黃 韜，陳長勝

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 西安 710119)

以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展30多年來，其帶寬大、成本便宜、結(jié)構(gòu)簡單成為大家的共識，其應(yīng)用已滲透到了社會的各行各業(yè)：生產(chǎn)控制、船舶、機(jī)載、車載、辦公場所、安全關(guān)鍵系統(tǒng)等。但以太網(wǎng)應(yīng)用于高實(shí)時性、安全關(guān)鍵系統(tǒng)時無法解決時間確定性問題，對此以太網(wǎng)應(yīng)用于這些場合必須解決該鍵問題。TTE技術(shù)的提出解決了的時間確定性問題0，同時支持多種(單或多通道)通信方案供用戶選擇[1]0，能夠滿足高實(shí)時要求0、安全關(guān)鍵系統(tǒng)0的需求，是極具發(fā)展前景的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

“時間觸發(fā)”是指網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的時間基，所有的通信都是按照全局時間進(jìn)行調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)上的所有活動都是隨著時間的前進(jìn)而有計(jì)劃地調(diào)度。TTE中的消息主要面向狀態(tài)，而不是事件，每條消息一直保持到狀態(tài)改變，而狀態(tài)也只能在規(guī)定的時間間隔內(nèi)改變0。所以TTE必須建立一個全局統(tǒng)一的時間，并以此為基礎(chǔ)按照預(yù)先定義的通信配置表進(jìn)行時分復(fù)用方式的通信。

作為TTE技術(shù)的權(quán)威，TTTech公司對時間觸發(fā)以太網(wǎng)給出如下定義0：

TTE=以太網(wǎng)+時鐘同步+時間觸發(fā)通信+速率限制傳輸+保證傳輸。

TTE傳輸3種不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀：時間觸發(fā)數(shù)據(jù)、速率限制數(shù)據(jù)和盡力而為數(shù)據(jù)，3種數(shù)據(jù)優(yōu)先級依次遞降。

本文首先分析了已有的時鐘同步機(jī)制，然后介紹了TTE時鐘同步協(xié)議過程并深入研究了同步協(xié)議的3個關(guān)鍵算法。在仿真平臺上通過仿真模型對時間觸發(fā)以太網(wǎng)的時鐘同步協(xié)議進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 TTE時鐘同步協(xié)議研究

1.1 時鐘同步算法概述

在高性能實(shí)時以太網(wǎng)研究內(nèi)容中，最重要的是全局時鐘同步問題。而現(xiàn)有的時間同步算法(如PTP[8-9]、DTP、NTP等)無法滿足需求，TTE時鐘同步算法0的研究顯得尤為重要。只有解決了時間同步問題，才能保證整個系統(tǒng)在TDMA機(jī)制下可靠的傳輸時間觸發(fā)消息和事件觸發(fā)消息，保證在一定精度內(nèi)進(jìn)行高性能實(shí)時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。所以本地時鐘同步的正確性是時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的基本前提和必須條件。

1.2 工作原理和流程

TTE網(wǎng)絡(luò)中包含3種角色：同步控制器(synchronization master, SM)，集中控制器(compression master, CM)，同客戶端(synchronization client, SC)，它們之間通過傳遞協(xié)議控制幀(protocol control fram, PCF)進(jìn)行同步。

TTE時間同步流程0分為兩步，如圖1所示。

圖1 TTE時鐘同步流程

同步流程為：

1) SMi(i表示節(jié)點(diǎn)i)向CM發(fā)送PCFi。CM收到各個鏈路上的不同的PCF(PCF1-PCF3)后，對這些PCF進(jìn)行時序保持算法，以恢復(fù)PCF的接收順序與其發(fā)送順序一致。然后再對這些PCF所包含的時間信息進(jìn)行集中處理，取得折中的時間。

2) 將第一步的計(jì)算結(jié)果寫入一個新的PCF中廣播給各個節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)收到由CM發(fā)回的PCF之后，根據(jù)PCF幀所包含的時間信息修正自己的本地時間，實(shí)現(xiàn)全局的時間同步。

1.3 時鐘同步算法詳細(xì)步驟

結(jié)合時間同步構(gòu)件0和全局時鐘同步算法0，圖2為時間同步在各類型節(jié)點(diǎn)上的流程詳圖，基本算法步驟簡述如下：

1) 令sm_dispatch_pit=0，當(dāng)SMi的sm_clocki=0,SM就開始發(fā)送PCFi；

2) 在時刻receive_piti(記ri)，CM接收到該P(yáng)CFi，并啟動消息時序保持算法。在讀取ri后計(jì)算cm_permanence_piti(即還原幀順序后的接收時間，記作pi)，對網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲造成的影響進(jìn)行修正；

3) 在CM上的時刻pi，啟動集中算法，計(jì)算出cm_compressed_pit(記ct)值和member ship_new的和值；

圖2 同步算法流程圖

4) 根據(jù)ct值，經(jīng)過一個延遲時間clock_corr_delay，CM時鐘值到達(dá)ct+clock_corr_delay時，進(jìn)行CM時鐘修正并在等待dispatch_delay后產(chǎn)生一個NEW_PCF廣播到SM和SC；

5) 在SM/SC上的時刻smc_receive_pit(記rcm)，接收到NEW_PCF，并通過時序保持算法得到時序保持時間smc_permanence_pit(記為pcm)；

6) 本地時鐘到達(dá)pcm時，再經(jīng)過延遲clock_corr_delay后，在時刻pcm+clock_corr_delay完成時鐘修正。

2 關(guān)鍵參數(shù)定義

為了完成時間同步算法，有幾個重要參數(shù)分析如下。

2.1 透明時鐘

參照IEEE1588，透明時鐘用于記錄幀經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r。通過測量幀在各節(jié)點(diǎn)的駐留時間以及傳輸時間，并累加到消息的透明時鐘字段。TTE中透明時鐘的值保存在PCF的Transparent Clock字段，記錄該P(yáng)CF從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的傳輸總延時，記作ti。

2.2 最大傳輸延時

最大傳輸延時表示整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的最大延時，是一個離線得到的通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)定值，拓?fù)浣ê煤笏且粋€定值，計(jì)算如下(記作MAX)：

2.3 集中算法延時

集中算法延時是集中算法執(zhí)行的時間開銷。為了保證完成時間同步的精度，它不可忽略，分別記作Dcm和Dsmc，具體計(jì)算如下：

式中，max_observation_w indow(最大觀察窗口)由系統(tǒng)的容錯余度即窗口個數(shù)和同步精度(觀察窗口大小)決定；calculation_overhead為集中算法的計(jì)算處理時間；dispatch_delay為幀的發(fā)送延時。

2.4 預(yù)定接收時間

預(yù)定接收時間PCFi能夠與實(shí)際的permanence_piti相減便得出時間偏差。該時鐘同步采用了時序保持算法，所有幀的傳輸延遲都是一個定值，并且CM的處理延時也為定值。所以能夠預(yù)先推出CM的預(yù)定接收時間值Scm和Ssmc的預(yù)定接收時間值，記作Scm和Ssmc：

3 時間同步協(xié)議算法

3.1 同步算法理論

信道最優(yōu)判斷：若存在多個滿足進(jìn)行時鐘同步的幀，則選擇membership_new最大的通道中pi最大值作為有效PCF。公式如下：

PCF傳輸中，PCFi從SM→CM有傳輸延時，但是定義整個網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸延時MAX，以還原PCF的原始發(fā)送順序，時序保持算法定義為：

集中算法是根據(jù)PCF在接收窗口內(nèi)的所有SM節(jié)點(diǎn)時鐘偏差計(jì)算一個均衡值，集中算法定義為：

式中，N為接收窗口內(nèi)的PCF個數(shù)；c表示compression_pit；pmax_k和pmin_k分別表示第k個p值最大的幀和最小的幀。

設(shè)常數(shù)M=max-observation_w indow+ calculation_overhead

由式(8)可見，c就是全網(wǎng)絡(luò)所有SM節(jié)點(diǎn)時鐘偏差的一個均衡值，CM根據(jù)c計(jì)算出ct并取最優(yōu)ctbest相關(guān)同步信息整理為一個NEW_PCF。NEW_PCF可說是所有SM發(fā)送來的同步信息的一個PCF幀，被CM認(rèn)為是一個標(biāo)準(zhǔn)的時鐘發(fā)啟的PCF。若CM時間精準(zhǔn)，則Scm便是接收該NEW_PCF的時間，而實(shí)際接收時間為ctbest。故ctbest與Scm作差得到時鐘修正值clock_corrcm，可以認(rèn)為是CM被所有SM的信息時鐘同步了，計(jì)算公式：

最優(yōu)信道依據(jù)式(6)判斷，帶入式(7)～式(9)，化簡得：

由式(11)可知，CM進(jìn)行時鐘同步僅與參數(shù)r1、p1、c有關(guān)，(p1-c)是接收窗口內(nèi)PCF的均衡值，[r1-(p1-c)]是CM本地時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘之間的偏差。

SM/SC時鐘修正算法：SM/SC接收了NEW_PCF后，該幀被認(rèn)為是一個時鐘精度的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，接收時間pcm與預(yù)計(jì)接收時間Ssmc作差，得到：

最優(yōu)信道依據(jù)式(6)判斷，式(5)和式(7)帶入化簡，得：

由式(13)看出，SMC的修正值就是NEW_PCF的傳輸延遲與收到幀的本地時鐘值之間差。CM/SM/SC的時鐘修正為：

3.2 時序保持算法

時序保持算法用于屏蔽網(wǎng)絡(luò)傳輸延時對時間同步的影響。引入網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的因素包括：發(fā)送延時、鏈路延時和接收延時，對于高精度的時間同步，這些延時是必須要考慮的。時序保持算法通過PCF幀中的透明時鐘對PCF幀到達(dá)時間進(jìn)行修正，以恢復(fù)各個PCF幀的時序關(guān)系。

消息時序保持算法的流程如下：

1) 節(jié)點(diǎn)收到PCFi，讀取當(dāng)前的本地時間ri，同時執(zhí)行消息時序保持算法；

2) 讀取該P(yáng)CFi的Transparent Clock字段得到透明時鐘值ti；

3) 運(yùn)行式(7)完成時序保持算法：

如同上面算法，在接收端通過時序保持算法：首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送、接收的處理時間，得到整個網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸延時MAX，然后按照式(7)計(jì)算出時序保持時間p。

3.3 集中算法

由于晶振本身的穩(wěn)定性以及環(huán)境等影響，各個SM時間是不一致的，其PCF幀發(fā)送時間也是不一致的。集中算法是CM根據(jù)接收到的屬于同一個整合周期的所有PCF幀的p值，取一個均衡值ct，并且生成一個NEW_PCF。其memberiship_new中包含所有這些PCF的memberiship_new值。這個PCF隨后被廣播到各個SM和SC，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。

集中算法的流程如下：

1) 開啟一個觀察窗口(observation w indow)，標(biāo)記為OW=1；

2) 判斷該觀察窗口內(nèi)是否有完成時序保持的PCF幀。如果有并且 OWüf+1，f為系統(tǒng)容錯的限值，則新開啟一個窗口，繼續(xù)觀察；否則進(jìn)入下一步轉(zhuǎn)到步驟3)；

3) 收集觀察窗口內(nèi)的所有PCF幀：

① 應(yīng)用式(8)計(jì)算得compression_correction;

② 應(yīng)用式(9)計(jì)算得compression_pit;

4) 整合這些PCF幀的membership_new為一個新值，包含所有PCF對應(yīng)位。

3.4 時鐘修正算法

CM根據(jù)SM發(fā)送的PCF計(jì)算出整個系統(tǒng)的SM時間偏差均衡值，完成CM的本地時間修正。CM通過集中算法求出集中算法結(jié)果ctbest與預(yù)計(jì)時間Scm的差值就是本地時鐘與全局時鐘的偏差local_corr，根據(jù)式(11)和式(14)完成時鐘修正。

SM/SC根據(jù)CM時間修正后返回的NEW_PCF完成時間修正。SM/SC的Ssmc提前預(yù)知，所以實(shí)際接收PCF幀的時序保持時間(此處為最優(yōu)信道多個最優(yōu)PCF的均值)與預(yù)計(jì)時間的差值就是本地時鐘與全局時鐘的偏差local_corr，根據(jù)式(13)和式(14)完成時鐘修正。

4 OPNET仿真實(shí)現(xiàn)

4.1 仿真場景設(shè)計(jì)

仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為雙通道星型，節(jié)點(diǎn)包括：2個CM交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，4個SC交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，16個SM終端節(jié)點(diǎn)，8個SC終端節(jié)點(diǎn)；鏈路采用100BaseT；仿真時間為3 s。

圖3 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

場景中的所有節(jié)點(diǎn)的local_clock_durat ion取值為(1ns+隨機(jī)偏差值)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)同時開始啟動，也即每個節(jié)點(diǎn)的本地時鐘都是從零開始計(jì)時，并且始終保持同步狀態(tài)。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證執(zhí)行同步操作之后的每個節(jié)點(diǎn)的時鐘是否滿足設(shè)定的精度要求。

4.2 仿真結(jié)果分析

在OPNET上本文實(shí)現(xiàn)了時鐘算法的同步，測試結(jié)果顯示每個節(jié)點(diǎn)都是可以正常同步，時鐘修正的值也是正確的。滿足預(yù)期結(jié)果的要求。

圖4給出了仿真的速度和所用時間的OPNET截圖。由于TTE網(wǎng)絡(luò)的精確度是納秒，故每個節(jié)點(diǎn)的事件總量相當(dāng)大，該場景仿真時間3 s內(nèi)處理的事件數(shù)為9.000 8′1010個，平均速度為157 433 events/s，共用時間158 h 48 min。

圖4 場景仿真速度

圖5給出了雙通道網(wǎng)絡(luò)中3種數(shù)據(jù)吞吐量，由圖可知TT數(shù)據(jù)在發(fā)送時的吞吐量為6′106bps、RC數(shù)據(jù)在發(fā)生時的吞吐量為6.4′106bps、BE數(shù)據(jù)在發(fā)送時的吞吐量為(4.4′107-4.56′107)bps，TT:RC:BE吞吐量比大致為1:1:8。

圖5 吞吐量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6給出了雙通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中TT、RC和BE共3種數(shù)據(jù)的端到端網(wǎng)絡(luò)延遲對比情況，由圖可知，TT數(shù)據(jù)的端到端延遲最小；RC數(shù)據(jù)的端到端延遲較大，其值始終小于2′10-5s；對BE數(shù)據(jù)的端到端延遲范圍統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖6 延時統(tǒng)計(jì)

表1 BE數(shù)據(jù)端到端網(wǎng)絡(luò)延遲

圖7給出了雙通道時鐘精度，由圖可知，時鐘精度控制在95 ns以內(nèi)。

圖7 雙通道中的時鐘精度

通過仿真實(shí)現(xiàn)證明，該時間同步算法能完成時間同步，并且精度保證在95 ns以內(nèi)。時間同步機(jī)制能保證整個系統(tǒng)在TDMA的機(jī)制下可靠的傳輸時間觸發(fā)消息和時間觸發(fā)消息，能保證在一定精度內(nèi)進(jìn)行高性能實(shí)時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)可靠地傳輸。

5 總 結(jié)

本文對時間觸發(fā)以太網(wǎng)中的時鐘同步協(xié)議進(jìn)行深入研究和分析，并利用OPNET仿真工具，對TTE時鐘同步協(xié)議進(jìn)行仿真分析，對3個關(guān)鍵算法和同步性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，為時間觸發(fā)以太網(wǎng)的開發(fā)應(yīng)用提供有力的理論支撐。

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