本文版权为《邮电设计技术》所有，如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部
摘要：随着互联网和通信服务的飞速发展，数据中心组网架构的研究重心由电交换转向光交换。由于光交换网络进行时隙交换之前需要同步时钟信号，时间同步的精度和稳定性是提升光网络性能的重要参数。提出基于 FPGA 实现的时间同步方案，与现有方案相比，该方案在降低了同步复杂性的同时具有更高的精度和稳定性。测试结果表明时间同步后的偏移量不超过 2.56 ns，在不同光纤长度、运行时长和环境温度下的时钟抖动为皮秒级。
关键词：时间同步；光电混合；数据中心网络
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.02.004
概述
随着互联网的普及和通信服务的快速发展，流媒体、云计算等相关应用业务对数据流量的需求增加，数据中心组网的规模不断扩大，高密度服务器之间的通信对带宽提出更高的要求，而传统的电交换架构受限于带宽和能耗，逐渐难以满足通信网络对传输容量及速率的要求。由于对光交换技术的研究和需求逐渐增加，目前已有研究将光交换引入数据中心架构，与全电交换相比，全光交换在带宽、时延等方面有更好的性能。为解决大规模数据中心的问题，满足它对高带宽、高效数据传输的需求，同时兼顾通信系统的扩展成本，通常采用光电混合架构，兼顾光交换和电交换的优势，可以灵活地选择传输方式。在数据中心组网中引入光交换技术，利用时分复用（Time DivisionMultiplexing，TDM）或波分复用（ Wavelength DivisionMultiplexing，WDM）技术提升带宽、降低时延。时隙交换的前提是精确的时间同步，确保各个机架的时隙对齐，同步的精度越高，划分的时隙越短，控制器在分配带宽时越灵活，可根据实际流量的需求实现动态分配，提升资源利用率。
在已有的光网络架构中，通常使用基于网络传输时间戳的同步协议，其精度在毫秒级或微秒级，或者采用精度能达到纳秒级甚至亚纳秒级的高精度同步方案，但是该方案依赖于特定硬件对相关协议的支持。目前能长时间保持稳定的时间同步模块的最高精度为 10 ns。微软提出一种快速光交换架构 Sirius，并根据自身的调度特点设计了一种新的同步协议，能达到百皮秒级的时间同步，但是需要在每个时隙进行同步，挑选质量最佳的时钟作为主时钟。
TDM技术在时域上复用多路信号，可在同一个信道上传输多路数据。为了保证分割时隙的准确性，需要提前对各端点进行时间同步。本文提出一种面向时隙光交换网络的纳秒级时间同步技术，基于 FPGA（Field Programmable Gate Array）用硬件描述语言实现IEEE 1588v2 协议。由于机架的主从端都通过 FPGA实现该协议的同步逻辑，所以不需要额外的硬件支持就可以实现高精度的时间同步，只需要在数据链路层将时间同步报文插入数据包并通过以太网封装传输即可。同时，与需要考虑网络抖动而在每个时隙挑选最佳时钟的方案相比，硬件开发板的晶振时钟源质量较好，能长时间保持稳定，不需要频繁启动同步进程。
对交换模型进行了实验测试，实验结果证明了基于 FPGA 开发的时间同步模块可以实现纳秒级同步，单个同步周期的主从时钟偏移量不超过 2.56 ns，即一个时钟周期，且能保持长时间的稳定，同步后的时钟抖动不超过20 ps。
