挾頻率精確度/穩定性優勢　同步乙太網路浮上檯面

如何區別傳統分時多工(TDM)為基礎的網路與乙太網路，其中的差異在於網路具備傳送對於某些應用需要的工具頻率訊息，而乙太網路則沒有這樣的機制，因此為了增強乙太網路分配頻率和時間的訊息的能力，已提出許多方案，如IEEE 1588，IETF網路時間協定(Network Time Protocol, NTP)，及其他使用分時多工(TDM)Pseudo-wires等方法。  

不過，透過同步光纖網路(SONET/SDH)所使用的相同概念，即鎖住乙太網路實體(PHY)層的時序(Timing)也是可行方法之一。這個方法將十分簡單的回復該實體層的時序，且此時序可以用來直接鎖定下游網路(Downstream Networks)和應用，或間接利用此一實體層的時序作為一個共同的參考指標。  

藉由光纖優勢升級乙太網路  

因為建置維護成本的優勢，乙太網路已成為目前全球應用最廣泛的網路技術，用於區域及都會網路傳送接取技術，由於需求穩定成長中，使它成為與網路互連的標準接取介面。  

廣域網路(WAN)從較低速率T1/E1連接發展到OC-3、OC-12、OC-48與OC-192連接，傳統上都是基於分時多工技術的基礎設施。分時多工技術原本的設計是為了傳輸語音流量(Voice Traffic)，但隨著技術的進展，現在也可以進行數據流量(Data Traffic)的傳送，甚至是乙太網路流量(Ethernet Traffic)的傳送。然而對乙太網路而言，傳輸固定速率訊號(Constant Rate Signal)仍是它主要的看家本領；而對處理突發封包來源(Bursty Packet Source)則有待改善。所以通常是兩種不同的網路基礎設施進行發展導入時，會從本身架構上的優勢作最佳化，一些為針對傳輸固定速率訊號(Constant Rate Signal)，一些則針對突發封包來源(Bursty Packet Source)執行。  

即使有了升級與改善，分時多工網路和乙太網路還是存在根本性的差異，正常運作的分時多工網路要求高度精確的頻率訊息從實體層的時序回復。隔離實體層時鐘，如壓電晶體，將不能指望同意對方隨著時間的推移而運作。此外，溫度的變化和老化等不同的影響，也可能造成可靠的頻率源漂移(Wander)。  

無關連性的頻率源若用於分時多工網路的相反兩側，頻率差異性將會導致有效位元遺失與無效位元被插入的情況，這種現象被稱為位元滑動(Bit Slips)。為了避免位元滑動，每一個分時多工網路的時鐘(TDM Clocks)將直接或間接根據在某處的一個準確首要參考時鐘(Primary Reference Clock, PRC)產生時序，而首要參考時鐘即為所有時鐘追溯的源頭。  

在整個分時多工網路的一個特點為，須無條件要求散布高度精確的頻率訊息。有些通訊和數據通訊應用都需要精確的頻率，當全部都是連接分時多工網路時，獲得的資料支援基本上都是免費的。舉例而言，手機的每個基地台都要求精確的頻率參考，藉此得出傳輸頻率，相鄰的基地台，若出現不同的頻率參考，彼此之間將會有相互干擾的情況發生；GSM網路的基地台須根據分時多工網路上的時序產生頻率以傳送網路流量。若這些網路的連結被乙太網路所取代，頻率參考將因此喪失；這是因為根據乙太網路CSMA/CD的工作原理，一次只能有一台電腦的封包進行傳輸。  

CSMA/CD並未指派每台電腦傳輸的優先順序，而是以電腦送出資料的先後順序為準，亦即先搶先贏的概念，搶輸的電腦會持續偵測網路是否有空檔，若已無其他封包在傳送，則繼續將封包搶送出去，萬一有多台電腦同時送出資料，將會產生碰撞(Collision)，而藉由電位異常偵測將得知碰撞發生。當發生碰撞時，所有電腦會休息一段時間再搶送資料，若又發生第二次碰撞，則每台電腦的休息時間將會加長，連續十六次後才放棄傳送，而乙太網路只在有資料須傳送時才會傳送，並且在傳送訊框(Frame)之前會先送前置訊號(Preamble)，使收訊端鎖定傳送時鐘，達成接收與傳送同步的功能。然而，相對於整個網路系統的同步，乙太網路上的同步則以訊框為基礎。即使目前的高速(Fast)和超高速(Gigabit)乙太網路，仍無整個網路系統上的同步機制。因為在任何情況下，高度精確的同步對乙太網路都不是最重要因素，因為它可將收到封包存放在緩衝區，因此對乙太網路而言，小時序差異並不會導致位元滑動。在此強調的分布頻率訊息中，也有一些應用須具備絕對時間(Absolute Time)的觀念。  

IEEE1588標準掌控頻率分布  

為強化乙太網路分發頻率與壁式時鐘訊息，目前已有許多方法被提出。其中IEEE發展了一種精確時間的同步協定，支援網路量測及控制系統。IEEE 1588精確時間協定技術透過網路同步化多重裝置，以次微秒(Sub-microsecond)的精確度進行，主要觀念為由一個主時鐘去發送群體廣播同步訊息訊框，其中包含了時間標籤(Timestamp)。所有的IEEE 1588接收器則根據收到的時間標籤，以及從發射端到接收端經過估算的單向延遲，修正本地時間。  

網路時間協定是一個IETF的議定書，廣泛用於派發壁式時鐘時間在IP網路和網際網路中。它與IEEE 1588相同之處為由時間伺服器發送包含時間標籤的封包，但這些通常是基於回應客戶端的請求訊息而發出，而這些客戶端通常會同時與多個服務器接觸、聯繫。  

許多的通訊應用擁有自己的頻率分配機制，如TDMoIP並不使用明確的時間標籤作為回復精確頻率機制，而網路電話閘道器(VoIP Gateway)根據內含在系統協定中的時間標籤回復時間機制。  

視訊電話設計時須要考慮抖動緩衝，而要使產品可以實用，須認真看待抖動緩衝的問題。雖然音訊和視訊數據串流都包含可用來關聯數據的時間標籤，但系統須能夠正確處理網路中可能會產生的數據封包遺失與網路抖動等問題，因此設計時須考慮緩衝記憶體和同步這兩個數據串流的方法，同時還不能帶給系統不必要的延遲。某些視訊電話允許用戶修改視訊和音訊串流之間的延遲或偏移取得基本的同步，雖然這種方法可以同步處理音訊和視訊串流，但用戶每次的呼叫或通話期間，網路狀態的改變將導致同步的流失並須要進行人工修正。  

倚靠石英振盪器追溯參考時鐘  

對須要使用精確時間的相關應用而言，在乙太網路目前尚未出現完全合適的傳輸時間方式能符合這些應用，雖然乙太網路的發展不論是在銅100BASE-TX、1000BASE-T、2BASE-TL、10PASS-TS，或光100BASE-FX/LX/BX、1000BASE-SX/LX/BX等不同的傳輸媒介，一直以來都不斷在進步發展中，為了符合乙太網路CSMA/CD工作原理的傳統，實體層利用一種較便宜，誤差為±100ppm的石英振盪器產生發送端時鐘，而接收端則是根據此時鐘進行鎖定。  

因為傳送的資料為數據封包形式，且可以利用緩衝器暫存，因此對乙太網路而言並不需要一個長期且穩定的頻率。同樣的，在不同的連接之間，也沒有必要保持頻率的一致性。然而我們可以利用更換石英振盪器，將頻率源追溯到主要參考時鐘，產生高品質的頻率參考作為實體層的發送時鐘(圖1)，而這樣的變化並不會對乙太網路層的運作產生任何影響。

圖1　利用外部參考時鐘可取代內部石英振盪器

而接收器在連接的另一端會自動鎖定實體層時鐘的接收訊號，因此本身獲得一個高度精確和穩定的頻率參考。使用分時多工的方式，這個接收器將可以鎖定傳輸時鐘，以這個頻率作為參考。  

注入主要參考時鐘在乙太網路中，並且將標準的SONET/SDH網路使用時間回復電路設計在乙太網路實體層電路中，將可以建立一個充分的時間同步乙太網路。與TDM網路的不同在於，它與資料平面層(Data Plane)的正常運作無關。這樣完美的運作環境，主要是提供一些必須在相對不準確和不一致的實體層時鐘環境下運作的應用，這還提供了一個高度準確及穩定頻率的參考應用，如手機基地台及TDMoIP閘道器(圖2)。

圖2　主要參考時鐘處理模式示意圖

雖然在乙太網路中鎖住實體層的作法曾經被提出，但首次將此觀念與作法納入標準化工作，作為乙太網路全新網路的解決辦法為ITU-T建議G.8261中的Clause 8.1.1，此一標準主要是針對分時多工負載於乙太網路上時間的問題，這也同時解釋了如何將非同步乙太網服務轉換對應到一個同步乙太網路。  

利用同步狀態訊息加強傳輸品質  

相較在未鎖定的實體層中於數據封包內傳送時鐘訊息，利用同步乙太網路的好處在於不會受到更高層的網路技術所限制，如數據封包遺失，數據封包延遲變化的損害而影響，因此，頻率精確度和穩定性，將勝過那些未同步網路的實體層。IEEE 1588針對一些困難的案例，定義了打擊網路退化，如邊界時鐘(Boundary Clocks)和透明時鐘(Transparent Clocks)的機制，但這些機制都需要網路中硬體的支援。  

在分時多工網路中，網路元素利用同步狀態訊息(Synchronization Status Messaging, SSM)確定可追溯的頻率是否被供應，這個訊息啟動了訊號階層水準與故障通報，適時採取適當的行動。SDH的同步狀態訊息定義在G.707，而低速率分時多工訊號則定義在G.704。G.8261描述了同步乙太網路的同步狀態訊息，使下游乙太網路交換器能確定上游交換器的狀態。它開拓了乙太網路最先一哩(EFM)的OAM通訊協定資料單元(OAMPDUs)，並重新使用G.707狀態訊息。當乙太網路交換器被通知上游同步失敗的情況時，交換器可以採取適當的行動，如選擇一個候補同步來源。  

目前已看到同步乙太網路可能被用來鎖定網路中的所有時鐘，不過有時輸入訊號源有自己獨立的時鐘，且不能被同步乙太網路時鐘鎖定，這樣的流量能不能在同步乙太網路中傳送，然後再由自己的時鐘產生輸出訊號，這種情況將很常見。非同步傳輸模式(ATM)的電路仿真業務(Circuit Emulation Service, CES)服務的消費電子展，提供了一個同步常駐時間郵戳(Synchronous Residual Time Stamp, SRTS)選項，區別任意輸入時鐘和實體層時鐘，並透過編碼後可直接傳送在網路上。在輸出端，編碼的差別可以利用實體層時鐘準確回復來源時鐘，MPLS網路類似的機制定義在ITU-T建議Y.1413，而這個機制也可以直接應用在乙太網路上。  

之前曾經提及有些應用須使用絕對時鐘，而非僅是準確的頻率才能正常運作，同步乙太網路可以用來鎖定整個乙太網路的頻率，但它並不具傳遞絕對時鐘的時間；另一方面，一些協定如IEEE-1588和網路時間協定(NTP)，則是被設計用來分發絕對時鐘，因此將兩種技術結合，可以同時防止網路延遲及提供同步乙太網路精確的頻率參考，而這兩種同步方式將可以同時使用達到互補效果。  

(本文作者任職於Vitesse)