基于IEEE802.1AS的低延迟时间感知系统的设计与实现

发布时间：2020-06-13 05:31

【摘要】：随着多媒体娱乐系统和辅助驾驶系统的应用,大量的音视频等时间敏感数据需要通过网络传输,这对时间敏感网络的时间同步提出了更高的要求。为了给时间敏感网络提供精准的定时和时间同步,IEEE802.1工作组制定了IEEE802.1AS时间同步协议。它通过将网络各个节点的时间同步到一个共同的最佳主时钟,从而保障时间敏感网络数据传输的低延迟和时间同步。然而IEEE802.1AS协议在实施中通常遇到两个问题,一个问题是,由于网络多端口的调度复杂和网络交换设备的限制,最佳主时钟选择算法在两个以上的网络节点之间实现比较困难。另一个问题是,路径延迟测量容易受到操作系统调用延迟不确定和链路传输不对称的影响,产生较大的测量误差,从而影响时间同步的精度。本文详细研究了IEEE802.1AS精准时间同步协议,分析了协议中最佳主时钟选择、路径延迟测量和时间同步的原理,根据协议内容提出了基于定时任务队列调度的时间感知系统模型。首先,通过在Linux操作系统上构建定时任务队列和状态机跳转接口,完成了协议的软件实现。其次,通过时间感知系统的多端口调度,实现了两个以上网络节点之间的最佳主时钟选择。然后,结合实际的软件实现分析了路径延迟测量误差的产生原因,通过确定并抵消系统调用延迟的方法,减小了系统调用延迟造成的延迟测量误差。最后,使用NS-3网络仿真软件仿真了不同网络拓扑的多节点之间的最佳主时钟选择算法,搭建硬件平台在不同网络负载下,测试了端对端的路径延迟测量和时间同步。仿真结果表明,多端口的时间感知系统设计,能够在多节点组成的不同网络拓扑中正确的选择出最佳主时钟。实验结果表明,本文设计并实现的时间感知系统减小了路径延迟测量的误差,时间同步达到了亚微秒级的精度。
【图文】：

报文,报文头,信息表示,数据段

报文体和报文扩展域，报文长度通常包含 reserved 预留字节。（5）domainNumber：表示域号，用来表示报文发送设备所属的 gPTP 域。（6）flags：占用两个字节表示网络的节点的一些特性，其中每个字节的每一位表示节点的一种特性。（7）correctionField：该字段表示报文驻留时间校正域，驻留时间的单位是 ns，通过校正域值乘以 216计算出。通常 correctionField 域的取值与报文的类型有关。（8）sourcePortIdentity：表示报文发送端口的信息，包含了端口号和 ClockIdentity，端口号用来区分同一个节点的不同端口，ClockIdentity 用来区分不同的网络节点。（9）sequenceId：表示报文的序列号，同一种报文每发送一次 sequenceId 加一。（10）Control：用来表示硬件兼容，其值与报文类型有关。（11）logMessageInterval：报文发送间隔的对数形式，通常由时间间隔换算：logMessageInterval = log2Interval其中 Interval 单位为纳秒表示报文发送时间间隔，，对数的表示形式减小了报文长度。(2-1)

时间感,系统框架

1AS 的时间感知系统设计17图3.2 时间感知系统框架如图 3.2 所示，SiteSync 实体在时间感知系统中根据 BMCA 的结果决定数据的流转，一个时间感知系统在 gPTP 域中扮演的角色决定其数据流转的方向。根据 BMCA的结果和时间感知系统所在节点的属性，数据流转通常有以下四种情况：(1) 当该时间感知系统在 gPTP 域中为 GM 时，ClockMaster 定时发送时钟源的时间信息信息给 SiteSync，然后 SiteSync 将时间信息发送给 ClockSlave 供时间敏感应用使用，并通过端口和 MD 将时间信息发送给 gPTP 域中相连的时间感知系统。(2) 当该时间感知系统在 gPTP 域是一个非 GM 的桥时，该系统通过 MD 实体接收时间同步报文
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.8

【参考文献】