方法。另外，对以太无源光网络中电路仿真业务的时钟同步也进行了应用 研究。本文的主要内容和贡献如下： 首先论述了基于口网络的源时钟恢复方法。从研究c b r 分组业务间的 i p d v 的特点开始，提出了一种新的基于分组到达间隔的二次移动平均加p i 控 制器的源时钟恢复方法。该方法将统计平均和p i 控制器结合起来，使恢复时钟 的抖动功率可控，初始响应时间较快。文中还应用排队理论对单节点交换情况 下的c b r 分组的i p d v 进行了分析，指出了其分布特性受网络背景流量影响的 特点。最后，利用p a r s a v e l 关系式和z 域中离散数学等分析工具，获得了在输 入时钟样本具有弱相关性情况下时钟恢复算法的剩余输出抖动功率的解析式， 同时，通过同步响应时间解析式的简化获得了响应时间低界的表达式。 然后研究了基于以太网帧间隔( d g ) 的带外时钟传输方法。在分析了i p g 数据传输机理和数据传输帧格式基础上，提出了基于以太物理层中i p g 的c b r 业务同步时钟传输方法，并将同步剩余时戳( s r t s ) 的算法引入该方法中。基 于i p g 的剩余时戳同步算法是一种不受以太分组流量影响的带外时钟传输方 法。文中通过连分数展开分析了恢复时钟的各阶抖动成分，解决了基于i p g 的 s r t s 算法的参数选择问题，通过软件仿真和f p g a 硬件实验证明了其优良的 同步性能。 上海大学博士学位论文 接着，论文研究了以太无源光网络中电路仿真业务的传输方法。介绍了以 太无源光网络的m a c 层、p h y 层及电路仿真业务在分组网络中的数据封装和 时钟恢复方法。提出了基于频率比值计算的t d mo v e re p o n 的时钟同步方法。 该方法能同时将多路具有独立时钟的e l 信号经e p o n 系统传输。另外，用于 恢复t d m 的时钟无需特殊要求，频率可以各不相关，这为该时钟同步方法在 实际应用中带来了便利。文中还给出了t d m 业务在e p o n 系统中的时钟传输 方法。 本文最后研究了基于无线局域网的时钟同步方法。简述了w l a n 中m a c 层的功能、时钟模型和软件时钟同步的概念，在此基础上提出基于w l a n 的信 标的连续时钟同步算法，该算法的特点是利用了信标时戳作为公共参考时钟， 将同步设备中的软件时钟同步到w l a n 的a p 定时时钟上去。这部分还对所提 出的连续时钟同步算法在容错性能、抗信标延迟能力等方面进行了理论分析和 n s 2 软件仿真，仿真结果证明了所提出的连续时钟同步算法能满足工业自动化 的实时信号传输要求。 关键词：以太网，口网，以太无源光网络( e p o n ) ，无线局域网( ，a n ) ， 定时同步，源时钟恢复，连续时钟同步，电路仿真( c e s ) ，以太帧间 隔( 口g ) ，同步剩余时戳( s r t s ) ，信标 摘要 a b s t r a c t e t h o m e ti so n eo ft h em o s tp r e v a l e n tn e t w o r k su s e di nt h ew o r l d a sa l l e f f e c t i v es o l u t i o nf o rb e a r i n g 皿e t h c m e th a sb e e nt r e a t e d 私t h em a i n s t r e a m t e c h n o l o g yf o ri n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ef r o mt h et a b l e t o pw o r ke n v i r o n m e n t t ot h e e n t e r p r i s en e t w o r k i n g , c a m p u sn e t w o r k i n ga n dt h em e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k , e x c e p tt h en o n er e a lt i m ed a t ap a c k e t , al o to fr e a lt i m es e r v i c e ，s u c ha sc i r c u i t e m u l a t i o ns e r v i c eo v e ri f , s t r e a mm e d i aa n dr e a lt i m em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d a t a , a r ee x p e c t i n gt ob ed e p l o y e db yt h ee c o n o m i c a le t h e r n e t a si t so r i g i n a ld e s i g n p u r p o s e ，e t h e m e ti sn o ta m e d i af o rr e a lt i m et r a n s m i s s i o n , b u to n c ei te v o l v e dt ot h e n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ，t h es e r v i c ed o c ks y n c h r o n i z a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d a n dw e l ld e f i n e di nt h ee t h c m e t , s ot h a ts o m ec o n s t a n tb i tr a t es e r v i c ea n dt i m e s e n s i t i v ea p p l i c a t i o nc o u l db eg u a r a n t e e dw i t h o u ta n yq u a l i t yd e g r a d a t i o n t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sa b o u tt h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o no v e re t h e m e t p a c k e t n e t w o r kh a v eb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s ，舶mt h er a n g eo f 口l a y e ro v e re t h g m e t , m a c l a y e ro ft h ew i r e l e s sl o c a ln e t w o r kt ot h ep h yl a y e ri ne t h c m e t , m e t h o d so f t h ec l o c kr e c o v e r yf o rc b rs e r v i c ea n dt r a n s m i s s i o no fs y n c h r o n o u ss i g n a lo v e r e t h e r n e th a v e b e e n i n v e s t i g a t e d , a s ar e s u l t , v a r i o u sm e t h o d so fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o nf o rs o m ea p p l i c a t i o ns c e n a r i oh a v eb e e np r o p o s e d ，t h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c hf o rc e so v e re p o ni sa l s op r e s e n t e d t h ec o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h eo n e - w a ya d a p t i v es o u r c ec l o c kr e c o v e r yb a s e do ni pn e t w o r ki sd i s c u s s e d f i r s t l y a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ef e a t u r eo fi p d vf o rc b rs e r v i c et r a n s m i t t e do v e r i f , an e wm e t h o df o rc l o c kr e c o v e r yb a s e do nd o u b l em o v i n ga v e r a g ea n dp i c o n t r o l l e ri sp r o p o s e d ，t h i sm e t h o dh a ss o m em e r i t so fc o n t r o l l a b l er e s i d u a lj i t t e r p o w e ra n dr e l a t i v ef a s tr e s p o n s et i m e a p p l yq u e u i n gt h e o r yt ot h ea n a l y s i so fi p d v o fc b rp a c k e ti nas i n g l es w i t c h e rc a s e s ，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fi p d v w h i c hi se a s i l yi n f l u e n c e db yt h eb a c k g r o u n dt r a f f i ci so b t a i n e d f i n a l l y , af o r m u l a a b o u tt h ep o w e ro ft h eo u t p u tn o i s ew i t hr e s p e c tt oi n 州s a m p l e sw i t hw e a k m 上海大学博士学位论文 a u t o c o r r e l a t i o nh a sb e e nd e r i v e db yu s i n go fp a r s a v e l sr e l a t i o na n dd i s 瞅ez t r a n s f o r m , b ys i m p l i f yt h er e s p o n s et i m ef o r m u l a , al o wb o n de x p r e s s i o no fr e s p o n s e t i m eh a sa l s ob e e na c h i e v e d t h es e c o n d p a r t f o c u s e so no u t - b a n ds y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do n i n t e r - p a c k e tg a p ( 口g ) o fe t h e m e tr u n n i n gi nf u l l - d u p l e xm o d e s t a r t i n gf r o mt h e d i s c u s s i o no fd a t at r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mv i ai p ga n di t sd a t af r a m es t r u c t u r e ，a s y n c h r o n o u sr e s i d u a lt i m es t a m p ( s r t s ) b a s e dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o di s i n t r o d u c e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fn e wc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do ns r t s o v e ri p gi sf l u c t u a t i n gi m m u n i t yf o ri n - b a n de t h e r n e tt r a f f i c t h ep a r a m e t e r so f s r t sa l g o r i t h mu s e di ne t h 口- n e ti p ga n dt h eo u t p u tj i t t e rw a v e f o r ma r ed e t e r m i n e d b yu s i n gc o n t i n u e df i a c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa n df p g ah a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n a r eg i v e nt od e m o n s t r a t et h eh i 曲q u a l i t yo f r e c o v e r e dc l o c k t h et h i r dp a r ts t u d i o st h ea p p l i c a t i o no fc i r c i l i te m u l a t i o ns e r v i c e ( c e s ) o v e r e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) f e a t u r e so fm a ca n dp h yi ne p o na l e i n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e nt h ec o n c e p t i o no fc e si n c l u d i n gi t sd a t ap a c k a g i n ga n d c l o c kr e c o v e r yi se x p l a i n e d f i n a l l y , ac l o c kr e c o v e r ym e t h o do ft d mo v e re p o n b a s e do nf r e q u e n c yr a t i oi sp r o p o s e d ，b yu s eo f t h i sc l o c km e t h o d ，am u l t i p l ee 1t d m w h i c hh a si t s0 w 1 1c l o c ki n d e p e n d e n t l yc o u l db et r a n s m i t t e db e t w e e ni 、舯o fo l ta n d o n u 。f u r t h e r m o r e , t h e r ei s1 1 0s p e c i a lr e q u i r e m e n to nt h ec o u n t i n gf r e q u e n c ys i g n a l s , a n yo s c i l l a t o rw i t hf r e q u e n c yi n d e p e n d e n tc o u l db eu s e di nt h eh a r d w a r eo fi 、肝a n d t h i sg i v e sac o n v c m i c n c ef o ri m p l e m e n t a t i o n as o l u t i o no fc l o c kt r a n s m i s s i o nf o r t d mo v e re p o ni sa l s oi n t r o d u c e di n t h ep a r t s i n c ei n d u s t r i a lc o n t r o ls i g n a lm u s tm e e tt h eh a r dr e s t r i c tt i m er e q u i r e m e n t , t h e l a s tc h a p t e ra d d r e s s e ss y n c h r o n i z a t i o ni nw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k s ( w l a n ) w h i c hi s u s e da st r a n s m i s s i o nm e d i ai ni n d u s t r i a lf i e l d s o m ec o n c e p t i o n sa b o u tw l a n s m a c ，c l o c km o d e la n ds o r w a r ec l o c ka r eb r i e f l ye x p l a i n e df i r s t l y , b a s e do nt h i s c o n c e p t i o nac o n t i n u o u ss y n c h r o n o u sc l o c ka l g o r i t h mi sp o r p o s e d ，t h et i m es t a m pi n b e a c o nf r a m eo fw l a n sm a ci st r e a t e da sac o l l l i l o nt i m i n gc l o c ki nt h ef i e l d , a n d a l ld e v i c e sw h i c hs h o u l db es y n c h r o n i z e dw i l la c c o m m o d a t et h e i ro w nc l o c kt ot h e t i m es t a m p si s s u e db ya na pi nw l a n at h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn s 2s i m u l a t i o no f 摘要 t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi nt h ec a s eo fb e a c o np a c k e tl o s sa n dd e l a yo c c u r r e di sg i v e n i nt h i sp a r t a sar e s u l t , t h ep r o p o s e da l g o r i t h mo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nc a nm e e tt h e t i m i n gr e q u i r e m e n to fl o wd a t ar a t ei n d u s t r i a ls i g n a l k e yw o r d s ：e t h e r n e t ，i pp a c k e tn e t w o r k ，e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，删c s sl o c a ln e t w o r k ( w l a n ) ，c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n ，s o u r c ec l o c kr e c o v e r y ，c o n t i n u o u s c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n ，c i r c u i te m u l a t i o ns e r v i c e ( c e s ) ，i n t e r - p a c k e tg a p ( i p g ) ，s y n c h r o n o u sr e s i d u a lt i m es t a m p ( s r t s ) ，b e a c o n v 英文缩略语 英文缩略语 a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a r a u t or e g r e s s i o n a w g na d d i t i v e 喊t eg a u s s i a nn o i s e b 1 1 r s b u i l d i n gi n t e g r a t e dt i m i n gs u p p l y b s s i db a s i cs e r v i c es e ti d e n t i f i e r c b rc o n s t a n tb i tr a t e c e sc i r c u i te m u l a 石0 1 1s e r v i c e s c s m a c ac a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e c s m a c dc a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t c 、d mc o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d m a d o u b l em o v i n ga v e r a g e d p l l d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p e p ae t h e r n e tf o rp r o c e s sa u t o m a t i o n f c f sf i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e f r e q u e n c yl 0 c k c dl 0 0 p f i b e rt ot h eh o m e f i b e rt ot h ep r e m i s e s o i g a b i t sm e d i u mi n d e p e n d e n ti n t e r f a c e h y b r i df i b e r - c o a x i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t i n t e r - p a c k e td e l a yv a r i a t i o n i n t e r - p a c k e tg a p i n t e r - w o r k i n gf u n c t i o n m o v i n ga v e r a g e m e d i aa c c e s sc o n t r o l i x 非对称数字用户线路 自回归 加性白色高斯噪声 楼宇综合定时供给系统 基本服务集标识 恒定比特率 电路仿真业务 载波侦听多路访问冲突 避免 载波监听多路访问冲突 检测 粗波分复用 二次移动平均 数字锁相环 过程自动化以太网 先进先出服务 锁频环 光纤到家 光纤到驻地 千兆位媒质无关接口 光纤同轴混合网 独立基本服务集 分组间的延迟变化 帧间隔 互联功能 移动平均 媒质访问控制 耻 一 一 一 眦 茎鸯 一 鹏 m 姒 上海大学博士学位论文 n d i m i i n 任c p n 1 p o d n o n u o l t p c s p d h p d v p h y p m d p r c p s n r s i h p s d h s m s r t s t m t d m 瑚 u t c 姗。a n m e d i u md e p e n d e n tb t e 舭 m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e m u l t i p o i n t 姒cc o n t r o l n e t w o r kt i m ep r o t o c o l o p 6 c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k 0 p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ll i n et e r m i n a l p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y p a c k e td e l a yv a r i a t i o n p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t p r i m a r yr e f e r e n c ed o c k p a c k e ts w i t c h e dn e t w o r k s r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c o l s y n c h r o n o u sr e s i d u a lt i m es t a m p t h f j f i ci n d i c a t i o nm a p t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e u n i v e r s a lt i m ec o o r d l i n a t e d w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k x 媒质相关接口 媒质无关接口 多点m a c 控制协议 网络时间协议 光纤分配网络 光网络单元 光线路单元 物理编码子层 准同步数字系列 分组延迟变化 物理层 物理媒质相关子层 主参考时钟 分组交换网 调和子层 实时传输协议 同步数字系列 简单网络时间协议 同步剩余时戳 流量指示信息 时分复用 用户网络接口 统一协调时间 无线局域网 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成 果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：煌垒日期壹旦星兰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名：逝日期邋2 墨 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代由施乐公司创建并由施乐公司、i n t e l 公司和d e c 公司联合开发 了一套计算机局域网标准规范【l 】，它使用c s m a c d 媒质访问控制技术，并以 l o m b p s 的速度运行在多种类型的电缆上。传统的以太网技术是为了解决一定范 围内的资源共享和信息交换，其特点是传输距离受限、总线共享、半双工。随着 以太网上节点数量的迅速增加，为了便于各节点获得足够的带宽，9 0 年代出现了 交换型以太网和快速以太网【2 】、它解决了系统的带宽问题。此后，1 0 0 m b p s 全双 工以太网设备的推出，使得端口之间可以同时发送和接收信号，不再受c s m c d 的制约，且信号传输距离仅受信号在物理介质上传输衰减的影响，从而增加了网 络的覆盖范围。近年来开发的g b e 、1 0 g b e 光纤以太网产品 3 】h 及正在制定标准 的4 0 g b e 和1 0 0 g b e 5 1 ，以更高的物理层速度和更广的网络覆盖范围，使以太网不 再局限于局域网，它将被应用到广域网和城域网等公用网络环境中。 以太网是目前全球使用最广泛的网络技术。作为d 网络的一种极具吸引力的 解决方案，以太网的流行主要基于可扩充性能、灵活的部署距离、低成本和互操 作性等关键要求。随着i p 业务在城域网和干线传输中所占的比例不断攀升，以太 网在传输速率、可管理性等方面的不断改进，以太技术正逐渐向接入网、城域网 甚至骨干网上渗透。 在2 0 0 1 年成立的城域以太网论坛( m e f ) ，旨在把以太网变成能让电信运营 商使用的技术，即电信级以太网 6 】。城域以太网有两重含意，一是城域以太网基 础设施、二是指城域以太网业务。 目前多数运营商通过s d h 和电路交换提供语声和专线业务，通过s d h 和 分离的a t m f r 、i p e t h e r n e t 提供各种数据业务。随着宽带业务的快速发展， 已有的城域s d h 网的带宽已经不够用了，为满足未来宽带互联网接入的需求必 须大规模降低城域网的技术和运营成本。最经济有效的方法是在光纤或c w d m 网上直接架构1 0 g b e 1 0 0 b g e 城域以太网【7 1 。这种电信级的城域以太网能提供 汇聚、复用、保护、长距离传输、故障隔离、端到端q o s 等各种功能。城域以 太网基础设施的建设可以用传统技术两倍的代价，提供7 8 倍的带宽【8 】。 上海大学博士学位论文 目前，城域以太网能提供的业务主要有三类：点到点业务、点到多点业务 和多点到多点业务。点到点业务流可预测，有很好的服务质量，具备提供服务 水平协议( s l a ) 的能力，它包括以太网专线和虚拟以太网专线，即业务可以专 用或复用网络边缘接入点的以太网端口。多点到多点业务包括l a n 业务和虚拟 l a n 业务，在提供多点到多点业务时，城域网就像一个大的网桥，可以实现单 播、组播和广播的转发。点到多点业务主要用于以太网接入汇聚，也可看作是 多个点到点业务的结合。 在接入网方面，以太网与无源光网络( p o n ) 【9 】的结合，便产生了e p o n 1 0 1 1 1 】。它同时具备了p o n 和以太网的优点，成为f t t p f 1 t h 领域中的热门技 术【1 2 】【1 3 1 。 在2 0 0 0 年底成立的第一英里以太小组( e f m ) 【1 4 】，其标准化建议 i e e e 8 0 2 3 a h 1 5 】主要定义了以下四方面内容：基于铜线的以太、基于点到点( p 2 p ) 光纤的以太、基于点到多点( p 2 m p ) 光纤的以太及o a m 。8 0 2 3 e f m 工作组 的工作重点是在e p o n 的m p c p 上。上、下行速率为1 2 5 g b p s 的i e e e 8 0 2 3 a h 已于2 0 0 4 年6 月制定完成，成为i e e e 8 0 2 3 协议族中的又一个重要成员。下行 速率为1 0 g b p s 的e p o n 标准【1 6 】【1 刀目前正在制定，而一个过渡的2 5 g b p s 下行 速率的e p o n 设备目前已设计实现并进入测试阶段。 此外，可以直接采用以太网技术为用户家庭提供宽带以太接入【1 8 】。普遍采 用的一种模式是千兆到小区、百兆到大楼、十兆到家庭，也可以是千兆到大楼、 百兆到楼层、十兆入户的方式。基于以太网技术的宽带接入网与传统的用于计 算机局域网的以太网技术相比，它仅借用了以太网的帧结构和接口，网络结构 和工作原理完全不一样。在基于以太网技术的宽带接入网中，局侧设备必须支 持对用户的认证、授权和计费以及用户地址的动态分配。用户侧设备只有数 据链路层功能，工作在复用器方式下，各用户之间在物理层和数据链路层相互 隔离。为了保证设备的安全性，局侧设备与用户侧设备之间采用逻辑上独立的 内部管理通道【1 9 l 。 总之，在口接入网中采用以太网技术或基于以太技术的无源光网络能够满 足城市小区化聚居的要求，可以用较低的成本、较快的速度建设宽带i p 接入网 络，实现网络管理、用户服务选择及用户策略控制和网络安全等功能，实现真 2 第一章绪论 正的电视、电话、数据三网融合【2 0 1 。 在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等 物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足发展的要求。因 此，必须在现场总线外寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，目前在信 息网络中广泛应用的以太网技术已成为首选目标。工业以太网【2 l 】一般是指在技术 上与i e e e8 0 2 3 标准兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性 以及实时性等方面能够满足工业现场的需要。 事实证明，通过一些实时通信增强措施及工业应用高可靠性网络的设计和实 施，以太网可以满足工业数据通信的实时性及工业现场环境要求，并可直接向下 延伸应用于工业现场设备间的通信【2 2 1 。目前建立在i e e e 8 0 2 x 以太网规范基础上 的工业以太网协议有m o d b u s r t 、p r o f i n e t 、e t h e r n e t i p 、f f h s e 等。值得一 提的是在国家科技部“8 6 3 ”计划的支持下，我国拥有了第一个自主知识产权的现 场总线国家标准用于工业测量与控制系统的e p a 通信标准，它是基于 i s o i e c 8 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 5 及t c p i p 协议的工业控制网络标准， 实现工业企业综合自动化系统中由信息管理层、过程监控层直至现场设备层的无 缝信息集成，解决了基于以太网的确定性通信调度规范、定义了基于以太网和 t c p i p 协议的应用层服务和协议规范，为用户应用进程之间的数据和信息交换提 供了统一的平台。 在无线通信领域，1 9 9 9 年i e e e 正式颁布i e e e8 0 2 1l a 、8 0 2 1 1 b 无线局域网标 准 2 3 1 。由于无线传输的特性，为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各 站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网c s m a c d 相类似的 c s m a c a 协议，它是有线以太网的自然延伸和逻辑扩展，在过去几年里，i e e e 8 0 2 1 l b g 无线网络的效益得到了广泛的认可，同时无线设备的价格也变得更低 廉。此后的i e e e8 0 2 1 1 工作组又先后在p h y 层、m a c 层范畴内扩展了协议的适 用范围，如强化安全的8 0 2 1 l i 、让多媒体应用更流畅的8 0 2 1 l e 、适合移动车辆 间使用的8 0 2 1 l p 。2 0 0 3 年起，i e e e 8 0 2 1 1 组织开始了8 0 2 1 1 n 的制订工作，设定 了一个传输速率最高6 0 0 m b p s ，数据吞吐率在m a cs a p 处突破1 0 0 m b p s 的目标 2 4 1 ，并支持8 0 2 1l eq o s 标准【2 5 1 。可以肯定，随着在i e e e8 0 2 1 1 名下的各种标准 的制定，尤其当8 0 2 1 1 n 正式颁布时，将迅速推动无线应用走上新的高度，其中 3 上海大学博士学位论文 包括移动互联网“热点地区接入应用、家庭高清影视设备互联、无线工业控制 和v o i p 电话，w l a n 市场将会有翻天覆地的变化。 1 2 以太网中定时同步的应用需求 l2 1 时间同步、定时同步和时钟同步的概念 在通信网络中，时常涉及的同步概念【2 6 】有时间同步( t i m es y n c h r o n i z a t i o n ) 、 定时同步( t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ) 和时钟同步( c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ) 。时间同步 是指把若干个时钟的时间设置为相同时间的过程或者方法；定时同步可以说是 频率同步( f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ) 的别称，是指把若干个时钟的频率设置为 相同频率的过程或者方法；而时钟同步则是前两者的综合，即指把若干个时钟 的时间和频率设置为相同的时间和频率的过程或者方法。 值得注意的是，在电信网特别是在电信网的传输网中，通常所说的时钟同 步往往只实现了严格的定时同步，由此谈及的时钟同步，其真正含义实际上是 频率同步。通常，时间同步是应用层的需求和服务，在应用层上得以实现；而 定时同步则是物理层正常工作必备的功能和要求，在物理层上实现。电信网是 在数字同步网的支撑下进行工作的，数字同步网的功能是向电信网中的各种业 务网络提供和分配定时同步信号。定时信号依附于信息传送时的比特码流，定 时信号的供应和分配是电信网物理层的组成部分。 互联网以包交换技术为基础，没有严格的定时同步要求。互联网的时间同 步主要服务于互联网上应用层的某些需求，对互联网物理层的工作不产生影响。 时间同步在电信网中也有应用，如交换机的时间同步和码分多址( c d m a ) 通信 的时间同步。前者应该看成互联网时间同步的特殊应用，或者时间同步子网络 的扩展；而后者主要是全球定位系统( g p s ) 时间代码在基站解码中的应用。 定时同步工作在物理层和数据链路层，与高层协议无关。而时间同步工作 在应用层，互联网的时间同步借助于n t p 实现。n t p 和其他互联网协议的一个 主要不同，是它对硬件时钟调节电路的依赖性。围绕着时钟调节，采用了一系 列的算法，如滤波算法、时间选择和聚类算法、合成算法、时钟调节算法等。 4 第一章绪论 1 2 2 通过i p 的电路延伸 通常我们把信息交换分为电路交换方式和分组交换方式两种方式。电路交换 起源于面向连接的电话交换服务，为了保证信息传输的质量，对信道交换、收发 设备以及中间的传输媒介都有严格的时钟同步要求。时钟同步是电路交换网络的 必要条件。而分组交换技术是在数据传输要求的驱动下发展起来的。分组交换设 备中典型的就是a t m 和i p 网络。只有在分组交换涉及诸如话音服务等实时服务类 型，以及和电路交换设备协同工作时，时钟及其同步则是必须考虑的因素。 从理论上讲，在网络上传输话音看起来并不难，数字化后的话音信号只是 一种数据，可以和其它数据一样由分组网络传输。电话网络的主要技术成就，如 最低成本路由方法，在i p 网络中都可以找到与之相对应的部分。当把i p 网络和标 准的电话网相互连接时，要想实现在全球的标准电话互连，必须面对q o s 和信令 这些问题。 为了将现有的t d m 设备和在其上开发的丰富的功能继续充分使用下去，在口 网络上的电路仿真技术或t d m o l p 技术应运而生1 2 7 1 ，其做法是在p 网络中不做任 何数据解释地透明传输i t d m 帧。这样一来，t d m 内部的时隙、信令通道等内容 得以保留，即使有些通道是用来传送数据的，或整个帧都是非结构化的数据流， 对于t d m o l p 而言是不关心的，因此，它可以用来传输任意的t 1 e l 服务。类似地， t d m o l p 的基本思想可以很容易地扩展到分档t 1 或信道化的e 1 系统中。 i p 网络中的数据包以一个随机的延迟到达目的地，该延迟称作抖动。当在口 网络上模拟t d m 时，假设存在合适的时间参考，就可通过使用缓冲区来平滑所 接收的数据，克服这种随机性。但大多数情况下，原始的时钟参考信息是得不到 的，这就需要一个时钟同步的方法。类似地，在以太网上的电路仿真、在e p o n 上的电路仿真，都需要一个良好的原时钟恢复方法，使恢复出的t d m 信号质量 符合m t t 的相关规定。 全球性电信运营商正转向基于以太网的传输技术从而远离当前的恒定比特 率传输概念。传统上，业务流量是由非常准确的定时系统通过网络加以管理的， 业务速率在网络的各个主要交叉互联设备上能有效地重设。以太网最初的设想不 是用作一个传输语音和视频服务的实时传输媒介，当迁移到下一代网络后，必须 在以太网