軟件工程碩士論文開題報(bào)告最終版

1、學(xué)號：123126東 南 大 學(xué)全日制研究生學(xué)位論文 開題報(bào)告及論文工作實(shí)施計(jì)劃 院（系、所） 軟件學(xué)院學(xué)位類別 工程碩士 專業(yè)領(lǐng)域 軟件工程 研 究 生 姓 名 梁 姣 指導(dǎo)教師（校內(nèi)） 楊 鵬 指導(dǎo)教師（校外）黃海林 開 題 報(bào) 告 日 期2014-9 21填 表 須 知1、 論文開題報(bào)告由研究生本人向?qū)徸h小組報(bào)告并聽取意見后，由研究生本人填寫此表。2、 論文開題報(bào)告填寫完成后，必須經(jīng)導(dǎo)師審批，通過后方能提交。3、碩士生應(yīng)在第三學(xué)期內(nèi)完成此開題報(bào)告。開題報(bào)告經(jīng)研究生秘書在網(wǎng)上審核確認(rèn)（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(xué)檔案。、學(xué)位類別為：工程碩士；建筑學(xué)碩士；公共管理碩士；法律碩士（非法學(xué)）；工商管理碩士；風(fēng)景園林碩士；臨床醫(yī)學(xué)；公共衛(wèi)生碩士。、本表下載區(qū)： 。本表電子文檔打印時(shí)用A4紙張，格式不變，內(nèi)容較多可以加頁。一、學(xué)位論文開題報(bào)告論 文 題 目基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)研 究方 向軟件工程技術(shù)題 目 來 源國家部委省市企業(yè)自選有無合同經(jīng)費(fèi)數(shù)備注題 目類 型理論研究應(yīng)用研究工程技術(shù)跨學(xué)科研 究其他應(yīng)用研究一、 課題來源、選題依據(jù)、課題研究目的、工程應(yīng)用價(jià)值1. 課題來源本課題來源于中國航天集團(tuán)第772研究所預(yù)研項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)和開發(fā)基于IE

3、EE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時(shí)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(shí)鐘同步要求的航電網(wǎng)絡(luò)。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(shí)鐘同步功能還急需研究實(shí)現(xiàn)。IEEE1588協(xié)議是用于網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議，目前在航電以太網(wǎng)中還未得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合IEEE1588協(xié)議的特點(diǎn)和航電以太網(wǎng)的應(yīng)用需求進(jìn)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(yīng)用場景。因?yàn)?，IEEE1588協(xié)議是針對相對本

4、地化的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，另外它的高精度時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)十分符合現(xiàn)有航電以太網(wǎng)的要求。所以，將IEEE1588協(xié)議應(yīng)用于TTEthernet網(wǎng)絡(luò)，可以為解決航電以太網(wǎng)中急需實(shí)現(xiàn)的精密時(shí)鐘同步問題提供幫助，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3. 課題研究目的通過分析航電以太網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求和IEEE1588時(shí)鐘同步協(xié)議特點(diǎn)，研究并實(shí)現(xiàn)航電以太網(wǎng)上的精確時(shí)鐘同步系統(tǒng)，解決航電系統(tǒng)不同終端設(shè)備之間的時(shí)鐘同步問題。4. 工程應(yīng)用價(jià)值一般時(shí)間同步協(xié)議難以滿足航電以太網(wǎng)的高實(shí)時(shí)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(shí)鐘同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有更高的同步精度，將實(shí)際應(yīng)用于航電以太網(wǎng)TTEther

5、net中，因此具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)時(shí)鐘同步技術(shù)是分布式應(yīng)用的重要支撐技術(shù)，歷來受到研究界的重視。目前許多重要應(yīng)用領(lǐng)域需要依靠時(shí)鐘同步技術(shù)來精確控制關(guān)鍵性的任務(wù)，例如衛(wèi)星發(fā)射與測控系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、社會(huì)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)以及核能發(fā)電系統(tǒng)等等。這些應(yīng)用對分布式系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘的一致性和精確性要求很高，然而，一般的時(shí)鐘同步技術(shù)已經(jīng)無法滿足高精度的要求，隨著計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)也在不斷地推陳出新，快速的演進(jìn)和發(fā)展。1 傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)圖1 典型的傳統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)傳統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用圖1來描述。圖中的時(shí)間服務(wù)器一般集成有GPS等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，相

6、應(yīng)的配置也較高；現(xiàn)場設(shè)備一般情況下通過l0M/l00M以太網(wǎng)與時(shí)間服務(wù)器保持時(shí)間同步，其精度為10毫秒到秒級不等，部分應(yīng)用（如快速響應(yīng)系統(tǒng)）可能要求達(dá)到1毫秒的級別甚至更高。一般地，為了解決時(shí)間同步問題，傳統(tǒng)采用的方法為：整秒時(shí)由時(shí)間服務(wù)器在以太網(wǎng)上發(fā)送時(shí)碼信息，網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)時(shí)間客戶接收該時(shí)碼信息，再校正各自機(jī)器的系統(tǒng)時(shí)間。經(jīng)過測算，設(shè)備采用這種方法對準(zhǔn)時(shí)間后，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對，誤差在1100毫秒之間。但是這種時(shí)鐘同步方法，在網(wǎng)絡(luò)流量越大時(shí)間誤差也越大，因?yàn)榘l(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)越多，沖突的機(jī)會(huì)也越多，延時(shí)也越大。網(wǎng)絡(luò)流量的差異是造成這種延時(shí)的主要原因，但這類延時(shí)通常又是不定的，因此，難以對這種延時(shí)

7、差異進(jìn)行補(bǔ)償。綜上所述，傳統(tǒng)的同步方法誤差較大，對于時(shí)間精度要求較高的航電網(wǎng)絡(luò)來說，很難滿足其時(shí)間同步的需要。2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議目前可以用于網(wǎng)絡(luò)對時(shí)的協(xié)議主要有：時(shí)間協(xié)議(Time Protocol，簡稱TP)、日期時(shí)間協(xié)議(Daytime Protocol，簡稱DP)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議2(Network Time Protocol，簡稱NTP)以及簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議3(Simple Network Time Protocol，簡稱SNTP)。時(shí)間協(xié)議TP和日期時(shí)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(luò)延時(shí)，因此同步精度較低，目前在工程中應(yīng)用較少。由美國特拉華大學(xué)的David L.M

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

9、工作與任務(wù)，因此對監(jiān)控和控制的同步性和實(shí)時(shí)性提出了越來越高的要求。此時(shí)，一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織開始研究設(shè)備之間，尤其是測量和控制設(shè)備之間的時(shí)鐘同步技術(shù)。在此背景下，美國的一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織在2001年發(fā)起成立了一個(gè)特別委員會(huì)，專門針對設(shè)備之間，尤其是網(wǎng)絡(luò)測控設(shè)備之間的時(shí)鐘同步問題進(jìn)行研究。經(jīng)過長時(shí)間的不斷探索和試驗(yàn)，該委員會(huì)向美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）提交一份研究方案，并通過該組織一年多的核準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)

10、準(zhǔn)”(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(shí)鐘同步協(xié)議。IEEE 1588協(xié)議主要針對小型同構(gòu)或異構(gòu)局域網(wǎng)設(shè)計(jì)，適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，其基本功能是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時(shí)鐘與其他時(shí)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(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行同步，精度可達(dá)到亞微秒級。IEEE1588協(xié)議與其它對時(shí)方案的性能對比由表1給出。表1 幾種對時(shí)方案

11、的性能對比GPSNTP北斗IEEE1588v2典型授時(shí)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(xiàng)性能指標(biāo)都具有較大優(yōu)勢。IEEE l588協(xié)議還具備以下優(yōu)點(diǎn)：1) 時(shí)鐘精度控制在us級，在硬件的幫助下能達(dá)到ns級。2) 對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計(jì)算能力、硬件資源的要求較低，適合于在低端設(shè)備上應(yīng)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(shù)，將同步信息封裝在數(shù)據(jù)報(bào)文當(dāng)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(shí)鐘線。5) 實(shí)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(gè)子網(wǎng))。6) IEEEl588協(xié)議是基于以太網(wǎng)的精確時(shí)鐘同步技術(shù)，但是不僅僅局限于以太網(wǎng)，只要其它網(wǎng)絡(luò)或總線具有群發(fā)和點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能力，就能實(shí)現(xiàn)IEEEl588協(xié)議定義的功能。7) IEEE1588協(xié)議被公布為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，便于對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)和交流。IEEEl588協(xié)議可能達(dá)到較高的精度，一方面由其本身規(guī)定的一系列同步機(jī)制決定，另一方面需要硬件技術(shù)的協(xié)助，主要包括以下幾點(diǎn)：1) 延時(shí)的起伏將直

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

14、確的計(jì)算報(bào)文駐留和延遲時(shí)間，使高精度時(shí)鐘同步得以實(shí)現(xiàn)。3) 如果本地時(shí)鐘的振蕩頻率稍有偏離，就會(huì)造成時(shí)間的偏離，而且時(shí)間的偏離是累計(jì)的會(huì)越來越大，雖然通過同步報(bào)文的計(jì)算可以校正時(shí)間，但本地時(shí)間的頻繁校正會(huì)打亂本地時(shí)鐘的連續(xù)性，使需要定時(shí)處理的任務(wù)，比如通過時(shí)間段計(jì)量脈沖的速度測量等應(yīng)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(shù)對頻率的校正使本地時(shí)鐘的頻率與主時(shí)鐘同步，可達(dá)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(luò)時(shí)鐘同步領(lǐng)域的研究起步相對較晚，雖然目前已有一些關(guān)于IEEE 1588協(xié)議的研究工作，但主要集中在對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹、或是針

15、對性地對某些時(shí)鐘同步算法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。國外自動(dòng)化測量和控制領(lǐng)域中，時(shí)鐘同步精度要求達(dá)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(luò)上各節(jié)點(diǎn)能按照主機(jī)的時(shí)鐘同步定時(shí)，并確保各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差不會(huì)超過8納秒，因此最適用于物體移動(dòng)控制、測量儀表、數(shù)據(jù)采集及電子通信等設(shè)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(luò)的特殊需求，電信網(wǎng)絡(luò)、測試/測量以及工業(yè)控制等領(lǐng)域也有應(yīng)用，IEEE 1588協(xié)議定義的PTP精密時(shí)鐘同步技術(shù)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(wù)或安全關(guān)鍵性系統(tǒng)，需要具有時(shí)間確定性保證。時(shí)間觸發(fā)概念的提出，其目的在于通過全局的時(shí)鐘精確同步，使通信任務(wù)和收發(fā)操作具有完全的時(shí)間確定性，經(jīng)過適用性改造的時(shí)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(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)，即以時(shí)間觸發(fā)代替事件觸發(fā)，將通信任務(wù)通過合理的調(diào)度定時(shí)觸發(fā)發(fā)送，可避免數(shù)據(jù)幀爭用物理鏈路，保證實(shí)時(shí)性。時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)同步的節(jié)點(diǎn)只能在規(guī)定的時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，周期性的數(shù)據(jù)傳輸操作構(gòu)成一個(gè)時(shí)分多址周期，即TDMA (time-division multiple access)周期。圖2給出了一個(gè)TDMA周期的示意圖

17、，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都在TDMA周期內(nèi)使用一定的時(shí)間段稱為時(shí)間槽（slot）來發(fā)送數(shù)據(jù)。通過全局時(shí)鐘機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用自己的時(shí)間槽進(jìn)行通信，所有節(jié)點(diǎn)的通信相互不沖突。周期性的節(jié)點(diǎn)時(shí)間槽構(gòu)成了一個(gè)TDMA周期，所有的TDMA周期都具有相同的時(shí)間長度，在TDMA周期中，節(jié)點(diǎn)每一次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度和內(nèi)容可能不同。多個(gè)TDMA周期構(gòu)成集群（cluster）周期，整個(gè)傳輸時(shí)間軸由重復(fù)的cluster周期構(gòu)成。圖 2 TDMA調(diào)度示意圖時(shí)間觸發(fā)的前提是實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)控制的支持，盡管航空航天領(lǐng)域和自動(dòng)化測控領(lǐng)域有很多不同，但在系統(tǒng)級的

18、控制和定時(shí)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(lǐng)域提供一種精確時(shí)鐘同步的服務(wù)。另外，IEEE 1588協(xié)議是針對相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(luò)環(huán)境。本論文按照IEEE 1588協(xié)議去策劃和設(shè)計(jì)的航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，其同步精度預(yù)定達(dá)到us級的程度，為消除或削弱分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)各個(gè)測控設(shè)備的時(shí)鐘誤差和測控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)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(luò)TTEthernet的實(shí)時(shí)性問題。三、 研究基礎(chǔ)1. 了解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，熟悉以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；2. 分析了IEE

19、E1588時(shí)間同步技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)；3. 分析比較了NTP協(xié)議、SNTP協(xié)議和IEEE1588協(xié)議各自的特點(diǎn)和時(shí)間同步機(jī)制4. 分析了IEEE1588協(xié)議報(bào)文的特點(diǎn)；5. 分析了影響實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步高精度的因素（操作系統(tǒng)與協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)元件、時(shí)鐘的不穩(wěn)定性和時(shí)鐘的分辨率）；6. 研究所提供項(xiàng)目研究需要的設(shè)備和條件。4、 主要內(nèi)容及研究開發(fā)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)或難點(diǎn)1. 主要內(nèi)容本論文瞄準(zhǔn)航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時(shí)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(shí)鐘選取算法。在航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的初始化階段，設(shè)計(jì)最佳主時(shí)鐘算法來確定主

20、時(shí)鐘。2) 同步間隔設(shè)置與時(shí)間戳提取方法。在系統(tǒng)中設(shè)置一定的同步間隔，每一個(gè)非主時(shí)鐘都周期性地向主時(shí)鐘發(fā)送帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)報(bào)。另外，設(shè)計(jì)航電以太網(wǎng)中的時(shí)間戳提取方法，從而為時(shí)鐘偏移測量算法奠定基礎(chǔ)。3) 航電以太網(wǎng)中的時(shí)鐘偏移測量算法。根據(jù)時(shí)間戳提取方法，設(shè)計(jì)基于主從時(shí)鐘交換報(bào)文中時(shí)間戳的時(shí)鐘偏移測量流程和算法，提高主從時(shí)鐘偏移量的計(jì)算精確度。4) 基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)與開發(fā)。集成上述關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)基于IEEE1588協(xié)議的航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)原型，并進(jìn)行測試分析。 2. 研究開發(fā)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)或難點(diǎn)航電以太網(wǎng)時(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決以下幾方面問題。1) 最佳主時(shí)鐘算法的設(shè)計(jì)。所有從時(shí)鐘都要同步到主時(shí)鐘，主時(shí)鐘的選擇對整個(gè)時(shí)鐘同步系統(tǒng)來說十分重要。因此，設(shè)計(jì)的算法需要在所有設(shè)備的時(shí)鐘里選擇性能最穩(wěn)定、精度最高、確定性最好的時(shí)鐘作為整個(gè)系統(tǒng)中的最佳主時(shí)鐘。2) 時(shí)鐘的偏移測量。各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部時(shí)鐘晶振頻率存在差異造成時(shí)間偏差，需要周期性的計(jì)算出本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏移，傳送給本地時(shí)鐘的校準(zhǔn)裝置，如圖3所示，調(diào)整時(shí)間以保持各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。圖3 周期性的校準(zhǔn)時(shí)鐘3) 路徑延遲測量。網(wǎng)絡(luò)路徑存在傳輸延遲，需要估算延遲，消除延遲導(dǎo)致的時(shí)標(biāo)誤差。根據(jù)航電以太網(wǎng)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)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(shè)備節(jié)點(diǎn)通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單的TTEthernet網(wǎng)絡(luò)連接，在時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)中，系統(tǒng)中的各結(jié)點(diǎn)采用時(shí)間觸發(fā)通信，分時(shí)復(fù)用帶寬，不會(huì)產(chǎn)生帶寬爭用現(xiàn)象，沒有通信沖突。而且，在TTEthernet網(wǎng)絡(luò)中采用IEEE1588協(xié)議進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，使用短幀傳輸，數(shù)據(jù)量較小，通過交換機(jī)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生擁塞，數(shù)據(jù)幀傳輸過程中對網(wǎng)絡(luò)資源占用少，網(wǎng)絡(luò)延遲抖動(dòng)基本可忽略不計(jì)，從而傳輸延遲可認(rèn)為是對稱的。因此，本論文在算法設(shè)計(jì)中從通信路徑延遲對稱的情況入手，之后可以考慮更復(fù)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(shí)施方案與可行性分析1. 實(shí)施方案

23、本論文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用場景為航空飛行器，10Mbit/s的TTEthernet網(wǎng)絡(luò)在大型飛行器中的分布如圖5所示。圖 5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布示意圖TTEthernet網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，機(jī)頭、機(jī)尾的計(jì)算資源和跨引擎的數(shù)據(jù)交換也通過TTEthernet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，TTEthernet網(wǎng)絡(luò)在通信過程中采用全局時(shí)鐘啟動(dòng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，每一個(gè)組件的操作只與全局時(shí)間有關(guān)，而與其它組件的工作狀況無關(guān)，各種系統(tǒng)指令信號的產(chǎn)生是由時(shí)間的推進(jìn)來觸發(fā)的，時(shí)鐘同步是實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)的基礎(chǔ)。時(shí)鐘同步系統(tǒng)重點(diǎn)解決TTEthernet網(wǎng)絡(luò)中的飛行器各部件的時(shí)鐘同步問題，從而在指令信號基于時(shí)間觸發(fā)時(shí)，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(shí)際的飛行器測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是特定的局域網(wǎng)系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)流量較小，不像廣域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，影響因素較多，因此時(shí)鐘同步方案設(shè)計(jì)可在一定程度上進(jìn)行簡化。圖6所示為時(shí)鐘同步系統(tǒng)與其他裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的總體框架。時(shí)鐘同步系統(tǒng)PTP報(bào)文接收控制器數(shù)據(jù)集服務(wù)器鏈路通信接口本地時(shí)鐘系統(tǒng)PTP報(bào)文發(fā)送控制器接收時(shí)間戳發(fā)送時(shí)間戳圖6 時(shí)間同步系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖時(shí)鐘同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分為：航電以太網(wǎng)中的最佳主時(shí)鐘選取算法、同步間隔設(shè)置與時(shí)間戳提取方法、航電以太網(wǎng)中的時(shí)鐘偏移測量算法、基于IEEE1588協(xié)議的航

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

26、數(shù)據(jù)獨(dú)立執(zhí)行同一算法，因此選出的主時(shí)鐘將會(huì)相同，設(shè)備之間不需要進(jìn)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(shí)鐘后執(zhí)行，普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘的每一個(gè)端口都利用接收到的announce消息和自身的時(shí)鐘數(shù)據(jù)集，獨(dú)立運(yùn)行同一套狀態(tài)決定算法，選擇N個(gè)端口中最好的一個(gè)作為時(shí)鐘的信息更新來源。還可以進(jìn)一步確定每個(gè)時(shí)鐘的各個(gè)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(shí)鐘、待機(jī)、從時(shí)鐘、未校正，根據(jù)這些狀態(tài)本地時(shí)鐘會(huì)在時(shí)鐘同步過程中做出相應(yīng)的反應(yīng)，算法采用數(shù)據(jù)集服務(wù)器所提供的端口數(shù)據(jù)集和時(shí)鐘數(shù)據(jù)集來實(shí)現(xiàn)。最佳主時(shí)鐘算法最終能得出主從時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。圖中的幾種時(shí)鐘分別

27、代表不同的PTP時(shí)鐘設(shè)備，邊界時(shí)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(shè)備之間可以進(jìn)行直接通信，不同的路徑之間通過邊界時(shí)鐘橋接。PTP端口是用于訪問PTP時(shí)鐘設(shè)備的邏輯端點(diǎn)，決定主一從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的端口狀態(tài)主要有兩個(gè)：M(MASTER)端口是它所服務(wù)的路徑上的時(shí)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(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同步間隔設(shè)置與時(shí)間戳提取方法。在一定時(shí)間內(nèi)同步的次數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時(shí)鐘的精度越高，但為了減少通訊占用的網(wǎng)絡(luò)流量，從時(shí)鐘并不是每個(gè)同步周期都向主時(shí)鐘發(fā)送同步請求（Delay_Req）報(bào)文，而是每隔若干個(gè)周期發(fā)送一次，具體同步間隔

28、在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，通過測試比較各種同步間隔下的時(shí)鐘精度，得出最合適的時(shí)間間隔。時(shí)間戳的精度直接影響IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘同步精度，要實(shí)現(xiàn)高精度的同步，必須有高準(zhǔn)確度的時(shí)間戳，即準(zhǔn)確地獲取同步報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間。在一個(gè)IEEE 1588應(yīng)用系統(tǒng)中，報(bào)文發(fā)出一般依次經(jīng)過應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和以太網(wǎng)控制器，最后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收端。報(bào)文到達(dá)接收端后，依次通過以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和操作系統(tǒng)，最后通過操作系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)用程序。為了消除操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧帶來的波動(dòng)，達(dá)到較高的精確度，對傳輸報(bào)文的時(shí)間打標(biāo)越靠近物理層越好。不帶硬件輔助實(shí)現(xiàn)時(shí)間打標(biāo)時(shí)，在軟件層對發(fā)送和接收報(bào)文的時(shí)

29、間做標(biāo)記，這種情況下既可以在應(yīng)用層捕獲時(shí)間戳信息，也可以在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序中捕獲。當(dāng)在應(yīng)用層捕獲時(shí)間戳?xí)r，操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧內(nèi)的延遲起伏引起的抖動(dòng)將影響時(shí)間戳的精度。為了提高時(shí)間戳的精度，本設(shè)計(jì)在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序中捕獲消息發(fā)送和接收時(shí)間作為時(shí)間戳，消除了從網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)到應(yīng)用層之間的延遲起伏引起的抖動(dòng)，時(shí)間戳捕獲位置如圖8所示。圖 8 時(shí)間戳捕獲位置 航電以太網(wǎng)中的時(shí)鐘偏移測量算法。本算法的設(shè)計(jì)基于每個(gè)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘交換同步報(bào)文，從而達(dá)到同步。這個(gè)過程分為兩個(gè)階段:偏移測量階段和延遲測量階段。第一階段修正主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)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(shí)鐘按照

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

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

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

33、再次進(jìn)行偏移測量時(shí)，將Delay考慮進(jìn)來，最終使主時(shí)鐘與從時(shí)鐘同步。圖10 延遲測量航電以太網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)與開發(fā)。系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)方案在一定程度上進(jìn)行了簡化，系統(tǒng)中的時(shí)鐘在結(jié)構(gòu)上分為普通時(shí)鐘OC（Ordinary Clock）、邊界時(shí)鐘BC（Boundary Clock）和透明時(shí)鐘TC（Transparent Clock），在功能上分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘。最佳主時(shí)鐘算法選擇的網(wǎng)絡(luò)中精度最高的時(shí)鐘源模型為主時(shí)鐘 GMC（Grandmaster Clock），交換機(jī)的時(shí)鐘模型為TC，其他終端裝置的時(shí)鐘模型為OC，運(yùn)行在從時(shí)鐘狀態(tài)。從時(shí)鐘通過與主時(shí)鐘的報(bào)文交互來獲取精確時(shí)標(biāo)并計(jì)算從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間

34、偏差（Toffset），從時(shí)鐘根據(jù)此時(shí)間偏差校正自身時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘時(shí)間同步。本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)原型如圖11所示，其特點(diǎn)描述如下：1) 主時(shí)鐘a和主時(shí)鐘b互為備用；2) 正常狀態(tài)下只有一臺活動(dòng)主時(shí)鐘，另一臺處于靜默狀態(tài)，此機(jī)制通過最佳主時(shí)鐘算法實(shí)現(xiàn)；3) PTP交換機(jī)（TC）處理各種同步報(bào)文，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延校正；4) 終端設(shè)備（OC）跟隨當(dāng)前活動(dòng)主時(shí)鐘，在主時(shí)鐘發(fā)生切換時(shí)，守時(shí)等待切換完成并同步于主時(shí)鐘。圖 11 時(shí)間同步系統(tǒng)原型本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)測試方案基于以下網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行：主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間通過PTP交換機(jī)相連；系統(tǒng)中沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量。圖11所示的系統(tǒng)原型作為測試環(huán)境，整個(gè)系統(tǒng)被

35、分為兩個(gè)時(shí)鐘域。測試所需硬件設(shè)備包括：2臺千兆交換機(jī)；4塊PCI-E接口的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)卡；4臺網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端PC設(shè)備。2. 可行性分析從研究環(huán)境來看，現(xiàn)有的研究所的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源能夠滿足研究需要。從技術(shù)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(shí)間里，本人大部分的時(shí)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(chǔ)備能夠使得項(xiàng)目預(yù)研得以順利進(jìn)行，以上的分析也說明，課題的目標(biāo)、內(nèi)容、研究方向都是切實(shí)可行的，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成課題研究。六、 參考文獻(xiàn)1TTTech.TTEthernet Specification v.9.122968Z.TTTec

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