軟件工程碩士論文開題報告最終版

1、學號：123126東 南 大 學全日制研究生學位論文 開題報告及論文工作實施計劃 院（系、所） 軟件學院學位類別 工程碩士 專業(yè)領域 軟件工程 研 究 生 姓 名 梁 姣 指導教師（校內(nèi)） 楊 鵬 指導教師（校外）黃海林 開 題 報 告 日 期2014-9 21填 表 須 知1、 論文開題報告由研究生本人向?qū)徸h小組報告并聽取意見后，由研究生本人填寫此表。2、 論文開題報告填寫完成后，必須經(jīng)導師審批，通過后方能提交。3、碩士生應在第三學期內(nèi)完成此開題報告。開題報告經(jīng)研究生秘書在網(wǎng)上審核確認（至少半年）后方可申請答辯。、本表一式兩份，一份研究生自留放入本人“研究生檔案材料袋”；一份由院（系、所）保

2、存并歸入院（系、所）研究生教學檔案。、學位類別為：工程碩士；建筑學碩士；公共管理碩士；法律碩士（非法學）；工商管理碩士；風景園林碩士；臨床醫(yī)學；公共衛(wèi)生碩士。、本表下載區(qū)： 。本表電子文檔打印時用A4紙張，格式不變，內(nèi)容較多可以加頁。一、學位論文開題報告論 文 題 目基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)研 究方 向軟件工程技術題 目 來 源國家部委省市企業(yè)自選有無合同經(jīng)費數(shù)備注題 目類 型理論研究應用研究工程技術跨學科研 究其他應用研究一、 課題來源、選題依據(jù)、課題研究目的、工程應用價值1. 課題來源本課題來源于中國航天集團第772研究所預研項目，旨在設計和開發(fā)基于IE

3、EE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)。2. 選題依據(jù)現(xiàn)代大型飛行器迫切需要采用一種既能夠兼顧數(shù)據(jù)傳輸，又能夠滿足高精度時鐘同步要求的航電網(wǎng)絡。目前在飛行器中采用的新一代航電以太網(wǎng)TTEthernet1（Time Trigger Ethernet），雖然具備高數(shù)據(jù)量傳輸能力，但該以太網(wǎng)中的時鐘同步功能還急需研究實現(xiàn)。IEEE1588協(xié)議是用于網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議，目前在航電以太網(wǎng)中還未得到廣泛應用。結合IEEE1588協(xié)議的特點和航電以太網(wǎng)的應用需求進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，IEEE1588協(xié)議比較適合航電以太網(wǎng)TTEthernet的應用場景。因為，IEEE1588協(xié)議是針對相對本

4、地化的網(wǎng)絡而設計的，另外它的高精度時鐘同步設計十分符合現(xiàn)有航電以太網(wǎng)的要求。所以，將IEEE1588協(xié)議應用于TTEthernet網(wǎng)絡，可以為解決航電以太網(wǎng)中急需實現(xiàn)的精密時鐘同步問題提供幫助，具有重要的研究意義和實際應用價值。3. 課題研究目的通過分析航電以太網(wǎng)的實際應用需求和IEEE1588時鐘同步協(xié)議特點，研究并實現(xiàn)航電以太網(wǎng)上的精確時鐘同步系統(tǒng)，解決航電系統(tǒng)不同終端設備之間的時鐘同步問題。4. 工程應用價值一般時間同步協(xié)議難以滿足航電以太網(wǎng)的高實時性要求，航天772所正在研究基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有更高的同步精度，將實際應用于航電以太網(wǎng)TTEther

5、net中，因此具有重要的工程應用價值。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)時鐘同步技術是分布式應用的重要支撐技術，歷來受到研究界的重視。目前許多重要應用領域需要依靠時鐘同步技術來精確控制關鍵性的任務，例如衛(wèi)星發(fā)射與測控系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、社會聯(lián)動系統(tǒng)以及核能發(fā)電系統(tǒng)等等。這些應用對分布式系統(tǒng)內(nèi)時鐘的一致性和精確性要求很高，然而，一般的時鐘同步技術已經(jīng)無法滿足高精度的要求，隨著計算機的普及和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，網(wǎng)絡時鐘同步技術也在不斷地推陳出新，快速的演進和發(fā)展。1 傳統(tǒng)的時間同步技術圖1 典型的傳統(tǒng)時間同步系統(tǒng)傳統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)的拓撲結構可以用圖1來描述。圖中的時間服務器一般集成有GPS等標準時間源，相

6、應的配置也較高；現(xiàn)場設備一般情況下通過l0M/l00M以太網(wǎng)與時間服務器保持時間同步，其精度為10毫秒到秒級不等，部分應用（如快速響應系統(tǒng)）可能要求達到1毫秒的級別甚至更高。一般地，為了解決時間同步問題，傳統(tǒng)采用的方法為：整秒時由時間服務器在以太網(wǎng)上發(fā)送時碼信息，網(wǎng)絡上的各個時間客戶接收該時碼信息，再校正各自機器的系統(tǒng)時間。經(jīng)過測算，設備采用這種方法對準時間后，與標準時間進行比對，誤差在1100毫秒之間。但是這種時鐘同步方法，在網(wǎng)絡流量越大時間誤差也越大，因為發(fā)送報文的節(jié)點越多，沖突的機會也越多，延時也越大。網(wǎng)絡流量的差異是造成這種延時的主要原因，但這類延時通常又是不定的，因此，難以對這種延時

7、差異進行補償。綜上所述，傳統(tǒng)的同步方法誤差較大，對于時間精度要求較高的航電網(wǎng)絡來說，很難滿足其時間同步的需要。2 網(wǎng)絡時間同步協(xié)議目前可以用于網(wǎng)絡對時的協(xié)議主要有：時間協(xié)議(Time Protocol，簡稱TP)、日期時間協(xié)議(Daytime Protocol，簡稱DP)、網(wǎng)絡時間協(xié)議2(Network Time Protocol，簡稱NTP)以及簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議3(Simple Network Time Protocol，簡稱SNTP)。時間協(xié)議TP和日期時間協(xié)議DP都只能表示到秒，而且這兩種協(xié)議都沒有估算網(wǎng)絡延時，因此同步精度較低，目前在工程中應用較少。由美國特拉華大學的David L.M

8、ills教授等人設計開發(fā)的網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol），是用于互聯(lián)網(wǎng)中時間同步的標準互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。在通常的環(huán)境下，NTP提供的時間精度在LAN上僅為ms級，NTP時間服務器需要經(jīng)常維護，也需要外部時鐘源的支持，且適用于跨越廣域網(wǎng)的大型網(wǎng)絡，這些特點都不符合航電以太網(wǎng)的要求。SNTP是NTP的一個簡單版本，數(shù)據(jù)包格式與NTP兼容，適用于時間精確度低于NTP的客戶機，并強烈建議僅限于使用在時間同步網(wǎng)的終端位置。SNTP的時間精確度為s級，難以滿足航電以太網(wǎng)的應用需求。3 IEEE 1588時鐘同步協(xié)議標準由于許多重要應用領域需要利用計算機控制系統(tǒng)來精確控制關鍵性的

9、工作與任務，因此對監(jiān)控和控制的同步性和實時性提出了越來越高的要求。此時，一些研究機構和商業(yè)組織開始研究設備之間，尤其是測量和控制設備之間的時鐘同步技術。在此背景下，美國的一些研究機構和商業(yè)組織在2001年發(fā)起成立了一個特別委員會，專門針對設備之間，尤其是網(wǎng)絡測控設備之間的時鐘同步問題進行研究。經(jīng)過長時間的不斷探索和試驗，該委員會向美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）提交一份研究方案，并通過該組織一年多的核準和論證，2002年正式形成IEEE1588協(xié)議4，2008年對協(xié)議做了修改和完善，形成最新版本IEEE1588v2。IEEE l588協(xié)議標準的全稱是“網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標

10、準”(IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，簡稱PTP)，通常又叫做精密時鐘同步協(xié)議。IEEE 1588協(xié)議主要針對小型同構或異構局域網(wǎng)設計，適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，如標準以太網(wǎng)，其基本功能是使網(wǎng)絡內(nèi)的最精確時鐘與其他時鐘保持同步。IEEE 1588協(xié)議對系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設備中的時鐘進行同步，精度可達到亞微秒級。IEEE1588協(xié)議與其它對時方案的性能對比由表1給出。表1 幾種對時方案

11、的性能對比GPSNTP北斗IEEE1588v2典型授時精度20ns10ms100ns100ns需要衛(wèi)星覆蓋需要需要需要不需要綜合成本中低高低支持以太網(wǎng)端口不支持支持不支持支持可控性低高中高安全性低低高中可靠性中高中高從上表的對比分析可以看出，IEEE l588協(xié)議的各項性能指標都具有較大優(yōu)勢。IEEE l588協(xié)議還具備以下優(yōu)點：1) 時鐘精度控制在us級，在硬件的幫助下能達到ns級。2) 對網(wǎng)絡設備計算能力、硬件資源的要求較低，適合于在低端設備上應用，極大降低了成本。3) IEEEl588協(xié)議支持多種傳輸協(xié)議，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2 Ethernet。4) I

12、EEEl588協(xié)議提出了一種包級同步技術，將同步信息封裝在數(shù)據(jù)報文當中，仍然使用原來以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線傳送，無需額外的時鐘線。5) 實現(xiàn)IEEE1588協(xié)議的子網(wǎng)只需要很少的管理開銷，甚至不需要管理功能(單個子網(wǎng))。6) IEEEl588協(xié)議是基于以太網(wǎng)的精確時鐘同步技術，但是不僅僅局限于以太網(wǎng)，只要其它網(wǎng)絡或總線具有群發(fā)和點對點的數(shù)據(jù)傳輸能力，就能實現(xiàn)IEEEl588協(xié)議定義的功能。7) IEEE1588協(xié)議被公布為一個標準，便于對協(xié)議進行改進和交流。IEEEl588協(xié)議可能達到較高的精度，一方面由其本身規(guī)定的一系列同步機制決定，另一方面需要硬件技術的協(xié)助，主要包括以下幾點：1) 延時的起伏將直

13、接影響同步的精度，點對點連接可提供最高的精度，帶路由器會增加網(wǎng)絡抖動，為了解決這個問題，在PTP系統(tǒng)內(nèi)通過交換機連接時，通常使用支持IEEE1588協(xié)議的交換機作為邊界時鐘，其內(nèi)部包含了一個PTP時鐘，由于它是直接接收主時鐘報文的，它與主時鐘的傳輸延時不存在排隊與存儲的問題，所以在需要分支時通常使用帶邊界時鐘的交換機。2) IEEE1588v2提出透明時鐘的概念，所謂透明時鐘是指有專用交換設備記錄數(shù)據(jù)幀進入與離開節(jié)點的時間，并得到兩者之差，通過硬件改寫時鐘同步控制幀（PCF）的透明時鐘（TC）域，使數(shù)據(jù)幀的節(jié)點駐留時間得以積累，而總延遲時間為所有節(jié)點駐留時間與路徑延遲的總和，透明時鐘的機制更精

14、確的計算報文駐留和延遲時間，使高精度時鐘同步得以實現(xiàn)。3) 如果本地時鐘的振蕩頻率稍有偏離，就會造成時間的偏離，而且時間的偏離是累計的會越來越大，雖然通過同步報文的計算可以校正時間，但本地時間的頻繁校正會打亂本地時鐘的連續(xù)性，使需要定時處理的任務，比如通過時間段計量脈沖的速度測量等應用陷入混亂。所以在PTP系統(tǒng)內(nèi)使用頻率可調(diào)的晶振，通過硬件技術對頻率的校正使本地時鐘的頻率與主時鐘同步，可達到更高精度，對這種晶振的要求是0.01%精度和0.02%的頻率可調(diào)范圍。國內(nèi)在高精度網(wǎng)絡時鐘同步領域的研究起步相對較晚，雖然目前已有一些關于IEEE 1588協(xié)議的研究工作，但主要集中在對標準進行介紹、或是針

15、對性地對某些時鐘同步算法進行相應的改進。國外自動化測量和控制領域中，時鐘同步精度要求達到100ns的級別已經(jīng)廣泛采用IEEE1588協(xié)議。2007年，美國宣布推出業(yè)界首款集成IEEE 1588協(xié)議的以太網(wǎng)收發(fā)器，這款高精度收發(fā)器可確保分布式網(wǎng)絡上各節(jié)點能按照主機的時鐘同步定時，并確保各節(jié)點之間的時間偏差不會超過8納秒，因此最適用于物體移動控制、測量儀表、數(shù)據(jù)采集及電子通信等設備。由于IEEE1588協(xié)議更能滿足具有多跳和固有冗余特性的分布式網(wǎng)絡的特殊需求，電信網(wǎng)絡、測試/測量以及工業(yè)控制等領域也有應用，IEEE 1588協(xié)議定義的PTP精密時鐘同步技術逐漸成為未來的發(fā)展趨勢。對于航空電子系統(tǒng)這

16、樣的任務或安全關鍵性系統(tǒng)，需要具有時間確定性保證。時間觸發(fā)概念的提出，其目的在于通過全局的時鐘精確同步，使通信任務和收發(fā)操作具有完全的時間確定性，經(jīng)過適用性改造的時間觸發(fā)以太網(wǎng)TTEthernet已經(jīng)被用于分布式嵌入式系統(tǒng)中，成為大型飛行器采用的新一代航電以太網(wǎng)。 時間觸發(fā)以太網(wǎng)，即以時間觸發(fā)代替事件觸發(fā)，將通信任務通過合理的調(diào)度定時觸發(fā)發(fā)送，可避免數(shù)據(jù)幀爭用物理鏈路，保證實時性。時間觸發(fā)網(wǎng)絡中每一個同步的節(jié)點只能在規(guī)定的時刻進行數(shù)據(jù)收發(fā)，周期性的數(shù)據(jù)傳輸操作構成一個時分多址周期，即TDMA (time-division multiple access)周期。圖2給出了一個TDMA周期的示意圖

17、，每一個節(jié)點都在TDMA周期內(nèi)使用一定的時間段稱為時間槽（slot）來發(fā)送數(shù)據(jù)。通過全局時鐘機制，網(wǎng)絡中每一個節(jié)點都使用自己的時間槽進行通信，所有節(jié)點的通信相互不沖突。周期性的節(jié)點時間槽構成了一個TDMA周期，所有的TDMA周期都具有相同的時間長度，在TDMA周期中，節(jié)點每一次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度和內(nèi)容可能不同。多個TDMA周期構成集群（cluster）周期，整個傳輸時間軸由重復的cluster周期構成。圖 2 TDMA調(diào)度示意圖時間觸發(fā)的前提是實現(xiàn)時鐘同步，航電以太網(wǎng)TTEthernet相對于其他專用總線和直接I/O方法缺乏對定時控制的支持，盡管航空航天領域和自動化測控領域有很多不同，但在系統(tǒng)級的

18、控制和定時問題上它們卻是非常相似的，而IEEE1588協(xié)議則能在基于以太網(wǎng)的控制和測試領域提供一種精確時鐘同步的服務。另外，IEEE 1588協(xié)議是針對相對本地化、網(wǎng)絡化的系統(tǒng)而設計的，它要求子網(wǎng)較好、內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，所以非常適合于TTEthernet航電網(wǎng)絡環(huán)境。本論文按照IEEE 1588協(xié)議去策劃和設計的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)，其同步精度預定達到us級的程度，為消除或削弱分布式網(wǎng)絡測控系統(tǒng)各個測控設備的時鐘誤差和測控數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸延遲提供了算法和途徑，從而可以有效地解決航電網(wǎng)絡TTEthernet的實時性問題。三、 研究基礎1. 了解網(wǎng)絡體系結構，熟悉以太網(wǎng)標準；2. 分析了IEE

19、E1588時間同步技術的基本原理、特點；3. 分析比較了NTP協(xié)議、SNTP協(xié)議和IEEE1588協(xié)議各自的特點和時間同步機制4. 分析了IEEE1588協(xié)議報文的特點；5. 分析了影響實現(xiàn)網(wǎng)絡時鐘同步高精度的因素（操作系統(tǒng)與協(xié)議棧、網(wǎng)絡元件、時鐘的不穩(wěn)定性和時鐘的分辨率）；6. 研究所提供項目研究需要的設備和條件。4、 主要內(nèi)容及研究開發(fā)過程中的關鍵點或難點1. 主要內(nèi)容本論文瞄準航電以太網(wǎng)時鐘同步的實際應用需求，設計并實現(xiàn)基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)。論文的主要內(nèi)容如下：1) 航電以太網(wǎng)中的主時鐘選取算法。在航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)的初始化階段，設計最佳主時鐘算法來確定主

20、時鐘。2) 同步間隔設置與時間戳提取方法。在系統(tǒng)中設置一定的同步間隔，每一個非主時鐘都周期性地向主時鐘發(fā)送帶有時間戳的數(shù)據(jù)報。另外，設計航電以太網(wǎng)中的時間戳提取方法，從而為時鐘偏移測量算法奠定基礎。3) 航電以太網(wǎng)中的時鐘偏移測量算法。根據(jù)時間戳提取方法，設計基于主從時鐘交換報文中時間戳的時鐘偏移測量流程和算法，提高主從時鐘偏移量的計算精確度。4) 基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)原型設計與開發(fā)。集成上述關鍵技術，設計和開發(fā)基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)原型，并進行測試分析。 2. 研究開發(fā)過程中的關鍵點或難點航電以太網(wǎng)時鐘同步的精度和性能受到多方面因素的影響

21、，為了提高同步精度，在實際設計中需要重點解決以下幾方面問題。1) 最佳主時鐘算法的設計。所有從時鐘都要同步到主時鐘，主時鐘的選擇對整個時鐘同步系統(tǒng)來說十分重要。因此，設計的算法需要在所有設備的時鐘里選擇性能最穩(wěn)定、精度最高、確定性最好的時鐘作為整個系統(tǒng)中的最佳主時鐘。2) 時鐘的偏移測量。各節(jié)點設備的內(nèi)部時鐘晶振頻率存在差異造成時間偏差，需要周期性的計算出本地時鐘與主時鐘之間的偏移，傳送給本地時鐘的校準裝置，如圖3所示，調(diào)整時間以保持各節(jié)點的時鐘同步。圖3 周期性的校準時鐘3) 路徑延遲測量。網(wǎng)絡路徑存在傳輸延遲，需要估算延遲，消除延遲導致的時標誤差。根據(jù)航電以太網(wǎng)的實際網(wǎng)絡環(huán)境，飛行器測控系

22、統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器等設備節(jié)點通過拓撲結構比較簡單的TTEthernet網(wǎng)絡連接，在時間觸發(fā)以太網(wǎng)中，系統(tǒng)中的各結點采用時間觸發(fā)通信，分時復用帶寬，不會產(chǎn)生帶寬爭用現(xiàn)象，沒有通信沖突。而且，在TTEthernet網(wǎng)絡中采用IEEE1588協(xié)議進行時鐘同步時，使用短幀傳輸，數(shù)據(jù)量較小，通過交換機時不會產(chǎn)生擁塞，數(shù)據(jù)幀傳輸過程中對網(wǎng)絡資源占用少，網(wǎng)絡延遲抖動基本可忽略不計，從而傳輸延遲可認為是對稱的。因此，本論文在算法設計中從通信路徑延遲對稱的情況入手，之后可以考慮更復雜的情況。如圖4所示，即前向路徑的傳輸延遲與后向傳輸延遲相同。圖 4 路徑延遲測量5、 實施方案與可行性分析1. 實施方案

23、本論文設計的時鐘同步系統(tǒng)實際應用場景為航空飛行器，10Mbit/s的TTEthernet網(wǎng)絡在大型飛行器中的分布如圖5所示。圖 5 網(wǎng)絡系統(tǒng)分布示意圖TTEthernet網(wǎng)絡主要應用在飛行器的發(fā)動機控制系統(tǒng)，機頭、機尾的計算資源和跨引擎的數(shù)據(jù)交換也通過TTEthernet網(wǎng)絡進行通信，TTEthernet網(wǎng)絡在通信過程中采用全局時鐘啟動數(shù)據(jù)的收發(fā)，每一個組件的操作只與全局時間有關，而與其它組件的工作狀況無關，各種系統(tǒng)指令信號的產(chǎn)生是由時間的推進來觸發(fā)的，時鐘同步是實現(xiàn)時間觸發(fā)的基礎。時鐘同步系統(tǒng)重點解決TTEthernet網(wǎng)絡中的飛行器各部件的時鐘同步問題，從而在指令信號基于時間觸發(fā)時，各部件

24、可以更加精確、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、有序的協(xié)作?？紤]到實際的飛行器測控系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)境是特定的局域網(wǎng)系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡中所傳遞的信息主要是各種測量數(shù)據(jù)和控制指令，數(shù)據(jù)內(nèi)容很少，網(wǎng)絡流量較小，不像廣域網(wǎng)中網(wǎng)絡環(huán)境復雜，影響因素較多，因此時鐘同步方案設計可在一定程度上進行簡化。圖6所示為時鐘同步系統(tǒng)與其他裝置進行數(shù)據(jù)交互的總體框架。時鐘同步系統(tǒng)PTP報文接收控制器數(shù)據(jù)集服務器鏈路通信接口本地時鐘系統(tǒng)PTP報文發(fā)送控制器接收時間戳發(fā)送時間戳圖6 時間同步系統(tǒng)的體系結構圖時鐘同步系統(tǒng)實現(xiàn)方案分為：航電以太網(wǎng)中的最佳主時鐘選取算法、同步間隔設置與時間戳提取方法、航電以太網(wǎng)中的時鐘偏移測量算法、基于IEEE1588協(xié)議的航

25、電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)原型設計與開發(fā)。航電以太網(wǎng)中的最佳主時鐘（BMC）選取算法。時鐘同步系統(tǒng)首要解決的問題就是確定主時鐘，本論文實現(xiàn)最佳主時鐘選取的方法包括兩個步驟：數(shù)據(jù)集比較算法和狀態(tài)決定算法。數(shù)據(jù)集比較算法根據(jù)時鐘數(shù)據(jù)集，將所有時鐘的屬性特征信息都進行比較，以篩選出性能最穩(wěn)定的時鐘，作為最佳主時鐘。網(wǎng)絡中的每臺設備均提供一個數(shù)據(jù)集，描述其本地時鐘的性質(zhì)、質(zhì)量、穩(wěn)定性、唯一識別符和首選設置。當一臺設備加入網(wǎng)絡時，它會廣播其時鐘的數(shù)據(jù)集，并接收所有其它設備的數(shù)據(jù)集。利用所有參與設備的數(shù)據(jù)集，每臺設備均運行同一BMC算法，以確定主時鐘及其自己的未來狀態(tài)（主時鐘或從時鐘）。由于所有設備均采用同樣的

26、數(shù)據(jù)獨立執(zhí)行同一算法，因此選出的主時鐘將會相同，設備之間不需要進行任何協(xié)商。狀態(tài)決定算法在已經(jīng)確定所屬PTP域的主時鐘后執(zhí)行，普通時鐘和邊界時鐘的每一個端口都利用接收到的announce消息和自身的時鐘數(shù)據(jù)集，獨立運行同一套狀態(tài)決定算法，選擇N個端口中最好的一個作為時鐘的信息更新來源。還可以進一步確定每個時鐘的各個PTP端口所處狀態(tài)，具體推薦狀態(tài)(共八種)：初始化、故障、禁止、監(jiān)聽、主時鐘、待機、從時鐘、未校正，根據(jù)這些狀態(tài)本地時鐘會在時鐘同步過程中做出相應的反應，算法采用數(shù)據(jù)集服務器所提供的端口數(shù)據(jù)集和時鐘數(shù)據(jù)集來實現(xiàn)。最佳主時鐘算法最終能得出主從時鐘拓撲結構，如圖7所示。圖中的幾種時鐘分別

27、代表不同的PTP時鐘設備，邊界時鐘將PTP域劃分成不同的網(wǎng)段，這些網(wǎng)段被稱為通信路徑，每條通信路徑中PTP設備之間可以進行直接通信，不同的路徑之間通過邊界時鐘橋接。PTP端口是用于訪問PTP時鐘設備的邏輯端點，決定主一從拓撲結構的端口狀態(tài)主要有兩個：M(MASTER)端口是它所服務的路徑上的時鐘源；S(SLAVE)端口同步于路徑上處于主狀態(tài)的端口。圖7 確定主從時鐘拓撲結構同步間隔設置與時間戳提取方法。在一定時間內(nèi)同步的次數(shù)越多，網(wǎng)絡內(nèi)時鐘的精度越高，但為了減少通訊占用的網(wǎng)絡流量，從時鐘并不是每個同步周期都向主時鐘發(fā)送同步請求（Delay_Req）報文，而是每隔若干個周期發(fā)送一次，具體同步間隔

28、在設計時根據(jù)需要進行設置，通過測試比較各種同步間隔下的時鐘精度，得出最合適的時間間隔。時間戳的精度直接影響IEEE1588協(xié)議實現(xiàn)的時鐘同步精度，要實現(xiàn)高精度的同步，必須有高準確度的時間戳，即準確地獲取同步報文發(fā)送和接收的時間。在一個IEEE 1588應用系統(tǒng)中，報文發(fā)出一般依次經(jīng)過應用程序、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧和以太網(wǎng)控制器，最后通過網(wǎng)絡發(fā)送到接收端。報文到達接收端后，依次通過以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡協(xié)議棧和操作系統(tǒng)，最后通過操作系統(tǒng)達到應用程序。為了消除操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧帶來的波動，達到較高的精確度，對傳輸報文的時間打標越靠近物理層越好。不帶硬件輔助實現(xiàn)時間打標時，在軟件層對發(fā)送和接收報文的時

29、間做標記，這種情況下既可以在應用層捕獲時間戳信息，也可以在網(wǎng)卡驅(qū)動程序中捕獲。當在應用層捕獲時間戳時，操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧內(nèi)的延遲起伏引起的抖動將影響時間戳的精度。為了提高時間戳的精度，本設計在網(wǎng)卡驅(qū)動程序中捕獲消息發(fā)送和接收時間作為時間戳，消除了從網(wǎng)卡驅(qū)動到應用層之間的延遲起伏引起的抖動，時間戳捕獲位置如圖8所示。圖 8 時間戳捕獲位置 航電以太網(wǎng)中的時鐘偏移測量算法。本算法的設計基于每個從時鐘與主時鐘交換同步報文，從而達到同步。這個過程分為兩個階段:偏移測量階段和延遲測量階段。第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為偏移測量，如圖9所示。圖9 偏移測量在修正偏移量的過程中，主時鐘按照

30、規(guī)定的間隔時間(缺省是2秒)周期性地以多播方式向從時鐘發(fā)出時鐘同步報文:同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值TM1，該值包含在同步報文的originTimestamp字段中，從時鐘測量接收的準確時間TS1。之后，主時鐘發(fā)出跟隨報文(Follow_Up )，此報文與同步報文相關聯(lián)，且包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值，該值包含在隨后報文的preciseOriginTimestamp字段中。從時鐘根據(jù)同步報文和隨后報文中的信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鐘就會同步。偏移值的計算公式是:其中，Toffset是偏移值，TS

31、1是從時鐘收到同步報文的時間戳，TM1是主時鐘發(fā)出同步報文的時間戳（如果同步報文字段中允許隨后報文，則TM1為隨后報文中的精確時間戳。否則，TM1為同步報文中的時間戳），Delay是時鐘同步報文在通信路徑上的傳輸延遲，在偏移測量階段，報文傳輸延遲未知，先假設傳輸延遲為0。圖9中對時間單位進行了量化處理，則Toffset=1002-1051-0=-49。從時鐘根據(jù)偏移值Toffset來修正本地時鐘。本地時鐘Ts-Toffset=Ts+49，即從時鐘在原來的數(shù)值上加上49，通過偏移修正后，主時鐘和從時鐘數(shù)值就只相差傳輸延遲Delay。如果不進行延遲測量，則主時鐘每隔2秒發(fā)送一次同步報文，重復一次上

32、述調(diào)整過程來保證從時鐘和主時鐘的同步。為了提高修正精度，可以把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段，如圖10所示。從時鐘向主時鐘發(fā)出一個延遲請求報文，由從時鐘測量該報文傳遞時間TS3。主時鐘對接收數(shù)據(jù)包打上一個時間戳，然后在延遲響應報文中把接收時間戳TM3送回到從時鐘，該值包含在主時鐘所接收到的延遲請求報文的delayReceiptTimestamp字段中。根據(jù)傳遞時間戳TS3和主時鐘提供的接收時間戳TM3，計算從時鐘與主時鐘之間的延遲時間。而主時鐘到從時鐘的傳輸延遲根據(jù)上一次同步報文的發(fā)送來計算，因此，根據(jù)傳輸延遲計算公式：知道此時傳輸延遲己知，

33、再次進行偏移測量時，將Delay考慮進來，最終使主時鐘與從時鐘同步。圖10 延遲測量航電以太網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)原型設計與開發(fā)。系統(tǒng)原型設計方案在一定程度上進行了簡化，系統(tǒng)中的時鐘在結構上分為普通時鐘OC（Ordinary Clock）、邊界時鐘BC（Boundary Clock）和透明時鐘TC（Transparent Clock），在功能上分為主時鐘和從時鐘。最佳主時鐘算法選擇的網(wǎng)絡中精度最高的時鐘源模型為主時鐘 GMC（Grandmaster Clock），交換機的時鐘模型為TC，其他終端裝置的時鐘模型為OC，運行在從時鐘狀態(tài)。從時鐘通過與主時鐘的報文交互來獲取精確時標并計算從時鐘與主時鐘的時間

34、偏差（Toffset），從時鐘根據(jù)此時間偏差校正自身時鐘，實現(xiàn)與主時鐘時間同步。本文設計的時鐘同步系統(tǒng)原型如圖11所示，其特點描述如下：1) 主時鐘a和主時鐘b互為備用；2) 正常狀態(tài)下只有一臺活動主時鐘，另一臺處于靜默狀態(tài)，此機制通過最佳主時鐘算法實現(xiàn)；3) PTP交換機（TC）處理各種同步報文，對其進行轉(zhuǎn)發(fā)時延校正；4) 終端設備（OC）跟隨當前活動主時鐘，在主時鐘發(fā)生切換時，守時等待切換完成并同步于主時鐘。圖 11 時間同步系統(tǒng)原型本文設計的時鐘同步系統(tǒng)測試方案基于以下網(wǎng)絡條件進行：主從時鐘節(jié)點之間通過PTP交換機相連；系統(tǒng)中沒有其他網(wǎng)絡流量。圖11所示的系統(tǒng)原型作為測試環(huán)境，整個系統(tǒng)被

35、分為兩個時鐘域。測試所需硬件設備包括：2臺千兆交換機；4塊PCI-E接口的網(wǎng)絡節(jié)點卡；4臺網(wǎng)絡節(jié)點終端PC設備。2. 可行性分析從研究環(huán)境來看，現(xiàn)有的研究所的計算機軟、硬件資源能夠滿足研究需要。從技術背景來說，在國內(nèi)外有許多研究成果，都為本論文的研究課題提供了參考。在接下來的時間里，本人大部分的時間都將用于本課題的研究，最終完成論文。過去的前期知識積累和技能儲備能夠使得項目預研得以順利進行，以上的分析也說明，課題的目標、內(nèi)容、研究方向都是切實可行的，可以在規(guī)定的時間內(nèi)完成課題研究。六、 參考文獻1TTTech.TTEthernet Specification v.9.122968Z.TTTec

36、h Computertechnik AGD-INT-S-10-002，2008.112D.L.Mills. RFC 958: Network Time Protocol (NTP), September 1985.3D.L. Mills. RFC 1769: Simple Network Time Protocol (SNTP), March 1995.4IEEE Std 1588-2002, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Sy

37、stemsS, 2002.5WANG Xiang-zhouResearch and application of IEEE1588 precision time protocolJ.Computer Engineering and Design，2009，30(8):184818496 孫林.基于W5100的NTP時間服務器的研究與實現(xiàn)D.中國科學院研究生院(國家授時中心),2012,6(15): 3-7.7 王飛雪.SNTP協(xié)議在嵌入式Linux中的實現(xiàn)J.數(shù)字通信世界.2008,12(5): 1-21.8 陳冰.基于時鐘同步的網(wǎng)絡化運動控制方法與實現(xiàn)D: 博士學位論文. 武漢: 華中科技大學,2006.9 張妍,孫鶴旭,林濤,寧立革.IEEE1588在實時工業(yè)以太網(wǎng)中的應用J. 微計算機信息.2005, 21(9-1): 19-21.10 趙上林,胡敏強,竇曉