La synchronisation en Sonet - SDH, Synchronous Ethernet et IEEE-1588

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Quelques mots sur la synchronisation

La notion de synchronisation recouvre plusieurs aspects ; la diffusion de la date et l'heure ou celle d'une fréquence ne génèrent pas les mêmes contraintes.

Cette distinction calque celle du transport de services synchrones et non synchrones. Dans le premier cas, la qualité sera avant tout dans le respect de la forme du signal transporté qui doit être identique en entrée et en sortie du réseau ; dans le deuxième cas, seule l'intégrité des données nous intéresse, sans contrainte de respect des temps de transit.

 

Pour assurer un temps de transit constant et respecter la forme du signal en sortie du réseau, les techniques utilisées aujourd'hui consistent à distribuer un même signal d'horloge à tous les équipements.

Dans la suite de cette présentation, nous ne nous intéresserons qu'à l'aspect transport d'un signal d'horloge sous forme d'une fréquence dans la trame.

La récupération des horloges dans un équipement

La récupération de l'horloge se fait grâce à une fonction appelée "Phase Locked Loop" qui consiste à commander un oscillateur afin qu'il soit toujours en phase avec une horloge incidente.

Cette horloge incidente est elle-même extraite depuis la suite de "0" et de "1" arrivant sur l'équipement. Afin de ne pas se heurter à une trop longue suite de "0" ou de "1" qui gênerait la récupération d'horloge, un codage construit sur un nombre de bits plus élevés permet de n'utiliser que des combinaisons éliminant ces suites. Le codage 8b/10b fait correspondre à 8 bits un mot de 10 bits choisi de telle sorte que l'on ait toujours moins de trois "0" ou trois "1" consécutifs, y compris lorsque deux symboles sont accolés.

8b10b

Ce codage impose de travailler à une horloge légèrement supérieur ; l'avantage est que le signal est beaucoup plus facile à transporter et autorise ainsi des fréquences beaucoup plus élevées.

On retrouve ce type de codage dans les réseaux 10 Gigabit/s Ethernet (noté également GbE ) ou SDH / Sonet. Les réseaux SDH / Sonet ont donné lieu à la mise au point de technique de transport d'une horloge (voir par exemple les recommandations ITU G.823), techniques mises à profit par les réseaux 10 GbE pour l'interconnexion de commutateurs 3G (recommandations ITU G.8261-G.8263).

Principe de base

Le bon fonctionnement des réseaux SDH s'appuie sur une horloge commune à tous les équipements du réseau.

La distribution de cette horloge est réalisée par la trame à haut-débit sur la fibre entre les équipements.

  • L'horloge maître du réseau appelée PRC (Primary Reference Clock) est construite sur une base de temps atomique. Sa précision est de 10-11 ppm et elle est définie dans G.811.
  • Chaque équipement récupère l'horloge incidente sur un des ses accès STM-n ou 2 MHz (dans le cas général) et la propage aux équipements suivants à partir de son horloge locale appelée SEC (Synchronous Equipment Clock). Sa précision est de 10-7 ppm et elle est définie dans la recommandation G.813. C'est le niveau de précision le plus faible.
  • Lorsque le nombre d'équipements traversés est important, une dérive de l'horloge peut se créer. Pour pallier cette dégradation, l'horloge est régulièrement régénérée à partir d'une source plus précise disponible dans des équipements appelés SSU (Synchronisation Supply unit). La précision est alors de 10-9 ppm et est définie dans G.812.

La garantie du bon niveau de qualité de l'horloge découle de règles d'ingénierie très précises : le nombre maximum d'équipements traversés avant de régénérer l'horloge à l'aide d'un SSU est de 20, le nombre de SSU maximum derrière un PRC est de 10 et en tout état de cause aucun équipement ne doit être distant de plus de 60 équipements du PRC.

C'est sur ces règles que l'opérateur du réseau construit le plan de synchronisation. La description du chemin suivi par les horloges se fait grâce à un arbre dont la racine est le PRC.

Le signal de synchronisation se propage de noeud en noeud.

Chacun des équipements possède un système de génération d'horloge qui est asservi sur un signal d'entrée sélectable. Le sélecteur choisit entre plusieurs sources : horloge du signal STM-n sur un quelconque des ports, horloge présente sur une entrée à 2 Mhz (PRC, SSU, 2 MHz distribué dans un site) voire pas de source, auquel cas l'équipement fonctionne sur son horloge interne.

Sur la figure de gauche, le signal d'horloge est récupéré côté West. Il est utilisé pour donner le rythme aux fonctions d'horloge de l'équipement. Le signal d'horloge est alors diffusé sur les différents ports STM-n de l'équipement. La figure de droite intègre un SSU destiné à régénérer l'horloge à partir d'une qualité G.812.

Les routes suivies par la synchronisation sont établies par la configuration de l'ordre dans lequel commutent les horloges dans les équipements. C'est le plan de synchronisation dans le réseau qui respecte trois règles : nombre de sites traversés (ingénierie de réseau), arrosage de la totalité des équipements et absence de boucles dans les chemins d'horloge.

 

Jusque là, tout va bien ...

... mais que faire quand il y a une coupure ?

La réponse est a priori simple : il suffit de prendre son horloge sur une autre branche du réseau. Ce n'est, hélas, pas si simple. Est-on sûr que le chemin pris pour secourir la synchronisation alimente effectivement tous les équipements, que la quantité d'équipements traversés reste en accord avec les règles d'ingénierie et qu'il n'y a pas de boucle d'horloge ? Ce dernier cas se rencontre lorsqu'un équipement se synchronise sur une horloge qu'il a lui-même générée auparavant.

Voyons d'abord le fonctionnement dans un anneau et le mécanisme qui utilise les messages "Synchronous Status Messaging "

La synchronisation dans un anneau

L'horloge est distribuée d'équipement en équipement. Pour simplifier mais sans dénaturer le mécanisme, nous considérerons ici le cas où l'horloge est diffusée par la trame à haut débit.

Les flèches bleues à l'intérieur des équipement symbolisent la récupération de l'horloge sur un port en entrée et sa diffusion vers les ports en sortie. L'anneau extérieur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et l'anneau intérieur dans le sens inverse.

Sur le schéma ci-dessous, l'horloge provient de l'équipement B et est utilisée pour aller vers les équipements C et F.

L'équipement C récupère l'horloge sur le port relié à l'équipement B. Cette horloge est utilisée pour synchroniser la trame en retour vers l'équipement B et la trame vers l'équipement D. La trame en provenance de D vers C n'est pas utilisée pour récupérer l'horloge. l'horloge est ainsi diffusée de proche en proche à tous les équipements du réseau.

Le premier schéma représente le fonctionnement en mode normal.

Sur le schéma2, le lien entre D et E est coupé. L'équipement E n'a plus d'horloge pour se synchroniser.

Le schéma 3 illustre ce qui se passerait si on cherchait à cicatriser le réseau en configurant l'équipement E pour qu'il trouve son horloge sur le port connecté à l'équipement F. Les deux équipements s'échangeraient les horloges en créant une boucle.

Le SSM, Synchronous Status Messaging

Pour éviter l'apparition de cette boucle un mécanisme construit sur des messages qualifiant les horloges en fonction de leur stabilité a été implanté.

Un message accompagne chaque horloge. Ce message est transporté dans les octets "S" de la trame SDH/Sonet. L'information contenue est le niveau de qualité de l'horloge : G.811 pour une horloge de "très bonne" qualité type PRC, G.812 pour une horloge de "bonne qualité" type SSU et enfin G.813 pour une horloge interne d'équipement. Et surtout un message "magique" a été créé : Do Not Use, DNU pour les intimes. Lorsqu'une horloge est récupérée sur l'entrée d'un port, le message DNU accompagne l'horloge dans le sens sortie de ce même port. L'apparition d'une boucle dans cette configuration est donc évitée.

L'utilisation de ces messages est très basique. Le choix de l'équipement se porte sur l'horloge proposant la meilleure qualité.

Sur la figure 4 l'équipement E sur détection du défaut passe sur son horloge interne et envoie le message G.813 pour prévenir l'équipement F que l'horloge est dégradée.

Sur la figure 5, l'équipement F constate qu'il reçoit depuis E une horloge G.813 et une horloge G. 811 depuis B. Il commute donc sa source vers B et envoie à E le message G.811.

Sur la figure 6, l'équipement E reçoit l'horloge G.811 de la part de F et abandonne donc son horloge interne pour se tourner vers F.

La distribution de l'horloge dans l'anneau est maintenant cicatrisée.

Le cas des réseaux maillés

Le mécanisme de "SSM" fonctionne très bien sur un réseau maillé pour éviter qu'un équipement se synchronise sur l'horloge qu'il vient d'émettre grâce au message "DNU".

Mais il n'y a hélas pas de mécanisme pour détecter si l'horloge utilisée en entrée est une lointaine descendante de notre propre horloge. Le cas peut se produire lors de la reconfiguration suite à des coupures.

L'exemple ci-dessous illustre une configuration d'horloge comportant une boucle potentielle.

Le plan de synchronisation définit le lien sur lequel l'équipement récupèrera sa synchronisation en mode normal ; puis il configure quelle priorité donner à chaque lien pour devenir source de synchronisation en cas de dégradation.

Par exemple, "Site 4" se synchronise sur "Site 2" en mode normal ; en cas défaillance de la source normale, "Site 4" se récupère d'abord sur "Site 5" et, si elle n'est elle-même pas disponible, sur "Site 3". Chaque équipement du réseau est ainsi configuré pour constituer le plan de synchronisation.

En l'absence de perturbation, le signal suit les routes suivantes :

  • "Site 1", "Site 7", "Site 6", "Site 5", puis "Site 5", "Site 8" et "Site 5", "Site 3"
  • "Site 1", "Site 2", "Site 4", "Site 9", "Site 10"
  • "Site 1", "Site 11"

Ensuite, suivant les défauts, la configuration évolue. Le schéma de droite illustre la configuration suite à un défaut entre "Site 1" et "Site 2". Ce dernier, en l'absence de signal en provenance de "Site 1" se retourne vers le "Site 10". "Site 2" récupère donc une horloge qui suit la boucle "Site 2", "Site 4", "Site 9", "Site 10" et retour à "Site 2". Ces quatre sites ont maintenant une horloge décorrélée du reste du réseau et sont de fait isolés.

Sur un petit réseau comme dans notre exemple, une parade (parmi d'autres) consiste à configurer "Site 2" pour qu'il prenne sa protection depuis "Site 4", lui même pouvant prendre sa synchro sur "Site 3". Mais que faire quand le réseau comprend plusieurs centaines d'équipements, des "SSU", des distributions d'horloge à partir d'un 2 Mhz pour tous les équipements d'un site ; et surtout comment faire lorsque de nouveaux équipements ont grossi le réseau progressivement, la configuration d'horloge étant faite localement ?

La solution dans ce cas consiste à dresser un inventaire du réseau et à relever la configuration des horloges dans chacun des équipements. Puis à observer le comportement du réseau après simulation exhaustive des ruptures de tous les liens du réseau. Enfin à consolider le plan de synchronisation en fonction de ces observations.

La tâche est donc rapidement titanesque ; une analyse à la main est susceptible de passer à côté de scenarii de pannes et d'être entachée d'erreurs. La solution se trouve probablement dans l'utilisation de logiciels de simulation comportementale tel que RetiSync de la famille RetiTools.

RetiSync : testez votre réseau !

RetiSync est un simulateur comportemental utilisé pour valider les plans de synchronisation. La réaction du réseau et la reconfiguration des horloges après une coupure de lien est analysée. Après stabilisation, trois tests sont réalisés :

  • recherche de noeuds isolés
  • vérification des règles d'ingénierie
  • détection des boucles d'horloge.

Merci de laisser vos coordonnées : nous vous contacterons pour tester votre réseau avec RetiSync..

  • Version 7.9
  • Nécessite Microsoft Office© 2000 ou ultérieur
  • Nécessite Microsoft Windows© XP, 2000 ou ultérieur.

 

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