同步以太技术白皮书

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1 背景 (1)
2 同步以太的同步原理 (2)
3 同步以太的SSM功能 (5)
3.1 同步以太的SSM质量等级定义 (5)
3.2 同步以太如何传递SSM信息 (6)
3.3 同步以太的SSM协议如何工作 (8)
3.4 在什么情况下会成环 (10)
4 同步以太的设备模型 (13)
5 同步以太的组网要求 (14)
6 同步以太技术的总结 (15)
7 参考标准 (16)
插图目录
图2-1 同步以太示意图 (2)
图3-1 SyncE中的SSM信息传递 (8)
图3-2 SSM协议工作原理 (9)
图3-3 SSM协议状态机 (10)
图3-4 无SSM的场景 (11)
图3-5 有SSM的场景 (11)
图5-1 G.803推荐的物理层同步组网要求 (14)
表格目录
表2-1 以太接口的同步以太支持能力 (3)
表3-1 表－ESMC报文格式 (6)
表3-2 表：QL TLV格式 (7)
同步以太技术白皮书同步以太技术白皮书
同步以太技术白皮书
关键词：
同步以太,SyncE、SSM
摘要：
本文主要介绍同步以太和NTR技术，包括同步以太和NTR的同步原理、SSM保护倒换
原理以及相关的标准体系等内容。

缩略语：
同步以太技术白皮书 1 背景
1 背景
全IP化是未来网络和业务发展的趋势，这已被业界公认，移动网络也是如此。

在移动
网络向全IP逐步推进的过程中，也对如何实现时钟同步提出了新的需求和挑战。

众所周知，分组交换网络用于突发性数据通信的传输，其中信息在源处封装成分组，这
些分组通过网络节点(如交换机和路由器)以存储转发的方式传输，直至到达目的地。

因
此分组网络和原来的电路交换网络有着很大不同，在本质上是异步的。

网络演进到分组
网络后，原来由SDH网络承担的同步网功能，也相应地需要由分组网络来承担，这就
对分组网络提出了同步的需求。

ITU-T SG15/Q13 针对分组网络的同步需求，在G.8261
标准中定义了分组网络的定时和同步特征，提出了同步以太（Synchronization Ethernet，
简称SyncE）的概念，并在G.8262和G.8264标准中明确定义了同步以太节点时钟
（Ethernet Equipment Clock,简称EEC）的性能指标要求和保护倒换协议。

2 同步以太的同步原理
同步以太和传统SDH同步类似，是一种基于物理层码流携带和恢复频率信息的同步技术。

同步以太技术从以太网线路的串行码流里提取时钟，通过选源算法后，送给设备系统时钟锁相环跟踪产生系统时钟，然后通过系统时钟把该端口的线路时钟作为其他同步以太端口的发送参考时钟，在发送的串行码流重发送出去。

接收方向，从线路串行码流中提取时钟要求码流中必须保持足够的时钟跳变信息，也就是避免连续的长1或者长0。

以太网物理层编码采用4B/5B（FE）和8B/10B（GE），平均每4个BIT就要插入一个附加比特，这样就不会出现连续4个1或者4个0，从而加便于提取时钟。

在发送方向，同样需要对发送的串行码流按照编码规则进行加扰，以避免接收侧无法提取时钟。

图2-1同步以太示意图
IEEE 802.3标准定义了各种类型的以太网接口，并非所有的接口都支持同步以太，如自协商模式下，如果PHY的某一个端口被协商成Slave模式，那么该端口只能提取接收侧的线路时钟，但发送侧不能跟踪系统时钟，而是直接采用接收侧提取的线路环回作为发送时钟。

此时我们说该端口不支持全功能的同步以太，只能支持单方向的同步以太。

ITU-T G.8262标准在附录中详细说明了IEEE802.3的各种以太接口对同步以太的支持能力，详见下表：
表2-1以太接口的同步以太支持能力
在实际产品开发中，不会支持上述所有接口，各产品支持的同步以太接口类型，详见各产品的产品手册描述。

3 同步以太的SSM功能
同步以太和传统SDH同步一样，在组建同步网时必须提供同步质量信息传递、保护倒
换和防止跟踪链路成环的功能。

这就要求同步以太也必须支持ITU-T G.781标准定义的
SSM协议。

3.1 同步以太的SSM质量等级定义
SSM（Synchronous Status Message）是ITU-T G.781在SDH网上定义的标识时钟源质量
（QL）等级的一组状态信息，用一个字节表示，高4bit保留（全部填0），低4bit表示
质量等级QL。

常见的G.781定义的Option1 SDH网络的时钟源质量等级如下：
上表是常见的Option1 SDH网络的时钟质量等级，按照排列顺序，质量等级从高到低，
也就是说一个携带QL-PRC SSM信息的时钟源，其质量等级要高于一个携带QL-SSU－
A SSM信息的时钟源，设备在选源时，会优先选择质量等级高的参考源跟踪。

各个质量
等级的含义如下：
QL PRC: 该同步路径传送一个由PRC(定义在G.811)生成的时钟质量，即通常说的BITS
跟踪GPS或者北斗等卫星源后输出的时钟信号的质量等级；
QL SSU-A: 该同步路径传送一个由类型I或类型V从时钟(定义在G.812)生成的定时质
量，即通常说的BITS配置铷钟时，在丢失GPS等卫星源后进入保持或者自由振荡时输
出的时钟信号的质量等级。

QL SSU-B: 该同步路径传送一个由类型VI从时钟(定义在G.812)生成的定时质量，即通
常说的BITS配置晶体钟时，丢失GPS等卫星源后进入保持或者自由振荡时输出的时钟
信号的质量等级。

QL SEC/EEC: 该同步路径传送一个由SEC(定义在G.813)生成的定时质量，即通常说的
承载网设备（SDH设备SEC或者同步以太设备EEC）丢失参考源后进入保持或者自由
振荡时输出的时钟信号的质量等级。

QL DNU: 该信号不可用作同步，表示该时钟源不可以作为参考源。

3.2 同步以太如何传递SSM信息
在SDH网络中，STM-N接口通过帧开销的S1字节位置来传送SSM信息，因此经常也
叫做S1字节。

E1 2Mbps接口则通过Sa Byte中的空闲比特来传递SSM值。

而在同步以
太网中，ITU-T 规定通过专门的慢协议报文ESMC报文（Ethernet Synchronization
Messaging Channel）来携带和传送SSM信息，并在G.8264标准对ESMC报文做了详细
的定义。

G．8264标准定义的ESMC报文符合OSSP协议，SSM质量等级包含在该报文的TLV
域中。

ESMC报文的格式如下表所示：
表3-1表－ESMC报文格式
该报文格式支持两种报文：ESMC information PDU报文和ESMC Event PDU报文。

可以
通过Event flag来区分这两种报文。

ESMC information PDU报文中包含当前QL信息，1
秒钟发一个。

当QL等级发生变化时，马上发送ESMC Event PDU报文，该报文中包含的是变化后的新的QL信息。

SSM TLV信息包含在Data and Padding最开始的数据中，其他的填充数据在SSM TLV 之后。

SSM TLV的格式如下：
表3-2表：QL TL V格式
数据和填充：这个字段包含数据和必要的填充来获得64字节的最小帧长度。

PDU必须是一个完整的字节数。

填充特性没有被定义，接收端可以忽略。

ESMC PDU推荐的最大长度是128字节，但是允许大于这个值。

ESMC报文在发送方向和接收方向的处理流程如下：
1.发送方向
a.每秒产生1个ESMC information PDU报文，携带网元当前的QL信息。

b.一旦本节点的QL发生变化，则立刻发送一个包含变化后的新的QL TLV的ESMC
Event 报文，以便以最快的速度通知下游节点QL的改变。

同时Information报文的发送定时器被复位，重新以1秒钟的发包率发送携带新QL的Information报文。

2.接收方向
a.如在5秒钟内收不到ESMC Information报文，则该端口的QL将被设置为DNU，
触发源倒换计算，同时Information报文的接收定时器将被复位，重新侦听Information报文。

如在5秒钟内收到Information报文，也马上复位Information报文的定时器，同时认为改参考源仍然是有效的，不触发源倒换计算。

b.一旦接收到Event报文，则马上更新该端口的QL状态，并触发本节点重新进行选
源计算。

同时Information报文的接收定时器将被复位，重新开始侦听Information 报文。

----结束
同步以太多的ESMC报文和SSM信息的传递，可以用下图来表示：
图3-1SyncE中的SSM信息传递
3.3 同步以太的SSM协议如何工作
通过上面的章节描述，大家看到ITU-T G.8264标准解决了同步以太网络中SSM质量等
级的传递问题，接下来介绍同步以太如何利用SSM协议来进行选源、保护倒换和防止
成环。

同步以太和SDH同步一样，SSM协议仍然遵循ITU-T G.781标准定义。

同步以太网络中SSM质量等级传递的几个原则：
●保持或自由振荡状态下转发SSM质量等级的规则
在同步以太设备时钟EEC丢失输入定时参考信号且无其它可用定时参考信号时，EEC
将进入保持或自由振荡状态，所有方向的同步以太线路和外定时输出信号（直接导出的
除外）均应发送EEC时钟等级的SSM信息(1011)。

●正常跟踪状态下转发SSM的规则
所有方向的同步以太线路和外定时输出信号（反向发送DNU的除外和外定时输出信号
直接导出的除外）应发送SSM协议选中的当前定时参考信号的SSM质量等级。

如上游
传递的是PRC，则本节点向下分发的也是PRC。

●外定时输出信号直接导出的规则
当外定时输出信号选择从同步以太线路导出时，外定时输出信号应发送选用的同步以太
线路携带的SSM质量等级信息。

●倒换状态下转发SSM的规则
当EEC选用新的定时参考信号时，所有方向的同步以太线路和外定时输出信号（反向
发送DNU的除外和外定时输出信号直接导出的除外）应发送新选用的定时参考信号的
SSM质量等级信息。

反向发送DNU的规则
当EEC选用一个同步以太线路信号作为定时参考信号时，其对应的反向同步以太线路
信号应发送QL_DNU的SSM质量等级信息，以避免上游节点跟踪本节点发送的时钟形
成定时环路。

当外定时输出信号选择从同步以太线路导出，且EEC选用外定时输入信号作为定时参
考信号时，而且二者的SSM质量等级相同时，其对应的反向同步以太线路信号应发送
QL_DNU的SSM质量等级信息。

SSM协议的工作原理
SSM协议通过在同步节点之间传递SSM信息，实现同步链路的选源和保护倒换。

以下
图为例，说明SSM协议工作的基本原理。

图3-2SSM协议工作原理
上图描述了同步以太网络采用SSM协议进行选源和倒换的过程。

配置两个BITS，通过
网元的2MBit外时钟口接入。

各网元的参考源和参考源的优先级必须由人工规划，然后
人工在网管的优先级表中进行配置：NE1（EXT1，W，内部源），NE2（W,E，内部源），
NE3（W,E，内部源），NE4（W,EXT1，内部源），BITS和网元均使能SSM协议。

正常工作下，BITS1和BITS2都跟踪GPS，输出的SSM质量等级都是PRC。

由于EXT1
在NE1的优先级表中的优先级排列最高，且在跟踪GPS的情况下SSM质量等级是PRC，
因此NE1运行SSM协议，选择跟踪EXT1，并输出EXT1携带的SSM质量等级PRC
给下游网元NE2。

NE2收到西向参考源W的质量等级为PRC，且优先级最高，选择跟
踪西向参考源W，并继续向下游网元NE3分发PRC质量等级信息。

根据上面描述的规
则2，由于NE1跟踪接收的西向线路参考源，因此反送给NE1的线路时钟携带的SSM
质量等级将为不可用DNU。

虽然NE1的优先级表里也配置了NE2的线路时钟，但是由
于NE2在跟踪NE1的情况下，反送的是DNU，因此NE1不会选用NE2的参考源，可
以有效防止时钟跟踪链路成环。

同NE2，NE3选择跟踪NE2的线路时钟。

NE4收到的
NE3的参考源和BITS2参考源携带的SSM质量等级都是PRC，但由于NE3的参考源W
优先级比EXT1高，因此NE4会优先选择跟踪NE3，而不是BITS2。

如果BITS1的GPS丢失，BITS1送给NE1的EXT1参考源携带的SSM会降低变成
SSU-A，但由于NE1收到的NE2的参考源为DNU，因此NE1在倒换前仍然会跟踪BITS1，
并向下传递SSM信息SSU-A，直到NE3将SSU-A的质量等级传给NE4。

NE4此时优
先级表里有三个参考源，西向线路参考源SSM为SSU-A，外部EXT1 BITS2参考源SSM
为PRC，内部源为EEC，PRC的质量等级最高，因此NE4将切换参考源到EXT1 BITS2，
并将跟踪BITS2后的质量等级PRC传递给NE3，NE3发现东向参考源E的质量等级PRC
比西向参考源W的质量等级SSU-A高，马上切换到跟踪NE4。

NE2和NE1的倒换过
程相同。

由此完成了时钟链路的倒换，整个同步网的参考源从BITS1切换到了BITS2，
跟踪路径变成红色的路径。

上述是同步以太SSM协议运行的基本过程，在真实网络中，只是组网形式变得更复杂
而已。

其他的功能如导出模式、自由振荡和保持模式下的SSM传递，不在本文做描述，
详见ITU-T G.781标准。

图3-3SSM协议状态机
3.4 在什么情况下会成环
SSM协议的一个重要作用就是防止同步跟踪链路成环，那么在什么情况下会出现成环的
情况呢？分两种场景来分析：一种场景是没有SSM协议的情况下，一种是有SSM但是
规划不当的情况下。

图3-4无SSM的场景
无SSM的场景
配置两个BITS，通过网元的2MBit外时钟口接入。

各网元的参考源和参考源的优先级
必须由人工规划，然后人工在网管的优先级表中进行配置：NE1（EXT1，W，内部源），
NE2（W,E，内部源），NE3（W,E，内部源），NE4（W,EXT1，内部源）。

一个网元
配置多个参考源，是为了实现参考源之间的保护。

在没有SSM的情况下，网元根据优先级来确定跟踪的参考源，因此正常工作情况下的
跟踪链路如上图所示，每个网元都跟踪各自优先级最高的参考源。

如果BITS1和NE1
之间的外时钟电缆不小心被碰掉了，NE1会立刻检测到该参考源丢失，然后马上切换到
第二优先级的参考源W，因为此时线路源W物理上是好的，没有LOS。

在整个过程中，
NE1送给NE2的线路源自始至终物理上都是好的，也没有LOS，因此NE2会一直跟踪
NE1，这就形成了NE1跟踪NE2、NE2跟踪NE1的定时环路。

图3-5有SSM的场景
有SSM的场景
配置两个BITS，通过网元的2MBit外时钟口接入。

各网元的参考源和参考源的优先级
必须由人工规划，然后人工在网管的优先级表中进行配置：NE1（EXT1，W，E，内部
源），NE2（W,E，内部源），NE3（W,E，内部源），NE4（W,EXT1，E，内部源），
BITS和网元均使能SSM协议。

注意和“图SSM协议工作原理”的不同之处在于NE1
和NE4的参考源优先级表配置不同，NE1可以跟踪NE4的线路源，NE4也可以跟踪NE1的线路源。

正常工作状态下，跟踪路径为：BITS1—NE1—NE2—NE3—NE4，因为NE1和NE4之间没有跟踪关系，所以NE1和NE4之间互相发送的SSM都是PRC。

如果BITS1的GPS 源丢失，NE1将立即收到BITS1的SSU-A 质量等级，并将SSU-A向下传递。

但由于传递到NE4需要一定的时间，在NE4收到SSU-A之前不会做任何动作。

因此，NE4发给NE1的参考源会保持PRC，那么NE1比较其优先级表里面的几个参考源，发现NE4送来的参考源是PRC，在几个参考源里面的优先级最高，就会切换到跟踪NE4。

NE1跟踪NE4后，会改变向下传递的SSM为PRC，这样NE4就会继续跟踪NE1，就形成了NE1――NE2――NE3――NE4――NE1的定时环路。

综上所述，同步以太网需要通过人工规划和SSM协议结合，才能提供完善的保护倒换方案和有效防止成环。

在规划同步网的时候，一定要注意“破环”，同步路径规划成链状，避免首尾相接。

4 同步以太的设备模型Inputs Outputs
T0 -> SDH / ETH
equip.
增加同步以太接口后的SEC和EEC设备模型如上。

●输入接口：同步以太接口TE、STM-N线路接口T1、PDH接口T2、2MHz和2Mbit
外时钟接口T3；
●输出接口：SDH或者同步以太线路接口时钟T0，2MHz和2Mbit外时钟接口T4。

●选源模块：系统时钟选源模块Selector B，用于选择系统时钟的参考源，可以从TE、
T1、T2、T3中选择；外时钟选源模块Selector A和C，Selector A用于选择SDH线
路时钟或者同步以太线路时钟，Selector C用于选择系统时钟还是线路时钟。

也就
是说系统时钟可以跟踪任何一个参考源，但是外时钟只能跟踪SDH和同步以太线
路时钟或者系统时钟，而不能跟踪PDH时钟和外时钟。

通常情况下，都会使能SSM
协议，选源模块按照SSM协议进行选源，可以有效防止跟踪链路成环和提供完善
的保护倒换功能；而在不使能SSM协议的情况下，选源模块一般根据参考源的有
无状态和优先级配置来进行选源，可以提供简单的保护倒换功能，但不能有效防止
跟踪链路成环。

一般承载网设备都遵循ITU-T标准定义的上述设备模型，只不过在SDH同步时代，大
多采用STM-N线路接口和外时钟接口，没有定义同步以太接口TE而已。

而在分组网
络中，分组设备则大多采用同步以太接口TE和外时钟接口，但也可以支持STM-N、PDH
等TDM接口。

5 同步以太的组网要求
为了达到规定的同步质量要求，必须对同步传送的网络做相应的要求，并且在网络规划的时候遵循一定的组网规则，G.803对此做了如下的规定：
●同步节点数量，自基准钟到末端局，介入的BITS时钟数目不应超过7个（2～3个
为加强二级钟ST2E，3～4个为加强三级钟ST3E）；
●同步设备时钟（SEC/EEC）数量，相邻BITS间的SEC/EEC时钟总数不应超过20
个，EEC的总数理想情况下不超过60个；
●极限同步参考链：K=10 、N=20 且SEC/EEC总数小于60个。

图5-1G.803推荐的物理层同步组网要求
SEC/EEC
过滤噪声
< 10 BITS
< 60 SEC / EEC G.812
G.812
(推荐<10)
(推荐<10)
G.811
G.813/G.8262
K
K -1
6 同步以太技术的总结
综上所述，同步以太和传统的SDH同步非常类似，是目前业界比较成熟的同步技术和解决方案。

同步以太的网元级设备时钟性能指标遵循ITU-T G.8262标准，组网性能满足ITU-T G.823标准，SSM协议遵循ITU-T G.8264和G.781标准，其中G.813和G.8262都是规定的网元级的性能指标要求，两者的要求基本完全一致。

Option1同步以太和Option1 SDH同步技术的对比如下：
同步以太的优劣势如下简单总结如下：
●时钟质量和传统SDH相同，完全可以满足G.8262和G.823标准要求。

●采用物理层码流传送和提取时钟，不受PSN网络背景流量、优先级等影响，可靠
性高。

●设备实现方案与SDH方案基本相同，技术成熟。

●需全网支持和逐点部署，中间链路不能有不支持同步以太的节点。

●只支持频率同步，不支持时间（相位）同步。

同步以太技术白皮书7 参考标准
7 参考标准
●ITU-T G.781 同步层功能
●ITU-T G.813 SDH设备从时钟（SEC）定时特性
●ITU-T G.823 基于2048kbit/s系列的数字网抖动和漂移的控制
●ITU-T G.8261 分组网络的定时与同步特征
●ITU-T G.8262 同步以太网设备从时钟（EEC）定时特性
●ITU-T G.8264 分组网络的定时分发。