LE TRANSPORT DE LA SYNCHRONISATION DANS LES INFRASTRUCTURES DE TRANSPORT TÉLÉCOM

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1 LE TRANSPORT DE LA SYNCHRONISATION DANS LES INFRASTRUCTURES DE TRANSPORT TÉLÉCOM Par Jacques Baudron ixtel Février 2011 Synchronisation : mise en phase de différents systèmes tels que des processus ou des fichiers. Nous nous intéresserons ici au temps dans les réseaux de transmission. Si certains services notamment de données s accommodent parfaitement d une absence de référence de temps, la voix ou la vidéo s appuient sur un cadre temporel très strict. Les réseaux mobiles ont de surcroît à gérer des variations de délais liées à la variation de distance entre une antenne et un terminal. Ils se raccrochent à une référence pour récupérer les flux. Avec l avènement des «smartphones», ces flux peuvent de plus être sensibles à la synchronisation. Ainsi, au-delà de la triplette voix-vidéo-données, les réseaux de transmission ont leur quatrième dimension : le transport d une référence d horloge. Quelle technologie utiliser alors? En pratique, le problème est longtemps resté transparent. La technologie SDH/SONET utilisée pour les réseaux de transport prend en charge nativement ce service : SDH/SONET ne sait fonctionner que si tous les nœuds sont cadencés par une même horloge. La tendance actuelle va vers le transport par paquets IP/MPLS ou vers la famille Gigabit Ethernet. Ces techniques par construction asynchrones on ne maîtrise pas le temps que le paquet va passer dans le réseau doivent intégrer les contraintes d un transport synchrone. L adaptation de mécanismes éprouvés en SDH/SONET et l envoi de paquets porteurs d informations de temps constituent deux réponses à cette question. Un livre blanc de Forum ATENA Un livre blanc 1 / 16

2 SOMMAIRE LE TRANSPORT DE LA SYNCHRONISATION DANS LES INFRASTRUCTURES DE TRANSPORT TÉLÉCOM SYNCHRO, LES TROIS COMPOSANTES LA SYNCHRONISATION, POURQUOI? COMMENT DISTRIBUER L HORLOGE? LE PRECISION TIME PROTOCOL SYNCE, LE «SYNCHRONOUS ETHERNET» Choix de l horloge incidente Sécurisation du transport d horloge QUEL MÉCANISME? GLOSSAIRE A PROPOS DE L AUTEUR Un livre blanc 2 / 16

3 1. SYNCHRO, LES TROIS COMPOSANTES Qu est-ce qui rend des signaux synchronisés? Est-ce parce qu ils ont la même fréquence, parce qu ils ont la même phase ou parce qu ils sont porteurs la même date et heure? Signaux de fréquences différentes Signaux de fréquences identiques et de phases différentes Signaux de fréquences et de phases identiques identiques identiques Signaux de dates identiques En pratique la synchronisation dans les réseaux regroupe ces trois composantes. La synchronisation des réseaux télécoms adresse aussi bien les relations de fréquence, que de phase ou de date. Ces trois paramètres sont quantifiables. La fréquence est proposée avec une précision à long terme mesurée en ppm (parties par million ou 10-6 ), ppb (parties par billion ou 10-9, ou milliard). 2. LA SYNCHRONISATION, POURQUOI? Intuitivement, la synchronisation concerne avant tout les services synchrones. Autrement dit, ceux pour lesquels il est important de conserver le rythme qu a le flux lors de sa prise en charge par le réseau. La voix et la vidéo sont à ce titre au premier rang. En parallèle, beaucoup de système fonctionnent parfaitement avec un «top» de synchronisation à intervalle régulier, la minute par exemple, ce top étant distribué avec une précision de la demi-seconde. Les réseaux mobiles réclament à leur tour une bonne synchronisation. L enjeu est alors de maîtriser des flots de données issus de terminaux en mouvement. La distance et donc le délai les séparant de l antenne n est pas constant ce qui rend nécessaire une référence de temps unique. Il est nécessaire qu au niveau des stations de base les canaux soient bien alignés. Les réseaux mobiles réclament une même phase et un même rythme entre les antennes pour pouvoir assurer le passage d une cellule à une autre. Un livre blanc 3 / 16

4 Avec les «smartphones», ces deux contraintes se cumulent. On transporte des services synchrones sur une infrastructure mobile. Petite complication complémentaire : les débits augmentent. Les réseaux GSM transportaient des données au débit GSM, puis légère croissance avec l EDGE, l UMTS, HSPA et maintenant le LTE. Les conséquences sont tangibles, comme on peut le constater dans le tableau ci-dessous. Technologie sans fil GSM Interface Radio Erreur max en fréquence 50 ppb Erreur max en phase Transport 0,01 ppb 4,3 µs Erreur max en date/heure CDMA/CDMA2000 Radio 50 ppb 1 µs Radio 50 ppb 2,5 µs WCDMA/UMTS Transport 15 ppb RNC, net sync 0,01 ppb 4,3 µs TD-SCDMA Radio 50 ppb WiMAX fixed Radio 8 ppm Transport 0,01 ppb 4,3 µs 1 µs (TDD) WiMAX Mobile Radio 8 ppm 1 µs (TDD Transport 16 ppb LTE Radio 50 ppb µs (TDD) L absence de synchronisation est source de dégradations telles que perte de l appel, interférence entre canaux, lenteur du passage d une cellule à l autre, communication hachée. Les réseaux SDH/Sonet ont également un besoin en synchronisation fort. Physiquement, la technologie SDH/SONET laisse «flotter» le trafic transporté. Le trafic est repéré à l aide de pointeur qui précisent la position des flux dans la trame. Pour que les pointeurs aient une signification les différents équipements du réseau doivent être calés sur un même rythme. Ce rythme est délivré par une horloge de référence dénommée PRC pour Primary Reference Clock (PRC) ou Primary Reference Source (PRS) dont la précision est de et qui sont fréquemment cités par le nom de la recommandation de l ITU-T qui les définit G.811. Ce rythme est acheminé à chacun des nœuds pour guider les oscillateurs locaux SDH Equipement Clock (SEC) dont la précision est de 10-7 tel que défini dans la recommandation G.813. Enfin des régénérateurs d horloge de référence sont prévus. Ce sont les Synchronous Supply Units (SSU) ou Building Integrated Timing Supplies (BITS) de précision 10-9 définis dans la recommandation G COMMENT DISTRIBUER L HORLOGE? La question qui se pose maintenant est de savoir comment acheminer l horloge à chacun des équipements. L horloge de référence utilise un réseau de transport pour être acheminée à chacun des équipements. Un livre blanc 4 / 16

5 Pour les réseaux mobiles, le problème de la synchronisation avait sa solution avec l utilisation des réseaux TDM qui apportaient directement des signaux T1 ou E1 transportés par une infrastructure SDH/Sonet. Le passage en réseaux par paquets (Gigabit Ethernet par exemple) amène à construire une solution dédiée. Les différents équipements du réseau génèrent des signaux de fréquences sensiblement identiques avec un degré de précision donné qu il convient de mettre en phase. La première option consiste à ne rien faire, c est-à-dire laisser chaque équipement fonctionner sur sa propre horloge. Cette solution ne pose pas de problèmes particuliers tant que l on reste dans le domaine de l asynchrone. Routeur Oscillateur «libre» Dans un réseau par paquets classique, il n est pas nécessaire d imposer une même horloge à tous les nœuds. Chaque équipement travaille avec sa propre horloge. Le transfert de paquets se fait de la sorte depuis le début des réseaux Ethernet. Comme on l a vu précédemment, ce fonctionnement pose problème notamment dans les infrastructures pour réseaux mobiles. D où l idée d apporter le signal d horloge par un réseau dédié. Horloge distribuée par câble dédié Une première solution consiste à construire un réseau dédié à la synchronisation Le frein à cette technique est la lourdeur de mise en œuvre. L utilisation d une base de temps à base de récepteur GPS (GNSS pour Global Navigation Satellite System) est très séduisante. Nous avons ainsi à disposition une horloge compatible G.811 parfaitement à sa place en tant qu horloge de référence. Horloge distribuée par GPS Dans cette configuration, l horloge est distribuée par le satellite. La diffusion de cette solution est limitée par une forte sensibilité aux conditions atmosphériques et météorologiques ainsi qu aux interférences accidentelles ou provoquées. De plus, des périodes plus ou moins longues de mises hors services liées à l activité solaire peuvent apparaître. Enfin les coûts liés à l installation et à la maintenance diminuent l attrait des opérateurs pour cette solution. Un livre blanc 5 / 16

6 Intéressons-nous maintenant à deux méthodes construites sur la diffusion du signal d horloge. L une travaille au niveau physique, SyncE pour Synchronous Ethernet défini par l ITU-T G.8262 et l autre au niveau paquet, PTP pour Precision Time protocol défini par l IEEE 1588 V2. Horloge distribuée par les paquets Des paquets dédiés apportent les informations de synchronisation gérés par le Precision Time Protocol. Horloge distribuée par le signal physique Avec le Synchronous Ethernet, la modulation au niveau physique transporte le signal d horloge LE PRECISION TIME PROTOCOL Le Precision Time Protocol (PTP) donne la possibilité de synchroniser des horloges distribuées avec une précision meilleure que la microseconde à un coût relativement faible d utilisation de ressources en local. Chaque horloge locale génère un signal à la fréquence désirée dont la phase est calée à intervalle régulier avec celle d une horloge de référence. Ainsi les dérives liées aux différences entre oscillateurs sont gommées. L horloge de référence envoie régulièrement à chacun des équipements un message contenant l heure («Time Stamping») ainsi que le temps mis pour acheminer ce paquet. Ayant eu au préalable la connaissance du temps de transit moyen, l oscillateur est ainsi en mesure de caler son fonctionnement. Le protocole fonctionne aux niveaux 2 et 3 : Ethernet, Ipv4 et Ipv6 voire MPLS. L idée date de la fin des années 1990 où les besoins en système de mesure ont poussé des sociétés telles qu Agilent à proposer des solutions qui ont été la base du standard IEEE 1588v1 dont la dernière édition date de Cette version s est particulièrement développée dans les milieux industriels pour des installations à base de robotique ou plus généralement sur tout système où des machines doivent travailler ensemble. Néanmoins, son manque de réactivité, son coût en bande passante et sa faible précision n ont pas permis une utilisation directe dans les milieux télécoms. D autres environnements comme par exemple les relevés sismiques des géologues sont également demandeurs de précision pour leurs calculs. L adaptation aux réseaux télécoms a donné lieu à une deuxième version, IEEE1588v2. L architecture est au format telecom, les contraintes de référence plus strictes et la fréquence des messages est réglable. Le groupe de travail a démarré en 2005 et son cahier des charges comprend de nombreuses contraintes telles qu atteindre une précision inférieure à la nanoseconde, des messages courts pour ne pas consommer de la bande passante tout en proposant une réactivité accrue. Trois impératifs apparaissent alors : transporter le paquet comprenant les informations d horloge dans un chemin le plus stable possible, mesurer le plus précisément possible les instants de passage des paquets et maîtriser les variations de temps passé dans le réseau. Pour le premier point, les techniques existantes pour les données permettent d optimiser la fluidité du transport des paquets de synchronisation. Un livre blanc 6 / 16

7 Le transport des paquets de synchro peut se faire dans le même «tuyau» que les données en gérant des classes de service distinctes ou dans deux «tuyaux» distincts. On utilise ainsi des EVPL, lignes privées virtuelles sur Ethernet ou des LSP, chemin dédiés dans MPLS. La mesure des instants de passage départ, arrivée, transit se fait de préférence par du matériel dédié plutôt que des solutions logicielles. Le système est architecturé entre des horloges-maîtres qui dirigent des horloges esclaves. Source : L architecture maître / esclave Le principe est de fonctionner avec des échanges de messages qui permettent de calculer le décalage entre les horloges maître et esclaves et le délai d acheminement entre maître et esclave. Les calculs d offset et de délai entre maître et esclave. Ces échanges sont répétés à rythme régulier, typiquement toutes les deux secondes. Ce type d architecture soulève deux questions : la variation du délai d acheminement et la mise en cascade d éléments. Un livre blanc 7 / 16

8 Le délai d acheminement varie sensiblement avec la charge du réseau. La charge du réseau entraîne des variations du délai d acheminement des paquets qui entraînent une dégradation de la précision des oscillateurs. Pour pallier le phénomène, la structure est adaptée en cascadant des maîtres et des esclaves. Les cascades de maître esclave La deuxième question est celle de ma mise en cascade des horloges. Le problème qui se pose est celui de la dérive par effet de cumul des dégradations. Le concept d horloge transparente est utilisé. Le temps pendant lequel un paquet est retenu dans chacun des nœuds traversé est pris en calculé et indiqué dans le champ «correction» du message «Precision Time Protocol». L horloge transparente consiste à prendre en compte le temps que le paquet passe dans un équipement lors des périodes de charge forte. Le champ de correction est actualisé. Le mécanisme de «Precision Time Protocol» est maintenant défini et très prometteur pour la mise en phase d horloges dans un réseau. Ses performances doivent néanmoins intégrer différents écueils : La variation des délais de transit et ses effets sur le comportement du réseau Le «bon choix» entre taux de rafraîchissement des informations de synchronisation et trafic généré La nécessité d une architecture efficace prenant en compte les maîtres et esclaves, la charge du réseau la configuration du protocole. Ces architectures sont dédiées et sont à reprendre à chaque évolution du réseau. Le comportement du mécanisme lorsque le nombre d équipements traversés augmente Les valeurs sur lesquelles un opérateur pourra effectivement s engager dans le cadre d un Service Level Agreement sont délicates face au manque de maîtrise de la gigue liée à la charge du réseau La nécessité d oscillateurs locaux de bonne qualité. Le protocole présume que les chemin de transit sont symétriques. IEEE 1588V2 corrige des asymétries de manière statistique et non pas dynamique. Le Precision Time Protocol défini par l IEEE 1588V2 permet de distribuer des tops à même de garantir la mise en phase de signaux et la distribution de l heure et de la date. Il permet en outre de fournir une fréquence. Mais la précision ne peut être obtenue qu en appliquant des contraintes sur la charge du réseau, son architecture et la qualité des oscillateurs locaux. Un livre blanc 8 / 16

9 3.2. SYNCE, LE «SYNCHRONOUS ETHERNET» A l opposé du PTP, le SyncE distribue un rythme sur lequel se calent les oscillateurs locaux ; il n y a pas de «tops» de synchronisations et de datation. Ceux-ci sont prévus pour une phase ultérieure. L origine de cette technologie tient dans la similitude entre les couches physiques du 10 Gigabit Ethernet pour les réseaux WAN et les signaux SDH. Tous deux utilisent le codage 64B/66B. Ce mécanisme consiste à coder 64 bits consécutifs sur 66 bits. Le débit est certes plus important mais en contrepartie, il y a quatre fois plus de combinaisons. Cette astuce permet de supprimer les séries les plus délicates à transporter comme les longues suites de «0» ou de «1». Le signal étant plus facile à transporter, le débit peut être notablement augmenté. 8bB/10b. Une suite de 8 bits est transformée en un mot de 10 bits dans lequel les suites de «0» et de «1» trop longue sont écartées. Synchronous Ethernet adopte les principes de transport d horloge développés dans le cadre de la technologie SDH. L idée est d asservir les oscillateurs des éléments de réseau traversés sur une horloge incidente grâce à une «Phase Locked Loop» ou PLL. Les PLL permettent d imposer une même phase à tous les oscillateurs Ces PLL délivrent des fréquences en phase avec le signal incident. Les horloges étant constamment asservies au signal incident, elles propagent l horloge de référence qui leur est présentée. Les horloges internes des équipements (SEC sur le schéma de précision 10-7 ppm) sont asservies au signal issu de l horloge de référence (PRC de précision ppm). Lorsque le nombre de nœuds traversés risque de dégrader la chaîne, un «répéteur» (SSU de précision 10-9 ppm) est inséré. Asservir en permanence les oscillateurs locaux permet de se contenter de performance moindre et donc d un coût contenu. A l opposé, les oscillateurs gérés par le Precision Time Protocol doivent être beaucoup plus précis car le rafraîchissement des informations de phase n a lieu que toutes les quelques secondes. Un livre blanc 9 / 16

10 L architecture du réseau de synchronisation répond à des règles très strictes, «Engineering rules» pour s assurer que la mise en cascade d éléments ne dégrade pas la qualité de la synchronisation. Les règles d ingénierie. Le but est de contrôler la dégradation du signal d horloge depuis la référence PRC jusqu aux derniers équipements SEC en passant par les répéteurs SSU. Ces règles d ingénierie permettent de maîtriser la dérive maximum du rythme jusque dans les nœuds les plus éloignés de la source de référence. Le chemin suivi par la synchronisation est pré-défini dans le réseau par configuration dans chacun des éléments de réseau en fonction de ces règles. Chaque équipement possède son propre oscillateur (SEC) asservi en phase sur une horloge en entrée. T0 : STATION CLOCK T1 : 2MHz derived from STM-n T2 : 2MHz derived from 2 Mbit/s T3 : 2 MHz input T4 : 2 MHz output Fonctions de synchronisation au sein d un équipement. L horloge appliquée aux sorties est asservie à une horloge sélectionnée en entrée. L horloge-pilote de l oscillateur est choisie par configuration entre les horloges extraites des signaux incidents ou une source externe. Ce rythme est appliqué à l entrée d une PLL, ou boucle à verrouillage de phase. Lorsque l entrée est défaillante, l oscillateur continue sur son propre rythme, dérivant lentement par rapport à l horloge de référence. Ce «Holdover» a une valeur de 10-8 par jour. Un livre blanc 10 / 16

11 Insertion d un SSU dans la chaîne de synchronisation. Pour simplifier, le commutateur permettant de choisir la source présentée au SSU n est pas représenté. L insertion d un Synchronous Supply Unit (SSU) permet de régénérer le signal d horloge. Les entrées T2 récupèrent un 2 Mbit/s pour extraire l horloge à 2 MHz qui sera utilisée en locale. Au sein d un même bâtiment il est fréquent de relier tous les équipements par un lien externe porteur de l horloge à 2 MHz. Au sein d un même local, les horloges des équipements sont reliées par un câble à 2 MHz CHOIX DE L HORLOGE INCIDENTE Chaque horloge incidente est accompagnée d un message porteur de son niveau de qualité : G.811, G.812, G.813. Ce message est transporté dans les octets S du surdébit de la trame SDH ou dans des messages formant l ESMC (Ethernet Synchronization Messaging Channel) en Ethernet. Complétées par un ordre de priorité donné par configuration, ces informations dictent le choix entre les entrées. C est le protocole SSM (Synchronous Status Message) SÉCURISATION DU TRANSPORT D HORLOGE En première approche, la sécurisation du chemin de transport de l horloge semble simple car le mécanisme intègre le passage d une route à une autre. Or, un basculement sans protection risquerait de créer une boucle d horloge : les nœuds s échangent mutuellement leur horloge sans aucun lien avec la référence. Cet îlot dérive lentement et se coupe du reste du réseau. Un livre blanc 11 / 16

12 La protection. Le nœud «A» ne doit pas prendre sa référence de synchronisation de secours sur «B» en cas de coupure pour éviter la création d une boucle d horloge : il récupérerait l horloge qu il vient d envoyer. Pour éviter cette situation, un message particulier est envoyé en retour par un port qui reçoit l horloge : «Do Not Use». Le nœud «B» reçoit son horloge du nœud «A» ; il renvoie un message «DNU» pour indiquer au nœud A qu il ne doit pas utiliser cette horloge. L information de qualité des horloges en Ethernet est transmise sur les canaux ESMC (Ethernet Synchronization Messaging Channel) défini dans G Ces messages informent du niveau de qualité (G.811, G.812, G.813, DNU) ; la cadence de rafraîchissement est toutes les secondes ou à chaque changement de niveau de qualité. Ce mécanisme fonctionne également sur les anneaux. Lorsque C constate l absence de synchro depuis A, il constate que son autre choix est porteur du signal «DNU». Il se replie donc sur son horloge interne et envoie l indication «G.813» pour avertir que son horloge est de qualité réduite. Un livre blanc 12 / 16

13 Le nœud D reçoit le signal «G.813». Il se tourne vers C qui lui propose une qualité «G.811» et envoie cette information à E. A son tour E constatant qu une horloge «G.811» lui est proposée la choisit en lieu et place de son horloge interne. L anneau est maintenant cicatrisé. Ce mécanisme cicatrise les coupures sur les anneaux et les réseaux linéaires. Dans le cas des réseaux maillés, ce mécanisme peut montrer ces limites si une attention particulière n a pas été portée à la configuration du réseau. Pour cela, reprenons notre anneau et simulons un défaut non pas sur un tronçon de l anneau mais sur l arrivée de la synchronisation sur l anneau. Lorsque A constate qu il ne reçoit plus d horloge, il se tourne vers le nœud E qui lui propose une horloge «G.811». Le problème est que cette horloge «G.811» a été générée par le nœud A lui même! La maille forme maintenant une boucle d horloge. La solution à ce type de problème sur ce réseau passe par la programmation du réseau de telle sorte que le nœud qui reçoit l horloge pour la maille en mode nominal ne reçoive pas également sur un autre lien cette même horloge. Par contre dès que le réseau prend de l ampleur, il devient délicat d envisager l analyse de tous les cas de panne sur un réseau comprenant plusieurs centaines voire milliers d équipements. Le problème se complique encore lorsque le réseau est constitué d un agrégat de réseaux élémentaires réunis par la magie des fusions d opérateurs. Un livre blanc 13 / 16

14 Une configuration de boucle d horloge en cas de coupure entre «Site 1» et «Site 2» est identifiée par RetiSync La réponse est alors d utiliser des outils de simulation comportementale faisant une analyse de panne systématique. ixtel propose dans la gamme RetiTools le module RetiSync dédié à l audit des plans de synchronisation QUEL MÉCANISME? Les réseaux TDM transportaient de manière native les signaux d horloge. Le passage du réseau de transport au tout IP amène à implanter de nouveau mécanismes. Physiquement, IEEE 1588V2 et SyncE ne fournissent pas le même service. IEEE 1588V2 permet de transporter les informations pour aligner les phases de différents nœuds du réseau, et dans les limites liées à sa la sensibilité à la charge du réseau, de transporter une fréquence. SyncE de son côté transporte une fréquence. Le transport bénéficie de fonctions d autocicatrisation après une coupure. SyncE ne propose pas, dans sa version courante de la possibilité de transporter les informations de synchronisation. Les deux mécanismes sont complémentaires. En tout état de cause, tous ces mécanismes nécessitent pour leur bon fonctionnement de se situer au plus près du hardware : la précision ne sera obtenue qu à ce prix. 4. GLOSSAIRE BITS Building Integrated Timing Supplies ECMS Ethernet Synchronisation Messaging Channel EVPL Ethernet Virtual Private Line GNSS Global Navigation Satellite system LSP Label Switched Path MPLS Multiprotocol Label Switching PLL Phase-Locked Loop ppb Parties per billion PRC Primary Reference Clock PRS Primary Reference Source PTP Precision Time Protocol SDH Synchronous Digital Hierarchy SEC SDH Equipment Clock Un livre blanc 14 / 16

15 Sonet SSU Synchronous Optical Network Synchronisation Supply Unit 5. A PROPOS DE L AUTEUR Jacques Baudron, administrateur du Forum ATENA, est ingénieur de l École Spéciale de Mécanique et d Électricité (ESME). Spécialisé dans les infrastructures de transmission depuis le début des années 1990, il a représenté Alcatel au sein des organismes de normalisation (ITU-T, ETSI) pour la définition des réseaux protection, qualité de service - avant de créer ixtel où il a développé la famille d outils RetiTools pour le dimensionnement et la simulation comportementale des réseaux. Jacques Baudron est chargé de cours en architecture de réseaux pour différentes écoles d ingénieur et Mastères. jacques.baudron (at) ixtel.fr Les idées émises dans ce livre blanc n engagent que la responsabilité de leurs auteurs et pas celle de Forum ATENA. La reproduction et/ou la représentation sur tous supports de cet ouvrage, intégralement ou partiellement, est autorisée à la condition d'en citer la source comme suit : Forum ATENA 2011 Le transport de la synchronisation dans les infrastructures de transport télécom Licence Creative Commons - Paternité - Pas d utilisation commerciale - Pas de modifications L'utilisation à but lucratif ou commercial, la traduction et l'adaptation sur quelque support que ce soit sont interdites sans la permission écrite de Forum ATENA. Un livre blanc 15 / 16

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