CC BY
193
СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ ПОСТРОЕНИЯ ПАКЕТНОЙ СЕТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЕДИНОГО ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ
Мазуренко Дмитрий Константинович,
начальник отдела, к.т.н., ФГУП ЦНИИС, Россия, Москва, dm.ma2010@yandex.ru
Ключевые слова: единое точное время, ведущий сервер, ведомый сервер, локальные часы, протокол передачи меток времени, девиация задержки пакетов.
Обеспечение единого точного времени на сети оператора связи связано с выполнением процессов установки текущего времени, последующей корректировки, а также его хранения, то есть поддержания точности хода "локальных" часов, которые осуществляются с помощью дистанционной синхронизации от эталонного источника частоты и времени. В целом, система единого точного времени (ЕТВ) представляет собой совокупность технических средств, то есть источников сигнала, сети связи и приёмников информации, местных синхронизируемых "локальных часов", которую можно представить в виде сетевой модели. Известно, что характеристики качества синхронизации частоты и времени в сети связи с пакетной коммутацией зависят от возможной девиацией временной задержки пакетов в промежуточных коммутаторах и маршрутизаторах. При этом метрика для определения количественного влияния девиации задержки пакета на синхронизацию времени характеризуется, в основном, значениями - Time Deviation (TDEV) и minTDEV. На основе сетевой модели анализируются погрешности, возникающие при передаче по сети связи с пакетной коммутацией сигналов ЕТВ. Приведена классификация характеристик системы частотно-временного обеспечения (ЧВО), представленных автором в виде функциональных, информационных и физических.
Приведены сетевая и эталонная модели системы распределения сигнала ЕТВ, разработанные МСЭ-Т для оценки точности синхронизации времени на сети оператора связи. Показано, что на основе сетевой модели для каждого маршрута передачи сигнала ЕТВ должны определяться требования к характеристикам сети связи, которые обуславливаются статической асимметрией задержки пакетов и минимальной девиацией задержки пакетов между опорными точками сетевой модели системы распределения сигнала ЕТВ. Рассмотренные модели могут быть использованы при проектировании и реализации в РФ глобальной пакетной сети распределения сигналов ЕТВ на основе наземного комплекса волоконно-оптических систем передачи.
Для цитирования:
Мазуренко Д.К. Сетевые решения построения пакетной сети распределения сигналов единого точного времени // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №4. - С. 67-71.
For citation:
Маzurenko D.K. Network reference model of the UTC distribution for the packet networks. T-Comm. 2015. Vol 9. No.4, рр. 67-71. (in Russian).
T-Comm Vol.9. #4-201 5
1. Классификация характеристик системы ЧВО согласно МСЭ-Т
Задача по обеспечению высокого качества услуг связи в системах связи с коммутацией пакетов, как показала практика внедрения этих систем, тесно связана с высоким качеством синхронизации, как частоты, так и времени, то есть с организацией системы ЧВО. Поэтому в рамках МСЭ-Т комиссией ИК-15 разрабатывается пакет рекомендаций по передаче частоты (рекомендации серии G.826x) и времени (рекомендации серии G.827x) через сети с коммутацией пакетов. На рис. 1 приведено текущее состояние процесса разработки рекомендаций МСЭ-Т по передаче информации о частоте и времени в сетях связи с коммутацией пакетов, классифицированных и представленных автором в виде функциональных, информационных и физических характеристик системы ЧВО.
Термины и определения рекомендация ITU-T G.8260
Функциональные
Часто!» <IhHit/iipcMH
авилгу 1*1. аяму-до, GttWYlMS о earn. 13ве, аеотулкт
Информационные
доя г«
'['III и [.- и 11
аиттгмят.!
Физическ
Рис. 1. Текущее состояние процесса разработай рекомендаций G.826x. и G.827x
Примером осуществления принципов передачи частоты через сети связи с коммутацией пакетов, изложенных в рекомендациях МСЭ-Т, может служить синхронный Ethernet, а для передачи меток времени на основе пакетного метода передачи протоколы NTP (Network time protocol), SNTP (Simple network time protocol) и РТР (Precision time protocol).
Следует отметить, что создание системы ЕТВ может быть реализовано на основе ряда технических решений в зависимости от способа доставки эталонного сигнала.
Одним из таких решений, которое представляется наиболее эффективным, является создание специальной распределительной сети ЕТВ [1]. При этом систему ЕТВ можно представить в виде некой иерархической структуры, имеющей ряд особенностей, рассмотренных ниже.
2. Основные особенности передачи сигналов
ЕТВ в сетях связи с пакетной коммутацией
Создание системы ЕТВ на сети оператора связи подразумевает реализацию процессов установки и последующей корректировки текущего времени, а также его хранения. При этом для установки и корректировки вре-
мени могут использоваться только пакетные методы, в тоже время в сетях связи, построенных на основе коммутации пакетов, возможны два основных способа передачи информации о частоте от эталонного источника сигнала к приемнику, необходимой для поддержания точности хода местных «локальных часов»,
К первому способу можно отнести синхронный «Ethernet» (синхронный метод), ко второму - пакетные методы передачи (пакетный метод)
Согласно [2] имеются несколько различий между пакетными методами, основанными на протоколах РТР, NTP, SNTP и синхронными методами, например, синхронным «Ethernet».
Основными из этих различий являются:
а) синхронные методы - являются односторонними методами и подходят для синхронизации частоты.
Пакетные - методы могут использоваться в одностороннем режиме, чтобы обеспечить синхронизацию частоты и приближенную синхронизацию времени.
Пакетные методы на основе двухстороннего режима могут обеспечить синхронизацию времени также как и частоты.
б) так как сигнал синхронизации в синхронных методах содержится в сигнале линейного кода, то требования к исходному сигналу, используемому для выделения сигнала синхронизации, не связаны с нагрузкой трафика.
Напротив, требования к исходному сигналу, используемому для выделения сигнала синхронизации, в пакетных методах зависят от нагрузки трафика, особенно если «качество обслуживания» не определено системой приоритетов.
в) синхронные методы двухточечные. Каждый промежуточный узел между первичным эталонным источником (ПЭИ) и «локальными часами» при рассмотрении должен быть частью системы распределения сигнала синхронизации через соответствующие непрерывные цепи синхронизации.
При пакетных методах передачи сигнала синхронизации возможно простое пересечение узлов, которые не включены в распределение сигнала синхронизации.
г) входной допуск на характеристики сигнала синхронизации при синхронных методах выражен в терминах «шум» в опорном сигнале и определен количественно метрикой - TDEV и Maximum Time Interval Error (MT1E).
Характеристики качества при передаче информации в сети с пакетной коммутацией, определяющие эффективность пакетных методов, связаны с потерей пакетов и девиацией задержки пакетов и зависят как от топологии трафика на физическом уровне, так и от минимизации времени задержки сообщений.
Для определения количественного влияния девиации задержки пакета на синхронизацию времени используются характеристики значений TDEV и minTDEV, так как MTIE не служит определяющим показателем девиации задержки пакета с точки зрения синхронизации времени «локальных часов», потому что не все пакеты, как правило, используются в алгоритмах синхронизации времени. [2].
T-Comm Том 9. #4-2015
В соответствии с концепцией синхронизации в сетях связи с коммутацией пакетов определены следующие классы часов [3], приведенные в табл. 1.
Таблица 1
Классы часов, использующих пакетный метод передачи/приема информации
Класс часов Вход сигнала синхронизации Выход сигнала синхронизации Примеры
master Физический уровень Передача в составе пакета на более высоком уровне РТР master, NTP server
slave Прием в составе пакета на более высоком уровне Физический уровень РТР slave, NTP client
Комбинация slave и server master Прием в составе пакета на более высоком уровне Передача в составе пакета на более высоком уровне РТР граничные часы NTP уровень п server
Согласно [4] в сетях связи с коммутацией пакетов даже для самого высокого класса обслуживания допустимая девиация задержки пакетов определена в диапазоне до 50 мс, что не позволяет без дополнительной обработки информации о времени и частоте, передаваемой в сетях с коммутацией пакетов, обеспечить необходимые классы точности, приведенные далее.
Согласно [5] определены шесть классов точности для систем синхронизации по времени, представленные в табл. 2 и, кроме того, по оценке данной там же протокол 1\1ТР позволяет обеспечить точность синхронизации по времени в пределах до 1-^500 мс, в то время как для достижения более высокой точности <1 мкс целесообразно ориентироваться на протокол РТР, в котором тоже применяется компенсация сетевой задержки, а также может использоваться сетевая поддержка в виде прозрачных или граничных часов.
Таблица 2
Классы точности для систем синхронизации по времени
Основной проблемой синхронизации частоты и времени в сетях связи с коммутацией пакетов на основе пакетного метода передачи является девиация временной задержки пакетов в промежуточных маршрутизаторах сети, что приводит к возникновению определенных трудностей при обработке временных меток, прошедших через эти сети.
Согласно [2,8,9] имеются ряд причин девиации временной задержки в сети связи с коммутацией пакетов, которые могут включать:
- случайное изменение задержки, обусловленное задержкой пакетов в очереди;
- низкочастотное изменение задержки для разного времени суток - день/ночь;
- систематическое изменение задержки, связанное с промежуточным накоплением задержки при транспортировке пакета;
-изменения маршрутизации;
- эффекты перегрузки.
Известно, что общую задержку передачи временных меток в сети связи с коммутацией пакетов состоящей из N маршрутизаторов можно представить в виде:
Т(общ)= Т{расп)+Т{обр) + Т (ож и д)+Т( пер)) \
¡ж)
Где N - число маршрутизаторов; Т[(мсп) - время передачи пакета по линии связи; Т(обр) - время, затрачиваемое на чтение заголовка пакета и определение маршрута; Т(0Жид) ~ время ожидания в очереди на передачу пакета; Т(пеР) - время, необходимое для освобождения пакетом места в буфере.
При этом девиация временной задержки пакетов в промежуточных маршрутизаторах сети связи с коммутацией пакетов определяется, в основном, девиацией времени ожидания пакета в очереди на передачу. Это время зависит от загрузки сети и может изменяться в пределах от нескольких микросекунд до миллисекунд.
Класс точности Требования по точности
1 500 мкс
2 100 мкс
3 5 мкс
4 1,5 мкс
5 1 мкс
б < X не
Для учета особенностей передачи сигналов ЕТВ в сетях связи с пакетной коммутацией систему ЕТВ можно представить в виде сетевой модели, рассмотренной ниже.
3. Сетевая модель пакетной сети
распределения сигнала ЕТВ
Архитектура системы ЕТВ на базе протокола РТР должна представлять собой иерархическую структуру, обеспечивающую синхронизацию «локальных часов» объекта синхронизации, и включать [6, 8, 9]:
- первичный эталонный генератор шкалы времени (PRTC - Primary Reference Time Clock);
- слой первичных серверов времени (ПСВ) - «Гроссмейстерские часы» (T-GM - «Telecom Grandmaster»);
- слой объектов, имеющих встроенные или автономные вторичные серверы времени (ВСВ) - «Ординарные часы» (T-TSC - «Telecom Time Slave Clock»), синхронизирующие «локальные часы»;
- а также может включать в себя слой ВСВ - «Граничные часы» (Т-ВС - «Telecom Boundary Clock») или «Прозрачные часы» - (Т-ТС - «Telecom Transparent Clock»).
- Элементы архитектуры системы ЕТВ на основе протокола РТР имеют соответствующее назначение [6, 8, 9]:
- «гроссмейстерские часы» - главные ведущие часы;
- «граничные часы» - часы, выполняющие функцию ведомых / ведущих. Они служат сетевой поддержкой. Их задачей является определение текущего значения времени, и последующая передача сообщения о времени;
- «прозрачные часы» - часы, измеряющие задержку прохождения пакета в элементе сети и осуществляющие
В
prtc
t-gm
t-tsc
физический уровень пакетный уровень А погрешность PRTC В погрешность t-GM С погрешность сети IP/MPLS D погрешность T-TSC Е точность часов NE
б)
фиымсмА ypceet пакепьй ypoeett
Рис. 3. Эталонная модель системы распределения сигнала ЕТВ
Таблица 3
Сетевой бюджет распределения суммарной ошибки доставки сигнала ЕТВ
Рис. 2. Сетевая модель опорных точек системы распределения сигнала ЕТВ
На основании данной сетевой модели следует, что при проектировании сети ЕТВ необходимость сетевой поддержки в виде граничных (Т-ВС) или прозрачных часов (Т-ТС) не является обязательной.
При этом, согласно [5, 7] и рис. 2, в пакетной сети распределения сигналов ЕТВ, там где не используется сетевая поддержка, для каждого маршрута передачи сигнала ЕТВ должны определяться требования к характеристикам сети, которые обуславливаются статической асимметрией задержки пакетов и минимальной девиацией задержки пакетов между опорными точками В и С.
Отсюда, методика расчета требований к сети связи с коммутацией пакетов при передаче трафика ЕТВ, для пакетной сети распределения сигналов ЕТВ без сетевой поддержки, состоит в определении требований к остаточной статической асимметрии задержки пакетов и остаточного бюджета на девиацию задержки пакетов.
Следует отметить, что применение сетевой поддержки зависит как от требований к классу точности (табл.2), необходимой объектам синхронизации, так и от характеристики самого трафика, то есть количества маршрутизаторов и коммутаторов, загрузки трафика и т.д.
Эталонная модель системы распределения сигнала ЕТВ без частотной поддержки на физическом уровне, но с сетевой поддержкой на пакетном уровне приведена на рис. 3 соответственно для двух случаев [7]:
а) «ординарные часы» (Т-ТЭС) встроены в объект синхронизации;
б) «ординарные часы» (Т-ТБС) являются внешними для объекта синхронизации.
Составляющие 1-ый 2-ОЙ 3-ий
бюджета сценарий, не. сценарий, не. сценарии, не.
РЯТС 100 100 100
Сетевой «хол- — 400 2400
довер» при
переключении Р1*ТС на внут-
ренний генера-
тор
5упсЕ 200 200 200
Элементы РТР 550 550 550
(прим.1)
Асимметрия 100+150 100 100
задержки (прим.2)
Короткий «хол- 250 - -
довер» при пе-
реключении объекта синхро-
низации на ре-
зервный Т-СМ
Объект синхро- 150 150 150
низации
Суммарный бюджет (прим.З) 1500 1500 3500
Примечания:
1. Принято, что:
- Т-ВС вносят ошибку 50 не;
- для случая а) суммарная ошибка, вносимая Т-СМ и соединением на пакетном уровне - равна 50 не;
- для случая б) суммарная ошибка Т-СМ, Т-Т5С и соединением на физическом уровне к МЕ - равна 100 не.
2. Для оценки асимметрии задержки учитывалось 10 соединений эталонной модели как для случая а), так и для случая б).
3. Суммарный бюджет равный 1500 не определяется требованиями, предъявляемыми оборудованием связи, например, сетью подвижной связи.
T-Comm Том 9. #4-2015
Число элементов в эталонной модели составляет 12, соответственно:
- 1 - Т-СМ, 10 - Т-ВС и 1 - Т-ТБС для случая использования Т-Т5С в качестве внутренних «локальных часов»;
- 1 - Т-СМ, 9 - Т-ВС, 1 - Т-ТБС и «локальных часов» для случая использования Т-ТБС в качестве внешнего источника синхронизации для внутренних «локальных часов».
Согласно [7] для эталонной модели, приведенной на рис. 3, рассматриваются три сценария:
1-ый - «холдовер» объекта синхронизации (1 мин.) в случае переключения на резервный Т-йМ при пропадании сигнала от РРГГС;
2-ой - «холдовер» в элементах сети (5 мин.) при потере сигнала от глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и переключении Р1ЧТС на внутренний генератор;
3-ий - длительный «холдовер» в элементах сети (1 сут.).
Согласно перечисленным выше сценариям доставки сигнала ЕТВ к объекту в табл. 3 представлено распределения суммарной ошибки на уровне сети (сетевой бюджет) при частотной поддержке, используя БупсЕ на физическом уровне [7].
В случае пакетной сети распределения сигналов ЕТВ, имеющей большее количество элементов сетевой поддержки (более 12), значения составляющих бюджета согласно табл. 3, то есть асимметрия задержки, элементы РТР и другие контролируемые ошибки должны быть ниже.
Выводы
Объектами, требующим синхронизацию по времени на сети связи с пакетной коммутацией может являться любое оборудование, а именно - системы коммутации и маршрутизации, системы подвижной связи, системы мониторинга и управления, системы учета продолжительности соединений, системы оперативно-розыскных мероприятий, и др.
Для создания пакетной сети распределения сигнала ЕТВ наиболее оптимальным является вариант, реализованный с целью достижения более высокой точности синхронизации по времени <1 мкс, на основе протокола РТР с использованием сетевой поддержки протокола в виде прозрачных или граничных часов.
При реализации в РФ глобальной пакетной сети распределения сигналов ЕТВ на основе волоконно-оптических систем передачи должны быть определены макрорегио-нальные филиалы для развертывания структуры ЕТВ, стыки и интерфейсы устройств распределения сигналов ЕТВ, также методы резервирования доставки сигналов ЕТВ.
Литература
1. Коновалов Г.В., Мазуренко Д.К., Меккель A.M. Единство времени в системе 112 // Вестник связи. - № 8. - 2011, -С. 27-30.
2. Рекомендация МСЭ-Т G.8261 (04/2009 г.). Синхронизация и аспекты синхронизации в пакетных сетях.
3. Рекомендация МСЭ-Т G.8260 (08/2010 г.). Определения и терминология для синхронизации в пакетных сетях.
4. Рекомендация МСЭ-Т Y.1541 (11/2011 г). Требования к сетевым показателям качества для служб, основанных на протоколе IP.
5. Рекомендация МСЭ-Т G.8271 (02/2012 г.). Аспекты временной и фазовой синхронизации в сетях с коммутацией пакетов.
6. Стандарт IEEE 1588 v.2 (2008 г.). Протокол синхронизации прецизионных часов для сетевых измерений и систем управления.
7. Рекомендация МСЭ-Т G.8271.1 (08/2013 г). Сетевой лимит при синхронизации времени в сетях с коммутацией пакетов.
8. Мазуренко Д.К. Модель передачи сигналов единого точного времени в сети связи с пакетной коммутацией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — № 5. 2014. - С. 45-49.
9. Мазуренко Д.К. Построение пакетной сети распределения сигналов единого точного времени // Электросвязь. - № 7. -2014.-С. 36-39,
NETWORK REFERENCE MODEL OF THE UTC DISTRIBUTION FOR THE PACKET NETWORKS
Dmitry NHzurenko, Moscow, Russia, dm.ma20I0@yandex.ru
Abstract
On the basis ITU-T of materials are analysed the accuracy of transmit of coordinated universal time (UTC) through the packet networks. Are given the network reference model and the hypothetical reference model of signal distribution system UTC for evaluate the accuracy of time synchronization on the operator's network. This model can be used in the design and implementation of a global networks packet distribution UTC based on ground-based fiber optic transmission systems.
Keywords: coordinated universal time, master, slave, local clock, precision time protocol, packet delay variation. References
1. Konovalov G.V., Mazurenko D.K., Meckel A.M. Unity of time in the system 1 12. Vestnik-sviazy. 2011. No.8, pp. 27-30. (in Russian).
2. Timing and synchronization aspects in packet networks, ITU-T Recommendation G.826I/Y.I36I, 2008. (in Russian).
3. Definitions and terminology for synchronization in packet networks, ITU-T Recommendation G.8260, 2010. (in Russian).
4. Network performance objectives for IP-based services, ITU-T Recommendation Y.I54I, 2011. (in Russian).
5. Time and phase synchronization aspects of packet networks, ITU-T Recommendation G.827I/Y.I 366, 20I2. (in Russian).
6. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Std I588, 2008. (in Russian).
7. Network limits for time synchronization in packet networks, ITU-T Recommendation G.827I.I / Y. I366.I, 20I3. (in Russian).
8. Mazurenko D.K. The model transmission uts(su) for all-ip structures of telecommunication network. T-Comm, 20I4. No. 5, pp. 27-30. (in Russian).
9. Mazurenko K. Building of packet network of coordinated universal time (su) signals distribution. Electrosviaz, 20I4. No. 7, pp. 36-39. (in Russian).
Information about author: Dmitry Мazurenko, Central Science Research Telecommunication Institute (ZNIIS), head of department, Ph.D., Moscow, Russia.
