在圍繞賽靈思FPGA及SoC器件構(gòu)建的產(chǎn)品中，一種基于以太網(wǎng)的高精度時序解決方案正在進入市場。
電信和信息科學的最新發(fā)展正在推動工業(yè)時間傳輸要求明顯接近科研應用水平。例如，即將到來的100G以太網(wǎng)網(wǎng)絡及5G移動電信要求時序精度在幾納秒范圍內(nèi)，而用于配電的智能電網(wǎng)則要求亞微秒精度。高頻率交易的時間戳(一般指股票交易)需要可靠的機制將時間從認證機構(gòu)分配給業(yè)務中心。最后，GPS或伽利略等采用GNSS技術(shù)的定位服務都可通過高精度同步機制獲得優(yōu)勢。
一種誕生于歐洲核研究機構(gòu)CERN、名為“大白兔”的以太網(wǎng)技術(shù)旨在滿足這些應用及其他應用的高精度時間需求。以《愛麗絲仙境奇遇記》中著迷于時間的野兔命名的“大白兔”技術(shù)基于并兼容于PTPv2(IEEE-1588v2)和同步以太網(wǎng)等標準機制，但經(jīng)過適當修改，可實現(xiàn)亞納秒精度�！按蟀淄谩辈粌H天生可通過遠距離鏈路執(zhí)行自校準，而且還能夠以極小的退化將時間分配給極大數(shù)量的設備。
我們的分支機構(gòu)Seven Solutions SL自2009年“大白兔”技術(shù)創(chuàng)世以來就一直在開發(fā)該技術(shù)，其始終致力使用賽靈思全可編程解決方案將大白兔產(chǎn)品帶入市場。我們的最新產(chǎn)品是ZEN(Zynq®嵌入式節(jié)點)電路板，這是一款旨在保持高精度參考時鐘的時序電路板，不僅可為其它節(jié)點提供時序信息，同時還可在“大白兔”網(wǎng)絡框架中進行自我同步。
由于價格原因，基于芯片級原子鐘等高精度時鐘的解決方案對于大規(guī)模采用而言成本太高。
時間簡史
物理學家一直都理解時間的重要性，多年來已經(jīng)發(fā)明了各種測量時間的方法。從簡單的天空掃描技術(shù)(日規(guī)、測星儀)到依靠亞原子世界(原子鐘)屬性的復雜機制，科學家一直都在為開發(fā)精確時鐘而孜孜不倦地工作�，F(xiàn)有時鐘在大約3億年內(nèi)不會有1秒的誤差，這種精度在許多應用中至關(guān)重要，例如維持國家度量衡實驗室時標。
不過，這些極為精確的時鐘非常昂貴、脆弱，并且會占據(jù)大量的物理空間。因此它們并不適合許多現(xiàn)實場景。實際上大多數(shù)應用通常依賴電子產(chǎn)品，其包含低成本時鐘(晶體振蕩器)。只需花上幾美元，我們就可在一大批規(guī)格各異的振蕩器中做出選擇。
對于簡單的應用而言，振蕩器的精確度已經(jīng)足夠了。但在許多其它需要同步通信或全局時間概念來同步工作的應用領(lǐng)域(分布式儀器)中，這些彼此互不相連的“自由運行時鐘”就無法使用了。雖然設計人員可通過安裝較好的振蕩器來局部解決該問題，但在技術(shù)上這樣做并非總是可行。單獨的時鐘仍然沒有同步，即便小小的頻率偏差，也會讓這種方法失效。
然而由于價格原因，基于高精度時鐘(如芯片級原子鐘或CSAC)的解決方案對于大規(guī)模采用而言成本太高。在這些情況下，替代方法是將時鐘信息從基準時鐘(高穩(wěn)定、一般價格昂貴)分配給網(wǎng)絡中所有其它需要準確同步的組份。問題是我們?nèi)绾尾拍茏龅?
時間傳輸技術(shù)
分配時間可選擇多種方法。請注意分配頻率(涉及通過導線發(fā)送振蕩器信號)與分配相位(當事件在網(wǎng)絡的所有組份中以極為一致的瞬間觸發(fā)時)不同。
例如，我們可通過使用同軸線纜或光纖傳輸時鐘振蕩來解決第一個問題(頻率分配)。在第二個場景(相位分配)中，我們不僅可在導線上編碼一個脈沖，進行每秒傳輸，而且還可將這個脈沖作為參考，知道新的每秒開始的時間。這種技術(shù)一般被稱為每秒脈沖(PPS)信號。
另外，還存在第三個問題。我們可能還需要提供時間，這不僅要讓各項工作按相同時間運行，或是提供有關(guān)何時開始計數(shù)(相位)的相同參考，而且還要確保我們在所有設備中具有相同的時間。因此，可通過從中央時間服務器傳播時間信息，然后測量該消息的傳播時間并在每個節(jié)點上對其進行標注的方法來分配時間值。有了頻率、相位(PPS)和時間這三個元素，我們就可以說網(wǎng)絡是同步的。
目前的工業(yè)解決方案以不同的方法提供這些屬性。例如，GPS設備通過提供參考頻率(10至50MHz)、PPS信號和串行碼來提供時間(一般基于NMEA協(xié)議)。這種方法廣泛用于大量需要準確同步的系統(tǒng)中，因為不同儀器可以便捷連接至不同的GPS接收器。但它使用大量低級信號。在電網(wǎng)應用中，這些值通過名為IRIG-B的簡單協(xié)議提供，其可提供時間和PPS信息。過去，IRIG-B方法一直能充分滿足同步電網(wǎng)的需求。然而今天它不能處理“智能電網(wǎng)”，因為這種電網(wǎng)正在變得空前復雜，而且還包含需要更高精度的新型能源監(jiān)控應用。
隨著數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡的基本普及，交換網(wǎng)絡以往使用的機制已經(jīng)過發(fā)展演化，適應了數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡。在基于精確時間協(xié)議(PTPv2或IEEE-1588v2)加同步以太網(wǎng)(SynCE)的解決方案中，SDH/SONET技術(shù)也在逐漸轉(zhuǎn)變。PTPv2是網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)的工業(yè)演化版，該協(xié)議被互聯(lián)網(wǎng)用于同步整個網(wǎng)絡中的計算機。PTPv2依靠硬件時間戳機制顯著改善時間同步的精度。
第二種機制SynCE可實現(xiàn)在數(shù)據(jù)載體上編碼時鐘信號。采用這種對用戶透明的方法，我們可將時鐘信息和頻率分配給所有設備。將PTPv2與SynCE配對，有助于我們針對電信無縫使用數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡。這種組合是當前電信、電網(wǎng)和自動化應用中最常見的解決方案。請注意，一些與相位傳播及系統(tǒng)可擴展性有關(guān)的關(guān)鍵問題仍然十分重要，而且尚待解決。
科學應用及更高層次應用
許多應用都需要把參考時鐘源信息傳播到不同目的地點。科研機構(gòu)可能是需要高精度時間分配最為嚴格的基礎設施。從CERN的LHC加速器到CTA、SKA或KM3NeT等大型射電天文分布式設施，所有這些都需要超高精度的時間與頻率分配。
但新一代IT及通信應用還需要使用目前標準方法無法實現(xiàn)的極高精度時間傳輸。例如在GPS應用領(lǐng)域，測量衛(wèi)星信號傳播時間等同于測量距離，因此定位與時間精度測量密切相關(guān)。一般來說，GNSS容易受阻塞或電子欺騙問題的影響。所以在用于時間分配時，建議重要基礎設施將地面替代方案(基于光纖)用作互補冗余機制。
“大白兔”解決方案
“大白兔”(http://www.whiterabbitsolution.com/)是精確時序以太網(wǎng)的擴展和外延。它是CERN于2009年構(gòu)思的一個開放式協(xié)作軟硬件項目，技術(shù)行業(yè)已急切開始參與了其發(fā)展。源代碼提供在開放式硬件資源庫(OHWR，http://www.ohwr.org)中，以鼓勵不同企業(yè)及研究機構(gòu)進行開發(fā)。
從一開始起，位于西班牙格拉納達的Seven Solutions (www.sevensols.com)就一直在協(xié)作設計各種大白兔產(chǎn)品，其中包括電子產(chǎn)品、固件以及門控件。此外，該公司還可提供基于該技術(shù)的定制解決方案和交鑰匙解決方案。
作為以太網(wǎng)的擴展，”大白兔”技術(shù)正在接受評估，以加入高精度配置文件框架中的新一代高精度時間協(xié)議標準(IEEE-1588v3)中。標準化將有助于“大白兔”集成至未來各種不同技術(shù)中，如圖1所示。
“大白兔”技術(shù)的深入介紹
“大白兔”整合大量機制，可優(yōu)化其位于以太網(wǎng)擴展框架內(nèi)的時序精度，因此可保留以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。此外，“大白兔”還集成PTP、同步以太網(wǎng)以及數(shù)字雙路混合器時間差異(DMTD)相位跟蹤技術(shù)。
Seven Solutions提供的全新ZEN電路板將展示“大白兔”的主要組份如何在產(chǎn)品中結(jié)合(圖2)。ZEN電路板以賽靈思Zynq-7000全可編程SoC為基礎，內(nèi)含“大白兔”內(nèi)核以及可提供高精度時鐘的千兆位以太網(wǎng)MAC實現(xiàn)方案。在“大白兔”內(nèi)核中實現(xiàn)的同步機制包括以下組份：
頻率同步(同步)：這可通過使用SynCE實現(xiàn)，其可編碼數(shù)據(jù)載體中的時鐘信號。為確保所有節(jié)點都使用相同的頻率，我們采用一個基于本地振蕩器的機制，該振蕩器可通過從光鏈路恢復的外部時鐘進行控制。
相位同步：節(jié)點的物理時鐘可轉(zhuǎn)發(fā)至主設備組份，或從主設備組份轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點，以便主設備能夠?qū)⒃撔盘?來自從設備)的相位與自己的相位相比較。偏差應該與信號通過光纖的傳播時間相同(使用PTP進行正確測量)。有了該信息，主設備就可確定其自己的時鐘與來自從設備的時鐘之間的相位差，并要求從設備將其相位轉(zhuǎn)換成與主設備完全相同的值。該過程可通過在FPGA門控件中實現(xiàn)一個數(shù)字DMTD來數(shù)字化完成。
時間同步：這是使用PTPv2協(xié)議的結(jié)果，該協(xié)議不僅可測量鏈路傳播時間，而且還可提供全局時間概念。此外，“大白兔”還考慮了因在雙向光纖中為每次通信傳輸(在環(huán)路中向前和向后)使用不同波長而產(chǎn)生的有關(guān)傳播時間的不對稱性，從而可提高標準PTP協(xié)議的精度。由于頻率和相位之前已經(jīng)同步，因此我們可以在”大白兔”網(wǎng)絡中確保所有設備的全局時間概念。
所有這些工作均可在“大白兔”內(nèi)核中實現(xiàn)，一部分使用適當?shù)腇PGA門控件，一部分使用嵌入式軟件內(nèi)核�！按蟀淄谩碑a(chǎn)品包括執(zhí)行這些不同時鐘工作所需的適當振蕩器、PLL和時序電子產(chǎn)品。
作為案例研究，下面我們將更詳細了解ZEN電路板。該電路板采用雙路“大白兔”內(nèi)核(D-WRC)，這是Seven Solutions用我們最新系列賽靈思7系列產(chǎn)品開發(fā)的原始“大白兔”內(nèi)核的修訂版。D-WRC能夠同步兩個“大白兔”節(jié)點，也可作為菊花鏈網(wǎng)絡中的中間鏈路。此外，ZEN電路板還包含由D-WRC控制的高精度、低抖動、溫度補償時鐘資源。
此外，Zynq SoC在Linux操作系統(tǒng)下運行的雙核ARM® Cortex™-A9處理器可促進用戶應用的開發(fā)。板載提供Linux，有助于使用令人關(guān)注的全新特性，例如適用于配置的Web服務、狀態(tài)監(jiān)控的SNMP支持以及遠程固件加載與更新。
ZEN電路板旨在用作提供高精度時間，它可提供多樣化連接與擴展帶來的大量可能性：
IRIG-B I/O是ZEN電路板使用的當日時間，它既可作為主設備，也可作為從設備。
兩個連接至ARM處理器的10/100/1000以太網(wǎng)端口可用于各類網(wǎng)絡應用和協(xié)議(NTP、sNTP、PTPv2 以及管理等)。
提供兩個SFP模塊，用于插接符合”大白兔”規(guī)范的鏈路。
SMA連接器可讓ZEN電路板與更精確的時鐘同步(例如GPS源或高穩(wěn)定振蕩器)，提供由“大白兔”同步的各類時鐘。
FMC連接器可插入一款采用“大白兔”項目框架開發(fā)的夾層板，或是市場現(xiàn)有的任何其它工業(yè)電路板。這些FMC卡不僅可增強ZEN的發(fā)展?jié)撃埽疫�可實現(xiàn)大量的產(chǎn)品配置。
存儲器資源包括SD、DDR3和閃存。
包含兩個UART-USB連接器，可在D-WRC和Cortex處理器中進行管理和調(diào)試。
簡言之，ZEN電路板可為最終用戶提供一個節(jié)點，其不僅可實現(xiàn)亞納秒同步并以菊花鏈方式工作，同時還可盡其所能地提供最佳的Zynq SoC與全新水平的系統(tǒng)設計功能。
“大白兔”設備
“大白兔”技術(shù)肇始于CERN提倡的開放式硬件社區(qū)(開放式硬件庫，OHWR)。為加速該技術(shù)的學習進程，Seven Solutions開發(fā)出了一款由兩片名為SPEC的Spartan®-6電路板組成的“大白兔”入門套件。其中一個可配置為主設備，另一個則可配置為從設備。目的是鼓勵用戶執(zhí)行幾個早期評估實驗。
這項技術(shù)最復雜的組份是交換機。我們通過與CERN、GSI以及其他合作伙伴合作，共同開發(fā)了18端口“大白兔”交換機，從而設計了采用MicroTC尺寸規(guī)格的主板。核心組份是一款Virtex®-6 (LX240T) FPGA。我們將該器件與一款運行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的外部處理器(ARM926E)進行配對，執(zhí)行了系統(tǒng)更新和文件管理等各項高級工作。該交換機使用了18個針對SFP的GTX鏈路以及40個面向通用任務(LEDS、SFP檢測等)的GPIO。這是一種非常復雜的產(chǎn)品，既能分配時間，也能在使用標準電信工具的同時處理數(shù)據(jù)包。
近期，Seven Solutions將“大白兔”內(nèi)核移植到了LEN電路板中的賽靈思Artix® FPGA系列中(圖3)，實現(xiàn)了比現(xiàn)有OHWR器件成本更低、能效更高的解決方案。此外，我們剛剛開發(fā)出了一款基于Zynq SoC器件的“大白兔”產(chǎn)品。該WR-ZEN節(jié)點(之前的名稱)代表一個完整的通用片上系統(tǒng)方法，其中節(jié)點和計算機都整合在同一電路板中。該解決方案可在降低成本，改善系統(tǒng)靈活性的同時，實現(xiàn)更便捷的維護。
Seven Solutions目前開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品可為管理、配置和監(jiān)控提供標準接口，不僅能充分利用“大白兔”技術(shù)的各項優(yōu)勢，同時還可提供更強大的特性、支持和文檔。
“大白兔”應用
“大白兔”技術(shù)的第一個目標是科學應用。近期該技術(shù)已經(jīng)在一些設備及研究項目中整合，用于高能物理及分布式射電天文設施的框架中�！按蟀淄谩奔夹g(shù)已經(jīng)在多個粒子加速器(CERN、GSI以及其他機構(gòu))中使用，而且KM3NeT與HISCORE等國際科研計劃也正在考慮使用該技術(shù)。因此，“大白兔”方法已在各種要求嚴格的應用中得到驗證，這類應用要求通過大型設施上的分布式儀器實現(xiàn)精確的時序與頻率轉(zhuǎn)移。
2014年，“大白兔”還由荷蘭VSL進行了125km的遠距離鏈路測試，并由芬蘭MIKES進行了1,000km的遠距離鏈路測試。
在科研領(lǐng)域之外的廣泛應用中也需要精確時序。智能電網(wǎng)要求準確可靠的時序，而高頻率交易也離不開經(jīng)過認證的精確時序。
許多此類應用領(lǐng)域目前依賴的是GPS時序信號，這種信號生來就容易受到影響(由于環(huán)境條件或者由于意外或惡意阻塞及電子欺騙)。GPS不應該用于安全關(guān)鍵性基礎設施(2010年1月20日《美國空軍首腦對過度依賴GPS的警告》，摘自《Inside GNSS》雜志新聞)。在這一點上，“大白兔”代表著一種替代性解決方案，其可實現(xiàn)通過地面光纖進行高精度時序及頻率傳輸�？赏ㄟ^部署標準電信網(wǎng)絡來降低這種方法的成本。
除“大白兔”的功能特性外，Seven Solutions還正在面向要求高可用性的重要應用開發(fā)全新工業(yè)產(chǎn)品。冗余電源、熱插拔風扇、延期振蕩器以及其它技術(shù)允許其部署于不能承受系統(tǒng)故障或長時間維修過程的設施。
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