用于補償路徑不對稱的方法和設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于估計并補償路徑不對稱的方法和設備。特別但非排它地涉及估計 并補償在執行利用例如IEEE 1588精密時間協議的分組網絡上的時間和頻率同步時的路徑 不對稱。
【背景技術】
[0002] 利用諸如IEEE 1588 PTP的協議和精心設計的從（slave)時鐘恢復機制的定時傳 遞(timing transfer)可以在亞微秒區和下級區中提供時間同步。然而，這通常是利用從主 設備至從設備的時延等于從從設備至主設備的時延這樣的重要假定來進行的。
[0003] 在真實生活中，通信路徑并不是完美對稱的，主要是因為相異的正向和反向物理 鏈路延遲和排隊延遲。即使在物理鏈路延遲是已知的并且在時鐘同步期間得到適當補償的 情況下，當定時消息穿過分組網絡并且被排隊以轉發時，仍可以存在可改變的排隊延遲。網 絡設備(交換機、路由器等）中的分組的處理和緩存在穿越該分組網絡的分組的等待時間中 引入了變化。這主要發生在沒有來自網絡的任何形式的定時輔助來幫助減輕該可變排隊延 遲的影響的情況下以端至端方式進行定時傳遞的時候。
[0004] 該"延遲不對稱"已經成為時鐘同步方面的主要挑戰。使用諸如邊界時鐘(BC)和透 明時鐘(TC)的網絡定時支持機制可以消除在下列情況[1][2][3]中出現的延遲不對稱：
[0005] ?在正向和反向路徑上的相異和可變排隊延遲(主要歸因于兩個通信方向上的不 同通信載荷）
[0006] ?因在每一個方向上定時分組采用不同路由造成的不對稱。這種情況利用對等 (peer-to-peer) TC來適當處理。端至端TC不會解決這種不對稱。
[0007] 注意，為了實現，BC和TC必須從定時基準源至從時鐘以逐節點（逐跳）為基礎來實 現。
[0008] 然而，即使這些定時支持機制也不能夠校正因網絡部件之間的相異物理鏈路而造 成的延遲不對稱。這種不對稱因正向和反向路徑以同一線纜中的光纖對或銅線對實現而出 現，其中一對中的每一個光纖都具有不同的長度。這些光纖或銅線對可以具有顯著到足以 產生延遲差異的不同長度和不同電氣或光學特性。對時間準確度的這種影響可以是每米 2.5ns的數量級，其中100米長度引入250ns的誤差。如果這種差異未被適當補償，則即使使 用BC，也可以在一系列BC上累積靜態時間誤差。在多個光纖鏈路上，該累積時間誤差可以變 得足夠顯著，以致超出某些應用(如移動網絡中的那些)所要求的非常嚴格的容差。
[0009] 上述機制還不能夠校正由單個節點內部的定時分配所產生的延遲不對稱。這些時 間誤差歸因于當將時間基準是從節點中的集中式模塊(例如，系統卡)分配給節點中的其它 模塊(例如，線卡)時的各種內部不對稱延遲。這些時間誤差例如因底板跡線的長度、連接器 以及各種邏輯功能而出現。如今，用于解決物理鏈路不對稱和節點內部不對稱的最佳方式 是人工校準鏈路和內部定時路徑。在用于光纖鏈路不對稱補償的自動化機制方面的關注正 日益增長，而且這些正在研究中。
[0010] IEEE 1588 PTP消息流
[0011] IEEE 1588v2 PTP定義了用于以亞微秒級準確度從主設備向一個或更多個從設備 傳送頻率、相位以及日時信息的基于分組的同步協議。PTP依靠使用從主時鐘向一個或更多 個從時鐘發送的具有準確時間戳的分組(按納秒級粒度），以允許將它們同步(按頻率或時 間或兩者）至主時鐘。同步信息是按照層級分發的，GrandMaster時鐘（超級主時鐘）位于該 層級的根部。該GrandMaster時鐘向一個或更多個從設備提供時間基準。這些從設備又可以 充當用于從設備的另一分級層的主設備。
[0012] 主設備與從設備之間的PTP消息交換過程（即，PTP延遲請求/延遲響應流)在圖1中 進行了例示并且在下面加以描述。
[0013] IEEE 1588 PTP考慮到兩種不同類型的加時間戳方法，一步或兩步。一步時鐘即時 更新事件消息（Sync和De Iay_Req)內的時間信息，而兩步時鐘在一般消息（Fo 11 〇w_Up和 De lay_Re sp)中傳輸分組的精確時間戳。Sync消息由主設備1發送至其從設備3，而且包含其 傳輸的精確時間，或者跟隨著包含該時間的Follow_Up消息。在兩步的普通或邊界時鐘中， Fo 11 〇 w_Up消息發送針對特定Sy n c消息的離開時間戳的值。圖1例示了針對兩步時鐘的同步 消息交換的基本模式。主設備1通過分組網絡2向從設備3發送Sync消息，并且標注發送Sync 消息的時間T1。從設備接收Sync消息并且標注接收時間Τ2。主設備1通過兩種方式之一向從 設備3輸送時間戳T 1:1)將該時間戳T1嵌入Sync消息中。為了最高的準確度和精度，這需要某 類硬件處理（即，硬件加時間戳）。2)將時間戳T 1*入被發送到從設備的F〇llow_Up消息（如 圖1所示）。接下來，從設備3向主設備1發送Delay_Req消息，并且標注發送De Iay-Req的時間 T3。主設備接收Delay_Req消息并且標注接收時間T4。主設備1通過將時間戳T4嵌入Delay_ Resp消息中向從設備3發送時間戳T4。
[0014] 在該PTP信息交換結束時，從設備3處理全部四個時間戳{!^、!^、!^丄:^這些時間 戳可以被用于計算從設備的時鐘5相對于主時鐘4的偏移以及這兩個時鐘之間的消息平均 傳播時間。對偏移和傳播時間的計算假定主至從傳播時間和從至主傳播時間相等，即，存在 對稱的通信路徑。時鐘頻率隨著時間改變，因而需要周期性的消息交換。因為這些時鐘變化 緩慢改變，所以信息交換之間的時段通常大約為幾毫秒至幾秒鐘。
[0015] 本發明的目的是提供用于在不利用像BS和TC的聯網定時支持機制的情況下，補償 因通信路徑上的正向和反向中的不相等排隊延遲而產生的不對稱的機制。補償隊列誘發的 不對稱可以消除時鐘誤差的主要來源，特別是在定時消息穿越分組系統中的排隊系統時。
[0016] 端至端時間傳遞是時鐘同步方面的最具挑戰性的問題，但也向網絡運營商提供了 具有吸引力的益處。本發明的另一目的是提供向網絡提供透明度的方法和設備，其中定時 消息可以跨越不同類型網絡（以太網、MPLS、SONET分組、幀中繼等）。

【發明內容】

[0017] 因此，在最廣泛的方面，本發明的方法通過主設備與從設備，基于發送定時消息與 接收該定時消息之間的間隔來提供對相應設備之間的通信中的不對稱延遲的估計。
[0018] 本發明的第一方面提供了一種估計通過網絡連接的主設備和從設備之間的通信 中的不對稱延遲的方法，該方法包括以下步驟:從所述主設備向所述從設備發送第一定時 消息和第二定時消息以及作為根據主時鐘發送所述第一消息和所述第二消息的時間的相 應第一時間戳和第二時間戳;將根據從時鐘在所述從設備處接收所述第一消息和所述第二 消息的時間記錄為第三時間戳和第四時間戳;從所述從設備向所述主設備發送第三定時消 息和第四定時消息，并且將根據所述從時鐘發送所述第三消息和所述第四消息的時間記錄 為的第五時間戳和第六時間戳;將根據所述主時鐘在所述主設備處接收所述第三消息和所 述第四消息的時間記錄為第七時間戳和第八時間戳;從所述主設備向所述從設備發送所述 第七時間戳和所述第八時間戳;根據所述第一至第四時間戳計算正向位移因子，所述正向 位移因子是發送所述第一定時消息與所述第二定時消息之間的間隔與接收所述第一定時 消息與所述第二定時消息之間的間隔之差；維持所述正向位移因子自預定時間點起的總 和;將從所述主設備向所述從設備發送的所述定時消息所經歷的總正向延遲估計為等于所 述總和;估計從所述主設備向所述從設備發送的定時消息所經歷的最小正向延遲;將正向 排隊延遲估計為所估計的總正向延遲與所估計的最小正向延遲之差;根據所述第五至第八 時間戳計算反向位移因子，所述反向位移因子是發送所述第三定時消息與所述第四定時消 息之間的間隔與接收所述第三定時消息與所述第四定時消息之間的間隔之差;維持所述反 向位移因子自預定時間點起的總和;將從所述主設備向所述從設備發送的所述定時消息所 經歷的總反向延遲估計為等于所述總和;估計從所述從設備向所述主設備發送的定時消息 所經歷的最小反向延遲；以及將反向排隊延遲估計為所估計的總正向延遲與所估計的最小 反向延遲之差。
[0019] 優選地，所述定時消息是根據IEEE 1588 PTP的消息。例如，所述第一和第二消息 可以是Sync消息，而所述第三和第四消息可以是Delay_Req消息。
[0020] 本發明的方法可以使用一步或兩步時鐘機制以在主設備與從設備之間傳遞時間 戳。在一步時鐘機制中，所述第一和第二時間戳可以作為嵌入所述第一和第二消息本身中 的時間戳來發送。在兩步時鐘機制中，所述第一和第二時間戳由所述主設備記錄并且在單 獨的定時消息中發送至所述從設備。
[0021] 該方面所述的方法在希望沒有來自該網絡的定時支持的情況下，通過分組網絡按 端至端方式從主時鐘向從時鐘傳遞定時信號和同步的時候被優選地采用。隊列誘發的不對 稱是主時鐘與從時鐘之間的時間誤差的主要來源。
[0022] 該方法的步驟在希望將從時鐘同步至主時鐘時重復，優選地連續重復。
[0023] 通過單獨地估計每一個方向的排隊延遲，本方面所述的方法可以允許補償隊列誘 發的不對稱，這可以消除時鐘誤差的主要來源，特別是在定時消息穿越分組系統中的排隊 系統時。
[0024] 本方面所述的方法還可以被用于允許對網絡的透明度，其中定時消息可以跨越不 同類型網絡（以太網、MPLS、SONET分組、幀中繼等）。
[0025] 僅端節點參與時間傳遞，并因此本方法對于中間傳輸網絡來說是透明的。在中間 分組網絡中不需要專門的控制或處理機制，并且傳統的異步以太網設備不需要升級或更 新。而且，在網絡設備中不需要硬件修改。
[0026] 優選地，計算所述正向位移因子和所述反向位移因子的步驟考慮到從時鐘與主時 鐘相比的估計偏斜(skew)。從時鐘與主時鐘相比的任何偏斜可以將誤差引入所述估計中， 因而優選對所述偏斜進行解釋。所述偏斜可以根據較早時間的從時鐘的同步而獲知。
[0027] 在本方面的某些實施方式中，估計所述最小延遲的步驟涉及確定自開始交換所述 定時消息起在相應方向上定時消息所經歷的最小總延遲。有關每一個消息的相應延遲容易 從該方面所述方法中使用的所述時間戳來計算。在該實施方式中，假定由于所述物理鏈路 導致的延遲可以被確定為由在運送中具有所述最小總延遲的消息所經歷的延遲（即，未經 歷排隊延遲）。雖然該估計對于所述方法的最先幾個迭代來說可能不精確，但其最終會安定 下來并且提供由于所述物理鏈路導致的延遲的準確估計。
[0028] 在本方面的另一些實施方式中，估計所述最小延遲的步驟涉及確定在開始交換所 述定時消息之前的預定時段內，定時消息在相應方向上經歷的最小延遲。如在前述實施方 式中，由所述物理鏈路引起的延遲可以被確定為定時消息所經歷的最小延遲。然而，在某些 情況下，從設備與主設備之間的物理鏈路的性