CN102833025B

CN102833025B - E1/Ethernet协议转换精确时延计算方法、模块及转换器

Info

Publication number: CN102833025B
Application number: CN201210107564.6A
Authority: CN
Inventors: 杜光耀; 王宝峰
Original assignee: BEIJING GUOZHIHENG POWER MANAGEMENT TECHNOLOGY GROUP Co Ltd
Current assignee: BEIJING GUOZHIHENG POWER MANAGEMENT TECHNOLOGY GROUP Co Ltd
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN102833025A

Abstract

本发明涉及一种E1/Ethernet协议转换精确时延计算方法、模块及转换器，所述精确时延计算具体包括如下步骤：1、计算从Ethernet接收数据到向E1发送数据的延迟时间：整个计算延迟时间的起始点是开始接收Ethernet数据的时刻，停止点是开始发送E1数据的时刻；2、计算从E1接收数据到向Ethernet发送数据的延迟时间：整个计算延迟时间的起始点是开始接收E1数据的时刻，停止点是开始发送Ethernet数据的时刻；3、将延迟时间记录在数据包中。本发明提出的技术方案是SDH地面时间同步系统中重要的环节，是实现地面时间同步网络的基础。

Description

E1/Ethernet协议转换精确时延计算方法、模块及转换器

技术领域：

本发明属于数据传输领域，涉及在E1通道上承载PTP的协议转换技术，特别是涉及一种E1/Ethernet协议转换精确时延计算方法、模块及转换器及利用该转换器的方法。

背景技术

在SDH上传输以太网承载的PTP报文，首先要将以太网报文格式和SDH的用户接口E1的格式进行转换，由于以往的转换只考虑了业务转换，而对业务转换导致的延时变化没有关注。对于构建基于SDH的高精度时间同步网，必须首先解决协议转换引起的时延变化。

1) 国外发展现状与趋势：

1988年，ITU-R的前身国际无线电咨询委员会（CCIR）明确提出产业界需要在全世界范围内准确度优于10μs的时间传输技术。10年前，国际上刚开始大规模建设SDH 或SONET网络时，人们就提出利用SDH或SONET网络传送高精度时间编码信号。ITU-R S7组随后正式立项研究，美国、欧洲、日本等国家和地区也进行了大量相关的研究。

l 欧洲时间频率论坛。在90年代提出利用SDH的段开销SOH来实现标准时间的地面传递。利用单光纤和波分复用的组合方式在网络节点间传递，使用双向时间传递技术，时间精度实验室可达亚毫微秒。

l 日本电力研究所。在2000年提出利用SDH的段开销中的DCC通道（576kbps）来实现标准时间的地面传递。在现有的SDH传输设备（STE）和时钟供给设备（CSE）上附加时间同步设备（TSE）达到此功能。在有四个节点的实验网络中达到了微秒量级的精度。

l 日本NTT 传输系统实验室提出利用STS-1(VC-3)来携带1PPS（标准秒脉冲信号和时刻信号），使用双向时间传递技术，分别测试初始双向时延和双向时延变化，实验室精度可以达到100ns。影响精度最大的因素是SDH设备的时延和双向时延的不对称性。

l 日本NTT 光网络系统实验室提出利用波分复用设备，采用双向WDM传输，发送和接收采用不同的波段。在1310nm和1550nm窗口下实现了50km－100km传输时间精度在1ns。

l 日本 NTT光网络系统实验室和日本邮电部通信研究所联合提出利用STM-16进行双向时间传递.在175km长的光缆链路上,包含7个中继器,没有交叉连接设备,两个STM-16终端.实验结果表明在实验网络的条件下,可以达到和GPS共视法相当的时间精度,大致在ns的量级。

国外的研究集中在利用高速光信道和SDH开销来解决SDH网络的地面高精度授时问题，此类技术仍处于试验室研究阶段。由于改造成本和实施难度较大，而且国外发达国家网络分组化的进程快于国内。所以近来国外的研究机构在这方面没有后续的投入，转为研究分组领域内的地面授时技术。本项目针对目前电力光网络大多是SDH的实际情况，厂站E1信道资源丰富的实际情况，提出基于SDH业务信道，不改变现有SDH设备的地面高精度授时技术是有现实意义的。

2) 国内发展现状与趋势：

l 信息产业部电信研究院承担并完成了国家科技部项目“利用SDH网络传递标准时间信号”，在实验室里实现了E1接口(2.048Mbit/s)标准时间同步信号传输。它将与UTC同步的时间编码嵌入2.048Mbit/s支路信号勤务开销字节，同时利用硬件滤波器和软件算法滤除抖动，试验室时间同步的准确度优于5微妙。

l 东北电网：2008年组织SDH地面同步网络技术组网测试。结论：精度受SDH抖动影响大，网络情况好的状态下，授时精度为2us。

l 华东电网：2009年组织SDH地面同步网络技术组网测试。不考虑网络异常情况，满足指标要求。

l 浙江电网：2009年组织PTP地面同步网络技术组网测试。利用国外的时间源设备，从设备、PTP交换机、专用E1协议转换器，在网络情况好的状态下，满足指标要求。

国内对基于SDH的高精度地面授时的研究，多集中在利用SDH E1业务信道进行地面授时信号的传递，时码编码格式多为单向B码映射E1的方式或双向脉冲方式。缺乏对SDH网元时钟特性的深入研究，没有建立基于SDH地面授时的传输模型，在长距离、多节点、网元时钟故障等情况下的授时精度和保障精度，以及同步效果的检测方面存在缺陷。

3) 国内现有技术基础：

国内对单一参考源跟踪检测、锁相环技术成熟度较高。在多源混合检测跟踪技术方面和传输网络时间传输特性及其影响因素方面，虽然有研究机构已经开展预研工作，但仍然需要进一步系统研究。

传统的地面时间同步链路是采用传送NTP（Network Timing Protocol）协议的方式来实现，该协议最大的缺点只能满足ms级别的时间传递精度，这对于电力、电信系统中业务所需的us级时间精度是远远不够的。所以针对这个问题IEEE协议组织提出了PTP(Precision Time Protocal)－ IEEE1588精确时间传送协议，IEEE1588协议的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，目前已发展到v2版本。1588v2对v1进行了完善，提高了同步的精度；引入透明时钟TC模式，包括E2E透明时钟和P2P透明时钟，计算中间网络设备引入的驻留时间，从而实现主从间精确时间同步；新增端口间延时测量机制等，通过非对称校正减少了大型网络拓扑中的积聚错误。

SDH 网络是一个频率同步的数字传输网，其频率同步是基于省际、省内、本地定时平台的三层网络的等级主从同步，以全国基准时钟(PRC)作为全网同步的根本保证。SDH设备具有时钟的接口和模块，正常工作时变电站跟踪锁定上级时钟，能够通过STM—N的线路码流传送同步基准信号，也可以接收外部的时钟信号或提供外部时钟信号，并可以根据时钟质量进行实时自动时钟倒换。

目前，电力、电信等企业已有的时间同步系统都是基于GPS卫星，通过空中授时，并不完全可靠，所以就需要研究基于地面传输链路的时间同步网络。在我国，已大量建设了SDH网络，尤其在电力系统中，从调度到各个变电站都有SDH链路连接，所以，在电力系统构建采用PTP协议对时的地面时间同步网，适合的传输途径就是SDH。地面时间同步网络是由主时钟、E1/Ethernet协议转换器、SDH传输设备、光通道以及从时钟构成，时间信息的在这些设备中的传递必须考虑延迟和抖动等影响，由于PTP的对时过程是双向的，只要网络收发信息的延迟是对称的，延迟就对同步没有任何影响。延迟和抖动的产生主要由以下几个原因：

1)信号在光纤中的传播时延。

2)SDH网元对信号的缓冲、封装等处理时延。

3)SDH映射过程中由于指针调整引起的时延抖动。

4)承载PTP的以太网协议和E1协议转换引起的时延抖动。

现在协议转换器仅仅是将以太网协议码流和E1协议码流格式进行互转，而转换带来的时延变化全然没有考虑，这将导致路径延迟出现毫秒级别的抖动，这对高精度时间同步来说是个非常大的问题，会导致路径延迟和时间偏差计算出现不收敛，从时钟相对主时钟的时间偏差无法达到微秒级别以内。

本文提出的方案主要解决以太网协议和E1协议转换引起的时延抖动，这是建立基于SDH传输的时间同步网络首要解决的问题。

发明内容

本文提出的E1/Ethernet协议转换器精确测量了进出以太网接口和E1接口的时间差，并更新PTP报文的校正域，消除了协议转换的影响。

本发明一种E1/Ethernet协议转换精确时延计算方法，所述方法具体如下：

1.1实现对太网收发器的初始化配置；

1.2实现从太网收发器接收以太网上PTP设备发出的数据，进行格式转换,并且按照设备配置好的E1线路模式，发送E1收发器，最终发送到E1线路；

1.3实现从E1收发器接收E1线路上的数据，进行格式转换，发送给太网收发器，最终发送到以太网中的PTP设备；

1.4准确计算功能步骤1.2中接收太网收发器数据到发送到E1收发器的处理时间，并添加到PTP协议的相应区域中；

1.5准确计算步骤1.3中接收E1收发器数据到发送到太网收发器的处理时间，并添加到PTP协议的相应区域中。

本发明一种E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块，所述模块包括：

init_dm9k模块：此模块负责对以太网收发器的初始化配置；

Operate_Dm9k模块：此模块负责对太网收发器的所有操作，包括读写寄存器、接收发送数据包等；

Control_dm9k模块：此模块控制Operate_Dm9k；

div8模块：此模块是分频模块，将16.384M时钟分频为2.048M时钟；

Timer1、Timer2：这两个模块是计时模块，用来给逻辑电路处理数据进行计时；

ram1、ram2：这两个模块是电路中的两个存储单元，用于存储接收到的数据以供电路内部处理；

e1_rx：此模块负责接收E1收发器的数据，并将数据存入ram中；

e1_tx：此模块负责发送数据给E1收发器，发送到E1线路上。

本发明还包括一种E1/Ethernet协议转换器，所述协议转换器包括以太网收发器、E1收发器及MCU等，其特征在于：还包括所述E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块。

本发明利用协议转换器实现精确时延计算的方法，所述方法具体如下:

4.1计算从Ethernet接收数据到向E1发送数据的延迟时间：

在E1/Ethernet协议转换器开始接收Ethernet的数据时，启动一个计时器

开始计时，同时E1/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理；处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向E1发送数据，并停止计时器；

4.2计算从E1接收数据到向Ethernet发送数据的延迟时间：在E1/Ethernet

协议转换器开始接收E1的数据时，启动一个计时器开始计时，同时E1/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理；处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向Ethernet发送数据，并停止计时器；

4.3将延迟时间记录在数据包中：在E1/Ethernet协议转换器的计时器计时完成后，E1/Ethernet协议转换器把计时器得到的时间与PTP报文的correction域中的时间高48位进行相加，然后把新得到的时间再填充到PTP报文的correction域的高48位中，这样延迟时间就记录在了数据包中。

本发明有益效果在于：它可有效地利用电信运营商线路的剩余带宽，增加的投资很少、并可即时开通。利用现有网络所提供的E1通道，用较低的成本实现两个以太网互联。更关键的一点，该设备可以精确的计算数据包经过以太网和E1转换器的延时时间，然后把这个延时时间记录在发出的数据包中，接收设备可以通过这个延时时间计算出准确的时间，这样用户就可以使用通过E1通道进行准确授时。本发明提出的技术方案是SDH地面时间同步系统中重要的环节，是实现地面时间同步网络的基础。

附图说明

图1所示的本发明E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块的模块结构图。

图2所示的本发明E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块的IO示意图。

图3所示的是本发明E1/Ethernet协议转换器的系统框图。

图4所示的是本发明E1/Ethernet协议转换器的设计框图。

图5、图6所示的是利用本发明E1/Ethernet协议转换器实现精确时延计算流程图。

具体实施方式

1.1实现对太网收发器的初始化配置；

如图1所示，实现上述方法的精确时延计算模块，所述模块包括：

init_dm9k模块：此模块负责对以太网收发器的初始化配置；

Control_dm9k模块：此模块控制Operate_Dm9k；

e1_rx：此模块负责接收E1收发器的数据，并将数据存入ram中；

e1_tx：此模块负责发送数据给E1收发器，发送到E1线路上。

其中，白线表示从DM9000AEP接收到以太网数据发送到E1线路的过程；黑线表示从DS26503接收到E1数据发送到以太网的过程。

上述模块的结构如下：

顶层模块E1_ethernet_TOP；它是整个逻辑电路的顶层模块，它的IO图如图2所示。其中，各管脚说明如下：

本发明的一种E1/Ethernet协议转换器，所述协议转换器包括以太网收发器、E1收发器及MCU等，还包括如上所述的精确时延计算模块，即FPGA（LFXP2-8E）芯片，其系统框图如图3所示。其中 FPGA（LFXP2-8E）芯片是PTP-E1转换盒的核心元器件，它内部的逻辑电路负责整个数据传输功能的具体实现。

本发明E1/Ethernet协议转换器是借助于电信线路来实现以太网延伸的设备。如图4所示地面时间同步网络简图，它把以太网的帧格式变换成E1 的帧格式进行传输，再在对端将E1的帧格式还原成以太网的帧格式，实现以太网在基于E1 的电信网上的传输。

图5、图6所示的是利用本发明E1/Ethernet协议转换器实现精确时延计算流程图。过程可以分为以下两个部分：

1、计算从Ethernet接收数据到向E1发送数据的延迟时间：

整个计算延迟时间的起始点是开始接收Ethernet数据的时刻，停止点是开始发送E1数据的时刻，如图5所示。详细说明：在E1/Ethernet协议转换器开始接收Ethernet的数据时，启动一个计时器开始计时，同时E1/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理。处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向E1发送数据，并停止计时器。这样计时器的时间数据就是整个过程的延迟时间，精确到10ns。

2、计算从E1接收数据到向Ethernet发送数据的延迟时间：

整个计算延迟时间的起始点是开始接收E1数据的时刻，停止点是开始发送

Ethernet数据的时刻，如图6所示。详细说明：

在E1/Ethernet协议转换器开始接收E1的数据时，启动一个计时器开始计

时，同时E1/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理。处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向Ethernet发送数据，并停止计时器。这样计时器的时间数据就是整个过程的延迟时间，精确到10ns。

3、将延迟时间记录在数据包中：

在E1/Ethernet协议转换器的计时器计时完成后，E1/Ethernet协议转换器会把

计时器得到的时间与PTP报文的correction域中的时间（高48位）进行相加，然后把新得到的时间再填充到PTP报文的correction域的高48位中，这样延迟时间就记录在了数据包中。

Claims

1.一种E1/Ethernet协议转换器，所述协议转换器包括以太网收发器、E1收发器及MCU，其特征在于：还包括E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块，所述E1/Ethernet协议转换精确时延计算模块包括：

Init_dm9k模块：此模块负责对以太网收发器的初始化配置；

Operate_Dm9k模块：此模块负责对以太网收发器的所有操作，包括读写寄存器、接收发送数据包；

Control_dm 9k模块：此模块控制Operate_Dm9k；

raml、ram2：这两个模块是电路中的两个存储单元，用于存储接收到的数据以供电路内部处理；

el_rx：此模块负责接收E1收发器的数据，并将数据存入ram中；

el_tx：此模块负责发送数据给E1收发器，发送到E1线路上。

2.利用权利要求1所述的协议转换器实现E1/Ethernet协议转换精确时延计算的方法，所述方法具体如下：

1.1实现对以太网收发器的初始化配置；

1.2实现从以太网收发器接收以太网上PTP设备发出的数据，进行格式转换并且按照设备配置好的E1线路模式，发送E1收发器，最终发送到E1线路；

1.3实现从E1收发器接收E1线路上的数据，进行格式转换，发送给以太网收发器，最终发送到以太网中的PTP设备；

1.4准确计算功能步骤1.2中接收以太网收发器数据到发送到E1收发器的处理时间，并添加到PTP协议的相应区域中：

在E1/Ethernet协议转换器开始接收Ethernet的数据时，启动一个计时器开始计时，同时E1/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理；处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向E1发送数据，并停止计时器；

1.5准确计算步骤1.3中接收E1收发器数据到发送到以太网收发器的处理时间，并添加到PTP协议的相应区域中：

在E1/Ethernet协议转换器开始接收E1的数据时，启动一个计时器开始计时，同时El/Ethernet协议转换器把所有数据都接收完，然后进行处理；处理完成后，E1/Ethernet协议转换器开始向Ethernet发送数据，并停止计时器；

1.6将延迟时间记录在数据包中：在E1/Ethernet协议转换器的计时器计时完成后，E1/Ethernet协议转换器把计时器得到的时间与PTP报文的correction域中的时间高48位进行相加，然后把新得到的时间再填充到PTP报文的correction域的高48位中，这样延迟时间就记录在了数据包中。