TTE時(shí)間同步協(xié)議關(guān)鍵算法研究和仿真分析

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(huì)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(shí)性、安全關(guān)鍵系統(tǒng)時(shí)無法解決時(shí)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(shí)間確定性問題0，同時(shí)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(shí)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(shí)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

“時(shí)間觸發(fā)”是指網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的時(shí)間基，所有的通信都是按照全局時(shí)間進(jìn)行調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)上的所有活動(dòng)都是隨著時(shí)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(shí)間間隔內(nèi)改變0。所以TTE必須建立一個(gè)全局統(tǒng)一的時(shí)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(shí)分復(fù)用方式的通信。

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

TTE=以太網(wǎng)+時(shí)鐘同步+時(shí)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(shí)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(shí)鐘同步機(jī)制，然后介紹了TTE時(shí)鐘同步協(xié)議過程并深入研究了同步協(xié)議的3個(gè)關(guān)鍵算法。在仿真平臺上通過仿真模型對時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 TTE時(shí)鐘同步協(xié)議研究

1.1 時(shí)鐘同步算法概述

在高性能實(shí)時(shí)以太網(wǎng)研究內(nèi)容中，最重要的是全局時(shí)鐘同步問題。而現(xiàn)有的時(shí)間同步算法(如PTP[8-9]、DTP、NTP等)無法滿足需求，TTE時(shí)鐘同步算法0的研究顯得尤為重要。只有解決了時(shí)間同步問題，才能保證整個(gè)系統(tǒng)在TDMA機(jī)制下可靠的傳輸時(shí)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(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。所以本地時(shí)鐘同步的正確性是時(shí)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(shí)間同步流程0分為兩步，如圖1所示。

圖1 TTE時(shí)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(gè)鏈路上的不同的PCF(PCF1-PCF3)后，對這些PCF進(jìn)行時(shí)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(shí)間信息進(jìn)行集中處理，取得折中的時(shí)間。

2) 將第一步的計(jì)算結(jié)果寫入一個(gè)新的PCF中廣播給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)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(shí)間信息修正自己的本地時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全局的時(shí)間同步。

1.3 時(shí)鐘同步算法詳細(xì)步驟

結(jié)合時(shí)間同步構(gòu)件0和全局時(shí)鐘同步算法0，圖2為時(shí)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(shí)刻receive_piti(記ri)，CM接收到該P(yáng)CFi，并啟動(dòng)消息時(shí)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(shí)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(shí)刻pi，啟動(dòng)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(gè)延遲時(shí)間clock_corr_delay，CM時(shí)鐘值到達(dá)ct+clock_corr_delay時(shí)，進(jìn)行CM時(shí)鐘修正并在等待dispatch_delay后產(chǎn)生一個(gè)NEW_PCF廣播到SM和SC；

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

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

2 關(guān)鍵參數(shù)定義

為了完成時(shí)間同步算法，有幾個(gè)重要參數(shù)分析如下。

2.1 透明時(shí)鐘

參照IEEE1588，透明時(shí)鐘用于記錄幀經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)。通過測量幀在各節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間以及傳輸時(shí)間，并累加到消息的透明時(shí)鐘字段。TTE中透明時(shí)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(shí)，記作ti。

2.2 最大傳輸延時(shí)

最大傳輸延時(shí)表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大延時(shí)，是一個(gè)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€(gè)定值，計(jì)算如下(記作MAX)：

2.3 集中算法延時(shí)

集中算法延時(shí)是集中算法執(zhí)行的時(shí)間開銷。為了保證完成時(shí)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(cuò)余度即窗口個(gè)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(shí)間；dispatch_delay為幀的發(fā)送延時(shí)。

2.4 預(yù)定接收時(shí)間

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

3 時(shí)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(gè)滿足進(jìn)行時(shí)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(shí)，但是定義整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸延時(shí)MAX，以還原PCF的原始發(fā)送順序，時(shí)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(shí)鐘偏差計(jì)算一個(gè)均衡值，集中算法定義為：

式中，N為接收窗口內(nèi)的PCF個(gè)數(shù)；c表示compression_pit；pmax_k和pmin_k分別表示第k個(gè)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(shí)鐘偏差的一個(gè)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(gè)NEW_PCF。NEW_PCF可說是所有SM發(fā)送來的同步信息的一個(gè)PCF幀，被CM認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘發(fā)啟的PCF。若CM時(shí)間精準(zhǔn)，則Scm便是接收該NEW_PCF的時(shí)間，而實(shí)際接收時(shí)間為ctbest。故ctbest與Scm作差得到時(shí)鐘修正值clock_corrcm，可以認(rèn)為是CM被所有SM的信息時(shí)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(shí)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(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘之間的偏差。

SM/SC時(shí)鐘修正算法：SM/SC接收了NEW_PCF后，該幀被認(rèn)為是一個(gè)時(shí)鐘精度的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，接收時(shí)間pcm與預(yù)計(jì)接收時(shí)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(shí)鐘值之間差。CM/SM/SC的時(shí)鐘修正為：

3.2 時(shí)序保持算法

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

消息時(shí)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(shí)間ri，同時(shí)執(zhí)行消息時(shí)序保持算法；

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

3) 運(yùn)行式(7)完成時(shí)序保持算法：

如同上面算法，在接收端通過時(shí)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(shí)間，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸延時(shí)MAX，然后按照式(7)計(jì)算出時(shí)序保持時(shí)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(gè)SM時(shí)間是不一致的，其PCF幀發(fā)送時(shí)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(gè)整合周期的所有PCF幀的p值，取一個(gè)均衡值ct，并且生成一個(gè)NEW_PCF。其memberiship_new中包含所有這些PCF的memberiship_new值。這個(gè)PCF隨后被廣播到各個(gè)SM和SC，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步。

集中算法的流程如下：

1) 開啟一個(gè)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(shí)序保持的PCF幀。如果有并且 OWüf+1，f為系統(tǒng)容錯(cuò)的限值，則新開啟一個(gè)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(gè)新值，包含所有PCF對應(yīng)位。

3.4 時(shí)鐘修正算法

CM根據(jù)SM發(fā)送的PCF計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的SM時(shí)間偏差均衡值，完成CM的本地時(shí)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(shí)間Scm的差值就是本地時(shí)鐘與全局時(shí)鐘的偏差local_corr，根據(jù)式(11)和式(14)完成時(shí)鐘修正。

SM/SC根據(jù)CM時(shí)間修正后返回的NEW_PCF完成時(shí)間修正。SM/SC的Ssmc提前預(yù)知，所以實(shí)際接收PCF幀的時(shí)序保持時(shí)間(此處為最優(yōu)信道多個(gè)最優(yōu)PCF的均值)與預(yù)計(jì)時(shí)間的差值就是本地時(shí)鐘與全局時(shí)鐘的偏差local_corr，根據(jù)式(13)和式(14)完成時(shí)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(gè)CM交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，4個(gè)SC交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，16個(gè)SM終端節(jié)點(diǎn)，8個(gè)SC終端節(jié)點(diǎn)；鏈路采用100BaseT；仿真時(shí)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(shí)開始啟動(dòng)，也即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘都是從零開始計(jì)時(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(shí)鐘算法的同步，測試結(jié)果顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是可以正常同步，時(shí)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(shí)間的OPNET截圖。由于TTE網(wǎng)絡(luò)的精確度是納秒，故每個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件總量相當(dāng)大，該場景仿真時(shí)間3 s內(nèi)處理的事件數(shù)為9.000 8′1010個(gè)，平均速度為157 433 events/s，共用時(shí)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(shí)的吞吐量為6′106bps、RC數(shù)據(jù)在發(fā)生時(shí)的吞吐量為6.4′106bps、BE數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)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??；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(shí)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(shí)鐘精度，由圖可知，時(shí)鐘精度控制在95 ns以內(nèi)。

圖7 雙通道中的時(shí)鐘精度

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

5 總 結(jié)

本文對時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)中的時(shí)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(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行仿真分析，對3個(gè)關(guān)鍵算法和同步性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，為時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的開發(fā)應(yīng)用提供有力的理論支撐。

[1] 楊仕平, 桑楠, 熊光澤. 基于Ethernet技術(shù)的安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報(bào), 2005, 16(1): 122-123.

YANG Shi-ping, SANG Nan, XIONG Guang-ze. Safety critical real-time networks based on ethernet technology[J].Journal of Software, 2005, 16(1): 122-123.

[2] KOPETZ H. Fault containment and error detection in the time-triggered architecture[C]//Autonomous Decentralized Systems, 2003. [S.l.]: IEEE, 2003: 139-146.

[3] MURDOCK J K, KOENIG J R. Open systems avionics network to replace M IL-STD-1553[C]//Digital Avionics Systems Conference. [S.l.]: IEEE, 2000.

[4] NICOLAS N, SONG Y Q, FRAN?OISE S. Worst-case deadline failure probability in real-time applications distributed over controller area network[J]. Journal of systems Architecture, 2000, 46(7): 607-617.

[5] GüNTER H, THURNER T. Time-triggered architecture for safety-related distributed real-time systems in transportation systems[C]//Fault-Tolerant Computing, 1998. Digest of Papers. [S.l.]: IEEE, 1998: 402-407.

[6] HOANG, H. Rea-time communication for industrial embedded systems using sw itched ethemet[C]//Parallel and Dis-tributedProcessing Sysposium．[S.l.]: IEEE, 2004．

[7] HERMANN K, GUNTER G. TTP-A protocol for fault-tolerant real-time systems[J]. IEEE Computer, 1994,27(1): 14-23

[8] LEE K, EIDSON J C, WEIBEL H, et al. IEEE 1588 standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[C]//Sensors for Industry Conference, 2002. [S.l.]: IEEE, 2002: 98-105.

[9] YU Peng-fei, YU Qiang, DENG Hui, et al. The research of precision time protocol IEEE1588[C]//The International Conference on Electrical Engineering. [S.l.]: [s.n.], 2009.

[10] KOPETZ H, ADEMAJ A, GRILLINGER P, et al. The time-triggered Ethernet (TTE) design[C]//Object-Oriented Real-Time Distributed Computing, ISORC 2005. [S.l.]:IEEE, 2005.

[11] ECHTLE K, MOHAMED S. Clock synchronization issues in multi-cluster time-triggered networks[C]//Measurement,Modelling, and Evaluation of Computing Systems and Dependability and Fault Tolerance. Berlin Heidelberg:Springer, 2010: 39-61.

[12] KOPETZ H, GRUNSTEIDL G. TTP-A protocol for fault-tolerant real-time systems[J]. IEEE Computer, 1994,27(1): 14-23.

[13] STEINER W. TTEthernet specification[S]. [S.l.]: TTTech Computertechnik AG, 2008.

編 輯 稅 紅