软件定义同步网技术要求.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 在分组网络环境 下， 同时进行频率同步和时间同步信号承载时，为了增强同步网络运行的安全可靠性，提升同步网络运维管理效率，有必要对软件定义同步网进行研究。相对于传统同步网，软件定义同步网最重要的特征是引入控制器的概念，能够实现对同步网的顶层 控制，满足在新的网络环境下同步网的配置、管理和维护等方面的需求，并利于 同步网重用和未来演进 。 本报告分析了软件定义同步网系统架构和功能划分 ，软件定义同步网的控制器功能主要包括网络级的管理控制功能 ； 考虑性能影响 ,不建议包含对响应时间有严格要求的 同步 功能。 对于软件定义同步网功能， 本报告 提出应 包括同步网络配置管理、保护恢复、故障管理和性能管理等 方面 ，其中在配置管理方面，提出控制器基于物理拓扑和网元属性，自动计算和规划所有网元或者指定区域内网元的主备用时钟同步拓扑，避免定时环的出现 ，并可以对同步网络状态参数进行控制，灵活支持不同网络的不同同步需求 ；在保护恢复方面， 在多点故障情况下，控制器可以引入支持 同步网络恢复功能；在故障管理方面，控制器 进行 网络级时钟时间故障的 告警根因定位；在性能管理方面，控制器支持 对同步网络进行同步性能的检测评估 。 本报告 针对 1588v2 网络开通、同步网络维护和故障定位、 BITS/时间服务器部署规划、网络新增及调整时同步功能配置 、 未来 多个同步域 之间的协同控制 等不同的同步网应用模式和场景，提出如何通过软件定义同步网，实现同步网智能化控制和管理。 为实现软件定义同步网的各项功能，最后提出北向接口和南向接口的 基本信息模型架构 。 传送网与接入网技术工作委员会 传送网 工作组 研究单位： 中国移动通信集团公司 、 中国信息通信研究院 、 华为技术有限公司 、 中兴通讯股份有限公司 、 烽火科技集团有限公司 、 上海贝尔股份有限公司 项目负责人： 韩柳燕、 胡新天 项目参加人： 胡昌军、 李晗、 吕博、 王磊 、 刘颂、何力、陈朝辉 、徐勇放 完成日期： 2016年 1 月 15日 目 录 1. 范围 . 1 2. 缩略语 . 1 3. 软件定义同步网需求分析 . 1 3.1. 同步网发展背景 . 1 3.2. 软件定义同步网目标和优势 . 2 4. 软件定义同步网系统 架构分析 . 3 5. 软件定义同步网功能研究 . 6 5.1. 同步网络配置管理 . 6 5.1.1. 同步网络路径规划 . 6 5.1.2. 同步网络状态参数管理 . 8 5.2. 同步网络保护恢复 . 9 5.3. 同步网络故障管理 . 12 5.4. 同步网络性能管理 . 12 6. 软件定义同步网应用场景分析 . 12 7. 软件定义同步网接口研究 . 15 8. 总结 . 17 1 软件定义 同步网 技术 要求 1. 范围 本报告研究了 软件定义同步网的需求 、 系统架构、功能、应用场景、接口等内容 。 2. 缩略语 APP:应用程序 (APPlication) BC:边界时钟 (Boundary Clock) BMC:最佳主时钟算法（ Best Master Clock） BITS:大楼综合定时供给系统 （ Building Integrated Timing Supply） LTP： 逻辑终结点 （ Logic Terminal Point） NE:网络单元（ Network Element） OAM:操作管理维护（ Operation Administration and Maintenance） OC:普通时钟（ Ordinary Clock） OTN:光传送网（ Optical Transport Network） PDH:准同步数字系列 (Plesiochronous Digital Hierarchy) PRC:主 基准时钟 (Primary Reference Clock) PSTN:公共 交换 电话网络 (Public Switched Telephone Network) PTN:分组传送网 （ Packet Transport Network） PTP:精确时间协议 (Precision Time Protocol) SASE:独立 型同步设备 （ Stand-Alone Synchronization Equipment） SDH:同步数字体系（ Synchronous Digital Hierarchy） SEC:同步设备时钟 （ Synchronous Equipment Clock） SSM:同步状态 消息 （ Synchronization Status Message） SSU:同步供给单元 （ Synchronization Supply Unit） STM:同步传输模块（ Synchronous Transfer Module） TC:透明 时钟（ Transparent Clock） 3. 软件定义同步网 需求分析 3.1. 同步网 发展背景 同步网是通信网络必不可少的支撑网之一，它是保证网络定时性能质量的关键，为通信网的数字设备提供高精度的定时基准，使通信网内运行的所有数字设备工作在一个相同的平均速率上，是所有通信设备安全可靠运行的关键。随着通信技术特别是承载技术的不断演变发展，同步网组网应用也相应经历了从无到有、从简单到复杂的过程。 2 上世纪 80年代初到 90年代， SDH技术还未得到应用，同步信号主要依靠 PDH 的光缆系统或微波传送，当时不存在独立的同步网，数字同步分配系统是采用网同步的方式，以传统的 PSTN网内的数字电话交换机设备时钟为核心建立 起来，各种业务网的同步依靠电话交换机进行分配。应该说，在这个阶段，还没有真正意义上的同步网概念。 上世纪 90年代中期，随着 SDH技术的快速发展和应用，依附于数字交换设备时钟建立的数字同步网已经无法满足 SDH传输系统的同步要求，国内外开始建立了以独立型同步设备（我国和北美简称 BITS，欧洲简称 SASE或 SSU）为核心的独立的数字同步网。在此期间，主要基于 PDH 链路组建独立的数字频率同步网，定时信号基本上依靠 PDH系统进行传送，采用主从同步方法和单一的树形结构，同步网规划、建设、维护管理都相对比较简单。 从 90年代末至 2008年左右， SDH技术已经得到了广泛的使用， PDH系统逐渐从传送网中退出，在这个阶段，有些运营商仍保留了部分 PDH链路专门用于定时信号的传送，而大部分运营商的数字同步网仍采用主从同步方式，基于 SDH传送网进行重新组建。总体来看，在这个阶段，由于 SDH 组网结构相对于链形组网为主的 PDH网络要复杂得多，基于 SDH网络组建的同步网，其规划和维护相对于早期基于PDH组建的同步网来说也相应要复杂很多。因此，为了防止定时环，便于定时规划，在 SDH 网络中对 SSM功能提出了明确的要求。通过 SSM功能，结合人工规 划，可以避免定时环路，实现同步网定时链路的规划。 从 2008年左右开始，一方面，随着分组承载技术的出现和广泛应用，分组同步技术研究和应用受到业界的重视；另一方面，随着无线通信技术的不断发展，对时间同步提出了更高的要求，人们也逐渐认识到有必要通过地面时间同步组网以解决完全依赖卫星系统存在的安全可靠性问题。因此，在分组网络环境下，需要同时考虑基于同步以太的频率同步和基于 1588v2的时间同步问题。由于分组网络具有链路方向多、协议处理复杂、频率同步和时间同步协调处理等特点，相对于以往传统的承载网络，同步网规划复杂 度将大大增加，单独依靠人工规划，很难有效选择最佳同步路径，很难避免定时环和定时倒挂现象，很难实现全局的故障和性能管理。因此，在分组网络环境情况下，在同时进行频率同步和时间同步信号承载时，为了增强同步网络运行的安全可靠性，提升同步网络运维管理效率，有必要对软件定义同步网进行研究，以在分组网络环境下实现同步网的链路自动规划和调整、节点智能化配置、同步隐患自动检查等功能。 3.2. 软件定义同步网目标和优势 同步网 性能对无线等相关业务有直接影响 ，因此，同步网 对 配置准确性和运行可靠性有 严格 要求 。随着 新业务的不断发展和 传送网的快速建设， 同步网开通维护面临的压力 主要包括： 同步路径配置复杂， 需 结合网络拓扑避免出现定时环路。 随着 同步网网元数目 增多 ，网络拓扑结构 日趋复杂 ，大型城域网内传递同步的传输网元数量 已 达上万至几万个， 同步 网 依靠人工配置 开通效率低 ， 灵活性差 ， 且容易出错。 网络 升级割接调整 时 ， 同步网络 无法 自动开通， 调整节点 及相邻网络区域 需要重新进行 同步 相关 配置。 3 同步网络缺乏全局的故障管理和性能监测手段，目前单设备基于同步 OAM上报该设备的同步告警和性能监测数据，缺乏 网 络级 处理 ，以及时钟同步和时间同步的协同处理机制。 面对现网同步运维 需求 以及未来业务对同步的发展需求， 希望 同步网网元灵活可控， 同步功能即插即用。 SDN转发与控制分离，集中化的管理、控制架构 适于同步网演进，为解决上述问题提供了有效的思路。 软件定义同步网的 目标和优势包括： 简化同步网配置管理， 基于集中式架构， 引入控制平面，提供智能化自动化的同步网络配置 ,不需要 人工逐点规划配置 ,且同步参数可以全网统一 ,避免多个域不同设备间的同步互通问题 。 同步路径可控可管， 可 基于性能需求、网络部署需求等 设置不同策略，灵活调整同步路径 。 基于全网视角提供同步 故障 管理 和性能监测 手段 ， 动态设置同步 性能 检测路径 ，综合考虑时钟同步和时间同步 进行同步故障 分析 定位。 提升同步网络安全可靠性， 依靠集中化的控制平面 ，支持 保护恢复 ， 避免 同步网络定时环、1588v2广播风暴 等。 利于同步网 重用 和 未来 演进 ，通过将 设备层面同步基础 功能和 管理控制功能的分离， 灵活 支持不同 同步 需求，例如用同一张 物理 网络实现 不同 同步信号的传递和承载，混合网络 同步传递 ， 在 局部区域 实现精细 相对时间偏差控制等。 4. 软件定义同步网系统架构分析 相对于传统同步网，软件定义同步网最重要的特征是引入控制器的概念，能够实现对同步网的顶层控制，满足在新的网络环境下同步网的配置、管理和维护等方面的需求。 结合同步网自身特点和要求，在引入软件定义同步网控制器，有必要对其功能进行界定和划分，明确哪些同步功能应在控制器中实现，哪些功能仍保留由设备来完成。 一般来说，在分组网络环境下，在同时考虑时间同步和频率同步的情况下，涉及的同步网功能可以分为 三 类：一是设备实现的功能，包括 物理层频率同步 (如 SEC、 EEC)功能 、 SSM信息处理功能、频率同步选源倒换功能、 1588v2协议处理功能、时间同步选源倒换功能（ BMC算法）等；二是网管实现的 配置管理 功能，包括配置管理、告警管理、同步网络拓扑显示等功能；三是目前设备和网管未实现的 规划控制功能，包括同步路径 规划、同步链路检查、同步网络保护恢复等功能。 为了便于同步网的统一管理和顶层控制，软件定义同步网控制器应能同时支持上述三类同步网功能，然而考虑到同步网自身特点，与性能相关的设备同步功能若由控制器来实现，可能很难满足同步网性能指标要求。 根据 ITU-T G.8262，在进行同步 倒换时，对于倒换时间和倒换性能也有明确的要求。 当选定的 主用 输入 参考 信号 失效时，源自相同时钟源的备用输入参考信号可用，或者在检测到失效之后不久该输入参考信号又变为可用 (例如，在自动恢复情况下 )，在上述两种情况下，设备时钟参考 信号最多丢失 15s，其 输出相位 瞬变不应超过 t + 5 10 8 S，其中 S为小于 15s的观察时间， t表示在进入和退出保持状态时的两个相跳，每个相跳在 16ms时间内的幅度不超过 120ns，临时频偏小于 7.5ppm。相应的性能要求曲线如 图 1所示。 4 图 1 相位瞬变模板 根据 ITU-T G.781的要求，在 SDH组网环境下，当时钟状态发生变化时，对于 SSM信息的处理时间具有明确的要求，包括非倒换 SSM时延、倒换 SSM时延、保持 SSM时延，时延要求分别 0ms200ms、180ms500ms、 300ms2000ms。对于分组网络组网环境， SSM 信息处理也应有类似的时延要求，已被 ITU-T认可 ，正在修订的 ITU-T G.781将予以规定 。 在 ITU-T G.781的 5.14.1，给出了一个由 20个网元构成的典型链形网参考倒换，如 图 2 具有 20个网元的链形网定时倒换 所示。在一个具有 20个网元的链形网中，发生定时倒换的时延应小于 15.6s，定时倒换发生时按以下 39个步骤进行： 图 2 具有 20 个网元的链形网定时倒换 步骤 1， NE1发现定时参考 Ref1失效 ， 进入保持工作模式 ， 并且发送保持的 SSM 信息 （ THM最多为 2s）； 步骤 2 步骤 19， NE2 NE19依次转发保持的 SSM信息，但不会倒换参考定时信号（ TNSM 最多为 200ms）； 步骤 20， NE20倒换至定时参考 Ref2，并且发送一个新的 SSM信息（ TSM最多为 500ms）； 步骤 21 步骤 39， NE19 NE1依次倒换定时参考，并且转发新的 SSM信息（ TSM 最多为 500ms）。20个网元完成定时倒换的最大时延为： THM+18TNSM+20TSM=15.6s。 对于上述提及的类似 SSM信息处理和时钟倒换等涉及到性能的同步功能，若采用控制器实现，需要考虑由于存在诸多环节对性能指标造成的影响。比如，当设备丢失参考源进行倒换时，设备将会进入短时保持工作状态，并产生参考丢失告警，然后通过上行网络将此告警信息传送到控制器，控制器处理该告警信息后，产生倒换命令， 再 经过下行网络传送到设备，设备根据接收到来自控制器的倒换命令执行参考倒换，设备从短时保持工作重新进入跟踪状态，锁定备用输入参考信号，其输出的 SSM信息将在一定延时后从原主用参考源的时钟等级倒换至备用输入参考源的时钟等级 。考虑到各个环节的处理时间，包括两次网络传输时间、控制器响应和处理时间、设备响应和处理时间等，特别在实际网络中，如果每N E N E N E N E N E1n2 0R e f 1R e f 25 个节点都执行这些操作，那么整个处理时间将非常长，从而影响整个倒换的时间和性能指标。 因此， 不建议 和同步性能相关的部分由控制器来实现。 根据上述分析，软件定义同步网的控制器功能主要包括 网络级的管理控制 功能， 包括同步路径规划等与同步选源相关的功能 ,考虑性能影响 ,不建议 包含 对响应时间有严格要求的功能 ， 如 设备侧 同步源触发倒换功能等 ， 如 错误 !未找到引用源。 所示。 为实现网络级的管理控制功能 ，控制器需要 从网管获取资源信息，如网络拓扑、设备时钟时间属性等。 图 3 软件定义同步功能划分示意图 从组网架构来说，软件定义同步网 支持层次化 控制器 ， 控制器分为 ：域控制器（ D-Controller）和超级控制器（ S-Controller），组网架构 如图 4所示。 域控制器（ D-Controller）提供单域范围内的同步网络 管理 控制功能，未来域控制器支持通过南向接口直接进行网络设备的同步配置下发和同步信息收集。 超级控制器（ S-Controller）提供 多域内的同步网管理 控制功能，通过 域控制器北 向接口与单域控制器进行同步信息交互，完成跨域同步网络的端到端规划控制。 物 理 层 频率 同 步 处理设 备同 步功 能设 备网 管功 能S S M 信 息处 理频 率 同 步选 源 倒 换1 5 8 8 v 2 处 理时 间 同 步选 源 倒 换控 制 器 功 能配 置 管 理网 络 拓 扑同 步 网 络 路径 规 划同 步 网 络 状态 参 数 管 理保 护 恢 复故 障 管 理性 能 管 理告 警 数 据性 能 监 测数 据6 图 4 软件定义同步网组网架构 5. 软件定义同步网功能研究 5.1. 同步网络配置管理 5.1.1. 同步网络路径 规划 传统 时钟同步网通过为每个节点配置主用和备用时钟源端口，规划形成主用和备用时钟同步 传输 链路。 当 采用备用定时基准传输链路时，可能会产生定时环路，即通过主用和备用 时钟同步 传输链路形成环路。为防止出现环路，在规划与组织同步网的过程中， 需要根据 传送网 和同步基准源 的网络结构和实际情况进行详尽的规划和设计。 根据 YD/T 1267-2003 基于 SDH传送网的同步网技术要求 ，对于环型网络， 传统 时钟同步链路规划 方式可以按实际需要选择 图 5中 A、 B或 C中的一种，通过人工配置下发给各个节点。 方式 A的主备用定时都是单方向贯穿全环，在规划时比较简单；方式 B的主备用定时参考分别由主备用 PRC双向为环提供定时，其串入的时钟 节点 数较少；方式 C的主备用定时参考分段由两个 PRC负责提供，串入的用 户用 户用 户域 控 制 器南 向 接 口域 控 制 器南 向 接 口网 元网 元网 元网 元网 元网 元网 元网 元同 步 设 备同 步 设 备同 步 网 络A P P域 控 制 器北 向 接 口域 控 制 器北 向 接 口超 级 控 制 器北 向 接 口超 级 控 制 器（ S u p e r C o n t r o l l e r ）同 步 网 络故 障 管 理同 步 网 络保 护 恢 复同 步 网 络性 能 管 理同 步 网 络配 置 管 理域 控 制 器（ D o m a i n C o n t r o l l e r ）同 步 网 络故 障 管 理同 步 网 络保 护 恢 复同 步 网 络性 能 管 理同 步 网 络 路 径 规 划同 步 网 络 状 态 参 数 管 理同 步 网 络配 置 管 理域 控 制 器（ D o m a i n C o n t r o l l e r ）同 步 网 络故 障 管 理同 步 网 络保 护 恢 复同 步 网 络性 能 管 理同 步 网 络 路 径 规 划同 步 网 络 状 态 参 数 管 理同 步 网 络配 置 管 理同 步 网 络 路 径 规 划同 步 网 络 状 态 参 数 管 理物 理 层 频 率 同 步1 5 8 8 v 2 时 间 同 步