（通信与信息系统专业论文）以太网时钟同步技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 以太网同步技术是近年来的研究热点之一，其应用前景十分广泛。i e e e1 5 8 8 所规范 的精确定时协议( p t p ) 是较为成熟的以太网同步技术之一，具有良好的同步性能、优异 的可扩展性和易于应用于推广的特点。 本文首先分析了时钟同步的一般概念、常用的时钟同步技术和以太网的实时性能，接 着对比研究了n t p 和p t p 协议的功能和流程，然后描述了在n s 2 平台下p t p 的仿真设计 和实现方案，并通过仿真实验研究了p t p 协议在以太网环境中的同步性能，最后提出了非 对称链路情况下的一种改进型p t p 协议，并进行了仿真研究。 研究表明，i e e e1 5 8 8p t p 协议在以太网上具有极佳的同步性能，其同步精度可以达 到n s 级别，并且具有良好的抗噪能力。研究还表明，i e e e1 5 8 8p t p 协议在非对称链路上 的同步性能大幅度降低，而改进型的p t p 协议可达亚微秒级别，满足一般情况下对同步精 度的要求。 关键词以太网，定时同步，i e e e1 5 8 8 ，仿真，同步性能 南京j l i i n ! 人学硕j ：研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e t h e r n e ts y n c h r o n i z a t i o ni so n eo fa c t i v er e s e a r c h i n gt o p i c si nr e c e n ty e a r s ，a n dh a s p r o s p e r o u sa p p l i c a t i o n si nf u t u r e i e e e15 8 8p t p i so n eo ft h ep r a c t i c ee t h e r n e ts y n c h r o n i z a t i o n t e c h n i q u e s ，a n di t sq u i t eg o o ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dr e a d ye x t e n s i b i l i t ym a k ei t a p p l i c a b l ef o ri m p l e m e n t a t i o na n de x t e n s i o n t h i st h e s i sa n a l y s e sa tf i r s ts o m ef u n d a m e n t a lt e c h n i q u e so fn e t w o r k ss y n c h r o n i z a t i o n f o l l o w e db yac o m p a r i s o no nt h ef u n c t i o n a l i t ya n dp r o t o c o lp r o c e d u r e sa b o u tn t pa n dp t ea d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h e sa r ep r e s e n t e df o rt h es i m u l a t i o no fp t pb a s e do nn s 2 a ne x p e r i m e n t a ls t u d yi sr e p o r t e dt ov e r i f yt h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eo fan e t w o r k e m p l o y i n gp t p - a tl a s t o n ei m p r o v e dp t pp r o t o c o li sp r o p o s e d f o rt h en e t w o r kw i t h a s y m m e t r i c a l1 i n k sa n ds i m u l a t e da l s ob yt h ee x t e n d e dn s 2 i ti ss h o w e dt h a ti e e e158 8p t ph a sag o o ds y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n ，w h i c hc a nb eb e l o w n a n o s e c o n d f o re t h e r n e ta n dat o l e r a n c ef o rn o i s eo fc l o c k s h o w e v e r , i ti sf o u n df r o m s i m u l a t i o nt h a tt h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c es h o w sr a p i dd e g r a d i n gf o ra s y m m e t r i c a ll i n k s t h ep r o p o s e di m p r o v e dp t pp r o t o c o lc a np r o v i d es u b m i c r o s e c o n dp r e c i s i o n ，w h i c hm e e t sm o s t c o m m o ns y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：e t h e r n e t ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，i e e e 15 8 8 ，s i m u l a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r m a n c e 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：一三丝日期：至孕乙兰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：逃导师签名： 日期： 南京邮l 乜人学硕j j 研究生学位论义 第一章绪论 第一章绪论 互联网上一般的计算机和互联设备在时间同步方面没有明确的性能要求，这些设备的 时钟振荡器工作在自由振荡状况。由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原 因，时钟的振荡频率和标准频率之间存在一些误差。根据误差的来源、现象和结果，可以 按固有的或者外来的、短期的或者长期的、以及随机的或者固定的等进行分类。这些误差 初看起来似乎微不足道，而在长期积累后会产生相当大的影响。 在互联网以及通信网络上进行时间同步的研究具有重要的意义。互联网起源于军事用 途明显的a 砌) a 网，在军事应用领域，时间从来就是一个非常重要的考虑因素。对于互联 网的时间同步和n t p 的研究，就是在美国国防部的资助下启动和进行的。随着互联网发展 和延伸到社会的各个方面，在网络的其它领域对时间同步也提出了多种要求，例如各种依 赖时间的实时网上交易、制造过程控制、网络安全性设计、分布性的网络计算和处理、交 通航班航路管理以及数据库文件管理和呼叫记录等多种涉及时间戳的应用，都需要精确、 可靠和公认的时间。 在通信网中也需要时钟同步网的支撑，随着通信新技术、新业务的飞速发展，通信网 带宽不断增加，传输速率不断提高，网问更加融合。目前，各项新的数据业务，如电子商 务、多媒体通信、i p 电话等，是电信业务发展的一个新增长点；而传统的t d m 业务以及通 信业务所涉及的安全、认证及计费等，都与一个共同的标志“时间”有着密切联系。通信 网内获得时i 日j 同步，要按照不同精度要求和稳定要求选择时间源，选择合适的时间传输技 术和校准方法。 1 1 论文研究背景 精确的同步和定时是计算机网络和互联网的关键技术。在各种通信协议中，基于 t c p i p 协议的以太网技术的应用得到了快速的发展。以太网的优点包括连接的节点数和传 送范围不受i i i i i i ，具有多种可供选择的传送介质，且以太网端口已成为p c 计算机的标准配 置，其速度也随处理器的发展得到相应的快速提升。以太网作为与i p 相伴成长起来的技术， 在局域网市场中己取得了绝对垄断性的地位，目前又开始渐渐向城域网、广域网渗透，其 应用环境发生了极大变化，并且显现出更为广阔的发展前景。但以太网也存在一定的缺陷， 主要体现在确定性和实时性方面。随着通信技术的不断提高，加上各种降低冲突域的技术， l 南京邮| 乜人学顾i j 研究生学位论义 第一章绪论 如今以太网的确定性、实时性在原有基础上已得到提高，并且开始广泛应用于计算机、通 信、测量与控制等领域。 时钟同步的目的是要将时间基准准确地传递到各控制点，传递并不困难，难于达到的 是传递的精度。为此，相关研究机构和商业组织发起成立了特别委员会，专门针对设备之 间的时钟同步问题进行研究，经过长时间的不断探索和试验取得了一定的成果【。 1 2 时钟同步概述 i 2 i 时钟同步的意义 计算机技术和通信技术在近2 0 多年罩取得了突飞猛进的发展。目前，许多应用系统和 应用软件都建立在分布式网络环境之上，如：i n t e r n e t 上采用的n t p 协议、网格和集群运 算、m i s 系统、安全认证等等。此时，如果没有一个统一的、准确的时钟，这些应用之间 很难f 常的协调工作和运行。通信网络和互联网中也需要可信赖的、精确的时钟源的支持， 诸如t d m 业务、事务的在线处理、存储文档的检索、电子邮件、多媒体应用等等。由于 异步通信网络的时钟同步过程是通过网络上信息的传输来完成的，而大量基于分组交换技 术的通信网络的传输延迟的不确定性和突发性使得时钟的传递和同步变得非常复杂，阻碍 了时钟同步技术的发展和应用。目前基于异步通信网络的时钟同步技术很难满足对时钟同 步精度要求很高的应用需求。时钟同步问题是一个很经典的问题，如何实现一个网络中多 个节点问的时钟同步，已经成为通信领域和计算机领域研究和关心的热点。有效的时钟同 步是通信网f 常运行的基础，是保障各种业务网运行质量的重要手段，也是系统进程之间 相互稳定、协调的工作的前提。 一般来说，基于异步通信网络环境的时钟同步的目标就是要保证分御在网络上的各个 节点具有一个统一的时间概念。目前，许多基于计算机网络的分布式应用都使用了时钟同 步技术。在i n t e r n e t 中，最典型的时钟同步应用就是简单网络时间协议( s i m p l en e t w o r k t i m ep r o t o c o l ：s n t p ) 和网络时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ：n t p ) 。时钟同步技术 的应用还包括：数据库一致性管理、版本的控制、并发控制、网格运算和集群运算等。许 多应用的运行效率还极大的依赖处理器之间时钟同步的质量。如分布式系统中的页面交 换、网格和集群运算的作业调度和管理等。其它的时钟同步技术的应用可参见参考文献1 2 j 。 我们可以把时钟同步系统看成是一个分稚式系统。系统中的时钟既是一个自治的实体， 同时也体现了时钟与时钟之间的相互协调的关系。即它们同时具有处理本地和全局的能 2 南京邮f 【l 火学硕i ：研究生学位论文 第一章绪论 力。既要体现时钟本身的自制性，同时也体现它们之间的相互关系。 1 2 2 时钟同步的分类 基于通信网络的计算机时钟同步模型可以分成两类：内部时钟同步和外部时钟同步。 内部时钟同步主要是指当系统中不存在标准时钟源的情况下，系统内部的时钟要具有 一致的时间观点。内部时钟同步是通过时钟节点之间大量的信息交换来完成的。它通常使 用三种通信模型：全部时钟信息分布模型( t c i d ) 、本地时钟信息分布模型( l c i d ) 和局部带 延时的时钟信息分布模型( p c i d ) t 3 1 。系统中的每个节点将采用这些通信模型，来获得其它 全部或部分时钟节点的时间信息，根据这些收集到的时间信息再计算出一个新的时间值。 在分布式应用和网格计算中，时间作为表示系统中各个事件的顺序关系是非常重要的。尽 管在内部时钟同步中，系统中的处理器不能够存取一个标准的时钟，但各个处理器之间可 通过信息的大量交换来修j 下和调整时间。 与内部时钟同步相比，外部时钟同步则是一个存在着一个或多个标准时间源的时钟同 步。我们把这个时间源叫做参考时钟或主时钟。对于外部时钟同步模型来说，拥有一个可 靠的时间基准是非常重要的。在实际应用中，外部时钟同步系统中通常都存在一个时间服 务器。这个服务器往往使用无线接收设备从标准的时间信号源接收标准时间，例如，全球 定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，这些系统通常采用一些时间标准，例如，国际原子时间 ( i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e ) 、协调世界时间( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ) 等【4 】。在i n t e r n e t 上 两个最常用的外部时钟同步协议是：s n t p ( s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) 和n t p ( n e t w o r k t i m ep r o t o c 0 1 ) ，它们都采用典型的c l i e n t s e r v e r 结构，是目前在i n t e r n e t 上应用最广的时钟 同步协议。但是由于存在网络通信延时的影响，使得这两个协议很难保证系统时钟调整的 精度，这也就是n t p 协议不能满足工业自动化等领域高精度时钟同步需求的原因。 时钟同步可以通过硬件或软件来实现。硬件时钟同步一般在每一个处理机上使用特殊 的同步硬件和专用的网络来实现处理器时钟之间的精确同步。软件时钟同步通常使用标准 的计算机网络或通信网络，通过互相交换带有时问戳的同步消息来实现时钟同步。尽管软 件时钟同步算法不需要一些特殊的硬件支持，但它却不能够提供像硬件时钟同步那样非常 精确的时钟同步。 除了硬件时钟同步和软件时钟同步外，还有混合时钟同步。混合时钟同步就是把硬件 时钟同步和软件时钟同步的优点结合起来。它主要有两种：一种是基于软件时钟同步的， 这种同步方法是在原有的软件同步方法中引入专用的硬件模块，实现原来由软件时钟同步 雨京邮l u 人学硕i j 研究生学位论义 第一章绪论 算法完成的功能。另外一种是分层式混合时钟同步。该同步将大规模分布式控制系统的结 点网络划分为多个网段，在每个网段设置一个结点为时间服务结点，在该结点上引入g p s 和u t c 接收机及其相应的时钟接口设备，实现不同网段的时钟同步。然后在每个网段内 部通过软件同步方法使本网段其它结点的时钟与本网段时间服务结点的时钟同步，从而使 得整个分布式网络时钟达到同步。混合同步方案的同步精度一般要比软件时钟同步精度 高，但比硬件时钟同步低，介于两者之间。 1 3 时钟同步研究现状 自上世纪八十年代丌始，随着计算机的普及和发展，在时钟同步方面的研究取得了很 大的进展，许多有关时钟同步问题的研究都受到政府的资助。例如美国国防部、美国航空 航天局资助了许多有关时钟同步方面的研究项目。1 9 8 8 年美国航空航天局发布的技术备忘 录n a s a t e c h n i c a lm e m o r a n d u m 中就有专门讨论时钟同步问题的论文“as u r v e yo f c o r r e c t f a u l t t o l e r a n tc l o c ks y n c h r o n i z m i o nt e c h n i q u e s ”。这篇综述性论文不仅详细地论述当前的各 种时钟同步技术和方法，更特别论述了有关时钟容错和修j 下方法问题，同时该论文还提出 了时钟同步领域未来的研究方向。 一般来说，在研究时钟同步问题时，我们往往认为时间是一个单调、连续的上升函数。 如果在系统中没有一个实际的全局时钟，那么系统中的各个节点可以通过交换彼此的时钟 信息来获得一个统一的时间值。 在1 9 9 5 年，美国c a l i f o r n i a 大学，两位在时钟同步研究领域具有很大影响力的专家 c h r i s t o ff e t z e r 和f l a v i uc r i s t i a n 发表了一篇名为“a no p t i m a li n t e m e tc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m 学术报告。报告中采用的收敛函数“微分容错中点收敛函数”能够保证最大限 度地优化系统的修正、评估最大漂移率和最大偏差，并给出了对应关系。 2 0 0 3 年，c h r i s t o f f e t z e r 和f l a v i uc r i s t i a n 又发表了一篇名为“p r o b a b i l i s t i ci n t e r n a lc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n 的学术报告。在此报告中，他们研究了在无边界通信延迟的情况下，使 用一个改进的概率论方法来读取远程时钟，并设计了一个容错的基于概率论的内部时钟同 步协议，此时系统内部的成员能够容忍任意的错误。由于采用的是基于概率论的方法来读 取时钟，所以它的精度要优于采用确定性算法进行时钟的远程读入。该同步协议另一个优 点就是采用一个线性方程来取代一个二次方程，来描述信息之间的交换过程，简化了问题。 此方法不仅有效的减少了读取时钟信息的数量，而且也能够实现信息的及时交换。 国内在时钟同步领域的研究起步相对较晚，部分相关的论文见参考文献【5 - 7 l 。目前大部 4 塑塞业! 坚叁兰竺! ：里坐! 竺堂垡笙茎 笙二主堕堡 分的研究内容还停留在对国外研究的介绍或对国外的某些时钟同步算法进行相应的改进。 文献【5 j 介绍了基于概率同步算法的计算机外时钟同步系统的设计，并推导了在网络延迟为 对数j 下态分布模型下的同步包数目的计算公式。文献【6 】主要介绍了广域网的时间同步算法， 并讨论了影响时间同步精度的主要技术问题。同时该论文也给出了基于网络时间服务协议 实现的结果和分析。文献1 7 j 首先研究了时钟同步系统的三个主要方面：同步模型、同步时 钟源和同步方法，然后讨论了应用最为广泛的绝对物理时钟同步系统的设计方法，并对其 中的两个核心算法c r i 算法和p c s 算法进行了详细的分析和性能比较。论文的最后还介绍 了基于网络时间协议( n t p ) 的同步技术及其软件实现。 1 4 本文的研究问题及贡献 本学位论文来源于由作者负责的南京邮电大学青蓝计划“无线局域网网同步技术及性 能研究 。 在两年多的时间罩，本人围绕论文的题目一方面对资料进行查阅和调研，另一方面对 相关理论进行了深入的学习和研究，加深了对以太网技术及其时钟同步技术的系统理解， 重点研究分析了i e e e1 5 8 8 标准的p t p 协议，在此基础上运用所掌握的工具，完成如下工作。 对以太网上的p t p 协议进行了n s 2 仿真，在调整各项参数的情况下对p t p 协议的同 步性能进行了分析。通过这些分析，发现p t p 协议对链路带宽、链路时延的要求不高，并 且拥有较好的抗噪声能力。 同时，在理想p t p 协议基础上，我们提出了一种适用于非对称链路环境下的改进型 p t p 协议，介绍了其算法，并在n s 2 中将其仿真实现。分析改进型p t p 协议和标准i e e e1 5 8 8 协议，观测两者在非对称链路情况下的性能。最后得出结论，所提出的改进型p t p 协议的 同步性能能够达到亚微妙级别，满足一般情况下对同步精度的要求。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章以太网及其同步技术 第二章以太网及其同步技术 2 1 以太网c s m a c d 机制 多年以前，以太网被认为不能用于工业自动化及控制领域，主要是因为以太网的 c d m a c d 方式不能保证网络传输时间的确定性，负荷重时网络的传输效率很低，所以以 太网的非实时性、无高层协议等都在制约着它在工业控制中的应用。另外工业以太网用作 过程控制领域的现场总线还要解决总线供电和本质安全问题，这也是目前正在研究的重要 问题1 9 】。 我们知道，以太网物理层和数据链路层是d i x 规范，该规范是d e c 、i n t e l 及x e r o x 三家公司合作公布的。在此基础上，1 9 8 2 年i e e e 制定了i e e e8 0 2 3 标准，后来该标准被 国际标准化组织采纳正式成为国际标准。严格来讲，以太网与i e e e8 0 2 3 在介质访问控制 层( m a c ) 上采用了相同的c s m a c d 协议和极为类似的帧格式，但并不完全相同，但人们 习惯上将i e e e8 0 2 3 标准即视为以太网【1 0 1 2 1 。 以太网标准只定义了物理层和数据链路层，但作为一个完整的通信系统，以太网需要 高层协议的支持。7 0 年代中期，美国国防部为其a r p a n e t 广域网( 现在的d a r p a n e t ) 开发了t c p i p 高层协议，将以太网作为其物理层和数据链路层的协议，这样以太网就和 t c p i p 协议紧密捆绑在一起了。 t c p i p 参考模型是a r p a n e t 和其后继的因特网使用的参考模型，t c p i p 参考模型 是当前使用最为广泛的参考模型之一，它主要由四层组成【1 3 】： ( 1 ) 应用层：包含所有的高层协议，例如f t p 协议、h t t p 协议等。 ( 2 ) 传输层：它的功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话，和o s i 模型 的传输层一样。该层定义了两个端到端的协议：传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议 d p ) ； ( 3 ) 互联网层：它是整个体系结构的关键部分，它的功能是使主机可以把分组发往任何 网络并使分组独立地传向目标( 可能经由不同的网络) 。p 协议就在这一层。 ( 4 ) 主机到网络层：t c p i p 参考模型并没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用 某些协议与网络连接。这一部分可以是以太网、令牌环、光纤网，也可以是x 2 5 、f r 、i s d n 、 a t m 等。 o s i 参考模型和t c p i p 参考模型有很多相似之处。它们都是基于独立的协议栈概念。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章以太网及其同步技术 而且，层的功能也大体相同。但是，除了基本的相似之处外，这两个模型也有很多差别， 图2 1 是o s i 参考模型和t c p i p 参考模型的比较。 o s it c m p 应用层 应用层 表示层 会话层 传输层传输层 网络层互联网层 数据链路层 主机到网络 物理层 模型中 不存在 图2 。lo s i 参考模型和t c p i p 参考模型的比较 e t h e m e t 所用的媒体访问法为带冲突检测的载波监听多路访i h - ( c s m a c d ) 机制。 载波监听：发送结点在发送信息帧前必须监听媒体是否处于空闲状态； 多路访问：多个节点可以同时访问媒体，通过竞争确定使用媒体的节点。一个节点发 送的信息帧可以被多个节点接收，通过地址( 单地址访问、组地址访问和广播地址访问) 来 确定信息帧的接收者； 冲突检测：发送节点在发送信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突，即 同一时刻其它节点是否也在发送信息。此时，信息在媒体上的重叠将使得接收结点无法获 得正确的接收结果。因为媒体上连接的所有工作站的发送都基于媒体上是否有载波，所以 称为载波监听多路访问( c s m a ) 。为保证这种操作机制能够运行，还需要具备检测有无碰 撞的机制，这便是碰撞检测( c d ) 。c s m a c d 是一种总线结构的网络，采用分布式控制方 法。附接在总线的各个节点通过竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的结点 才可以向总线发送信息帧，该信息帧被附接在总线上的所有节点感知。 c s m a c d 机制的数据发送过程，如图2 2 所示。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章以太网及其同步技术 图2 - 2c s m a c d 介质存取方法流程图 ( 1 ) 当某个节点有数据要发送时，媒体访问控制实体监听媒体，判断是否有信息在传 输； ( 2 ) 如果媒体上有信号在传输( 有载波) ，则继续监听； ( 3 ) 如果媒体上没有信号在传输，则发送数据，同时对媒体继续监听； ( 4 ) 如果发出的信息与监听到的信息一致，就认为数据发送是正确的，没有发生碰撞 冲突，完成发送任务； ( 5 ) 如果发出的信息与监听到的信息不一致，则认为发生了碰撞冲突，即同一时刻， 网上其它节点也在进行发送动作，此时立即停止发送过程，并向媒体发送拥挤信号，以使 其它节点也感知到冲突，并计算发送失败的次数； ( 6 ) 如果发送失败次数小于某个值域，根据失败次数和避退算法，生成某个随机等待 时间值，等待后，重新准备发送； ( 7 ) 如果失败的次数大于某个域值，停止发送尝试，并通知上层实体可能出现网络故 障。 c s m a c d 机制的数据接收过程 ( 1 ) 网上每个节点的m a c 实体都监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到m a c 帧； ( 2 ) 实体分析和判断帧中的接收地址，如果接收地址为本节点地址，则复制接收该帧， 否则简单地丢弃该帧数据； ( 3 ) 由于c s m a c d 控制方式的数据发送具有广播的特点，对于具有组地址或者广播 地址的数据帧，同时具有多个节点复制和接收该帧。 8 堕室些皇奎兰堡主翌壅竺堂垡丝茎釜三皇坠奎塑丝苎旦垄垫查 c s m c d 的特点： ( 1 ) 各节点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访问权利； ( 2 ) 网络维护方便，增加或者删除结点容易； ( 3 ) 节点少，或者信息发送不频繁时，效率较高；重负载时，冲突概率增加，难以估 计最坏情况下的发送延迟。 可见在c s m a c d 的冲突检测机制中，当冲突发生后，产生冲突的节点随机地等待一 定的时间导致了以太网的不确定性。由于以太网采用的正是这种随机访问协议，一般认为 它不能满足对实时性要求极高的应用。 2 2 以太网的实时性分析 实时性与传输时间的确定性存在紧密相关的关系。带冲突检测的载波监听多路访问协 议c s m m c d 访问方式呈现出以太网的一个基本问题。网络上的各站对总线“监听 以确 认总线是否空闲。如果空闲，它们就开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据， 冲突就产生了。在这一情况下，访问机制首先确保工作站停止传输数据，而后，根据预定 义的随机选择算法，工作站再次尝试发送数据。这个过程一直重复直至冲突消失。上述的 机制保证了数据的安全发送，可是从确定性行为的角度看来，这却是一个很大的障碍。因 为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控 制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。 2 2 1 以太网点到点通信延迟分析 从信息发送到信息接收之间的全部通信延迟，称作端到端的通信延迟。端到端通信延 迟是构成整个现场设备间信息交互时间的一个重要部分。如果不能满足端到端的通信延 迟，则无法保证任务的实时性。它主要包括下面几个部分。 1 排队延迟：从信息进入排队队列，到此信息获取通信网络所需的时间。排队延迟 主要由通信网络的媒体存取控n ( m a c ) 协议和相应的信息调度算法决定。主要是 由于多个节点同时发送数据，从而发生冲突，导致冲突节点等待重发。精确地分 析以太网的排队延迟十分复杂，而且由于存在数据被丢弃的现象，使得以太网的 排队延迟时间不确定，也无法给出一个上界。 2 发送延迟：从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结束所需的时 间。发送延迟主要取决于帧的长度和以太网的通信速率。对于1 0 m 以太网，最小 9 塑塞塑皇奎堂堡主堑壅竺堂垡丝奎 蔓三兰坠奎塑丝基旦垄垫查 帧长度为6 4 字节，其中数据部分为4 6 字节，若数据部分内容不足4 6 字节，则使 用填充字段来达到要求。规定最小帧长度是为了防止一个站点发送短帧时，在第 ，一比特尚未到达传输介质的最远端就已完成发送，可能造成有冲突发生却检测不 到的现象，同时也是为了区别有效帧和残余帧。随着以太网的通信速率的提高， 相应地必须增大最小帧长度或是减小传输介质最大长度。 3 传输延迟：信息在现场设备间传输所需的时间。传输延迟主要取决于信号的传输 速率，源节点和目的节点间的物理距离以及中继器的数目。在以太网上，信号的 传输速率一般为2 0 0 m u s ，一般的1 0 b a s e t 以太网的中继器具有2 u s 左右的延迟。 根据i e e e8 0 2 3 说明，对于传输介质的最大长度为2 5 0 0 m ，中间拥有4 个中继器 的1 0 m 以太网，网上任何两个节点间的传输延迟最大值不超过2 5 6 u s 。对于1 0 0 m 及更快的以太网，延迟大小基本相同，不同之处在于快速以太网的中继器一般具 有更小的延迟。若以太网上通信的两个节点间没有中继器，则传输延迟只有几个 微秒。 如果用，。，k 和k ，分别表示通信延迟、排队延迟、发送延迟和传输延 迟，则有= + 乙+ k 。 与排队延迟和发送延迟两项相比，传输延迟在整个端到端的通信延迟中所占的比例很 小。因此以太网端到端的通信延迟主要取决于排队延迟和发送大数据时的发送延迟，而且 主要和三个参数密切相关：节点数目、帧的长度和通信速率。 2 2 2 以太网的实时能力的改进 以太网本质上是不确定的。这里的“不确定是指数据传输的响应和时延“不可预测 和再现”。而以太网在工业控制以及通信等应用中必须具有很高的实时性和确定性。在理 论研究领域，对于以太网通信的延迟不确定性，国内外的学者提出了各种改进方法。这些 方法可分为两类：硬实时改进方法和软实时改进方法。所谓硬实时方法，是指通过设计适 当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速率，来减少网络碰撞和排队延迟，以满足通 信的实时性。但与目前广泛使用的以太网标准相比，这种方法大大增加了节点的硬件成本， 不利于大面积推广应用。所谓软实时改进方法，是指在不增加节点成本的同时，用软件调 度策略对c s m a c d 机制进行改进，以提高通信的实时性。这种方法又可分为冲突避免和 冲突解决两种。 在冲突避免方面，最直接的方法是采用时分多路获取策略f r o m a ) ，事先给每个节点 妻塞墅皇奎兰堡主里茎竺堂焦笙壅 笙三皇坠奎塑墨茎旦垄垫查 预先分配一定的带宽，节点只有在分配给它的固定时间内才能向网络发送信息，从而保证 每个节点的确定发送时间。由于t d m a 不能反映每个节点的实际带宽需求，又产生了可预 测c s m a - p c s m a ，在假定所有实时信息都是周期性的情况下，对信息的时态特征进行静 态调度。 在冲突解决方面，最具有代表性的方法是c s m a d c r 及其改进型c s m a m d c r 、 c s m a l d c r 。当冲突发生时，c s m a d c r 采用确定性的二叉树寻址方法，依照节点地址 采取先序遍历的方式解决冲突。在c s m a m d c r 中，发送时间被分为信息通知和信息发 送两个部分，当某节点的信息通知成功后，它可以连续发送几个信息。c s m a l d c r 采用 动态二叉树寻址来解决冲突，只有当信息的松弛期小于某个限定值时才发送该信息，其实 质是动态分配优先级。此外，二进制对数判定法( b e a m ) 和改进二进制指数后退算法，也 可以有效地减少报文延迟，提高以太网的实时性。 上述方法都是以改变以太网结构为代价。在不改变原有结构条件下，通过适当的信息 调度方法，并且合理利用以太网的特性，也可以在一定程度上满足通信延迟的确定性要求。 典型的方法有虚拟时间协议、窗口协议和通信平滑等方法。 虚拟时间协议的实质是信息延迟发送，信息延迟发送时间是该信息某个时间参数的函 数值，例如截止期、松弛期和优先级等。该方法的缺点是节点以前信息发送的状态无法记 录。 在窗口协议中，每个节点都具有全网段相同的窗口，只有当信息落入窗口中，该信息 才可以发送。通过在全网段采取完全一致的放大、缩小和移动窗口等行为，可以有效地限 制同时发送信息的个数，进而减少、避免或者解决冲突。 通信平滑方法在t c p ( u d p ) i p 层与m a c 层之间增加所谓的通信过滤器，平滑非实时 信息流以减少和实时信息的冲突。通信平滑方法又有静态平滑和自适应平滑两种。前者通 过离线给每个节点分配信息发送的频率，其缺点是对网络资源的利用率不高；后者则是通 过网络负荷的在线监测，动态地分配节点信息发送的频率。 随着互联网技术的发展和普及推广，以太网技术在近几年也得到了迅速发展，出现了 交换技术、全双工通信、虚拟局域网( v l a n ) 、信息优先级、流量控制、自动负载平衡、自 动协商、服务质量( q o s ) 等一些新技术。以太网的通信速率也从1 0 m b p s 提高到1 g b p s ，甚 至到目前的1 0 g b p s ，这些都为提高以太网实时性提供了新的途径。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章以太网及其同步技术 2 3 以太网中的时钟同步技术 分布式系统中，时钟同步是核心技术之一。现有的各种分布式系统都提供了相应的时 间同步机制。随着网络应用的不断深入，很多领域根据需要开发了能够完成一定功能的分 布式网络系统。构造时钟系统来为不同的分布式网络系统提供有效的时间服务，是分布式 系统网络实时调度的保证。目前，在以太网上普遍采用的时钟同步协议是网络时间协议 n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o e 0 1 ) b 4 】。 t c p i p 协议中已经提供了几个用于记录和发送时间的机制。1 9 8 3 年提出时间协议 ( t i m ep r o t o c 0 1 ) ，该协议可以在t c p u d p 协议之上，来实现网络中时间的查询和同步，可 以精确到一秒。除此之外，还出现了d a y t i m e 协议和i p 时间戳选项等网络时间同步技术。 n t p 协议就是从这些机制演化而来的，该协议的主要开发者是美国特拉华大学的d a v i d l m i l l s 教授，它工作在口协议和u d p 协议之上，目的是在分散的，包括很多网关和不可 靠子网的i n t e m e t 环境中提供精确的时间服务：另外，网络时间协议还通过统计学技术提 高时间估计的有效性，通过多个时间参考源来保证时间同步应用的可靠性。n t p 采用了 c l i e n t s e r v e r 结构，具有相当高的灵活性，可以适应各种互联网环境。n t p 产生的网络开 销甚少，并具有保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使n t p 可以在互联网上获取可 靠和精确的时间同步，它同时是一个跨越局域网或广域网的复杂的同步时间协议，因而 n t p 成为互联网上公认的时间同步协议。 2 4 1n t p 网络拓扑 n t p 协议通常在可信任的时间服务器和客户端间实现时钟同步时得到大量的应用。同 时，在一个包含交换机、路由器等网络设备不是太多的本地化网络中，n t p 协议能达到1 0 毫秒的精确度。纵观全球英特网中对n t p 协议的大量研究发现，绝大多数n t p 时钟与它 们的时钟源间能达到2 1 毫秒的精度，而平均值在2 9 毫秒。n t p 采用一种分层的同步结构， 如图2 3 所示。也就是说，在一种树形分等级的网络模型中上级时间服务器向其下级时间 服务器授时。时间同步网络理论上根据其精确度和重要性一般分为从o 一1 5 的共1 6 个级 别或更多级，实际上不会大于6 级。级别编码越低，精确度和重要性越高。时间的分配自 级别编码小的层次向较大的层次进行，即由第o 级向第1 5 级分配渗透。第o 级设备处于 该层次结构的特殊位置，是时间同步网络的基准时间参考源。它位于子网络的顶端，目前 普遍采用全球卫星定位系统，即由g p s 播发的u t c 时间代码，它本身并不具有n t p 的功 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章以太网及其同步技术 能。子网络中的设备可以扮演多重角色。例如一个第二层的设备，对于第一层来说是客户 机，对于第三层可能是服务器，对于同层的设备则可以是对等机。这里对等机的含义是相 互用n t p 进行同步的计算设备。 第0 层 第l 层 第2 层 户机 ； 。一。- 。o _ ； l 第i 层 第i + 1 层 2 4 2n t p 通信模式 s e n c e r s e l v e rs e r v e r 时间服务器及n t p 客户机 时间服务器或n t p 客户机 图2 3n t p 分层同步结构图 ( i = 1 4 为客户机) n t p 以客户机和服务器方式进行通信。每次通信包括两个数据包，即客户机发送一个 请求数据包，服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有时间戳。n t p 根据这 两个数据包携带的时间戳确定时间误差，并通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的 影响。 在数据包的传送方式上，有客户机服务器模式，对称模式以及多个客户机对一个服务 器的广播多播模式。客户机朋艮务器模式采用一对一连接，客户机可以被服务器同步，服 务器不能被客户机同步。对称模式与客户机服务器模式基本相同，但双方均可同步对方或 被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方则工作在被动模式下。 广播多播模式是一对多的连接，服务器周期性的主动发出时间信息，客户机据此信息调整 自己的时间，由于忽略网络时延，精度较低，适用于高速局域网。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章以太网及其同步技术 2 4 3n t p 同步算法基本原理 n t p 协议的时间同步工作是通过网络实现的，而网络传输是需要时间的。这样客户机 接收到服务器回送报文中的时间戳，并不能代表服务器当前的准确时间，而是一段时间之 前的时间信息，这一段时间就是网络传送所花费的时间。因此，要获得准确的当前时间就 必须考虑要网络延迟造成的影响。如果仅仅依靠网络的单程传送来获取网络的延迟信息也 是不精确的，这是因为同步两端的时钟是不一致的，仅仅依靠两个时间戳是不能确定网络 延迟的。实际上，可以通过计算报文的来回程时间来估计网络延迟。 n t p 协议的基本原理用图2 - 4 来解释。 客户端 服务器 c t 2 t i m e 图2 - 4 n t p 协议基本原理图 时间偏移量的计算通过两个来自服务器、两个来自客户端的四个时间戳即可得出。客 户端向服务器发送一个n t p _ r e q 报文，其中包含了时间戳c 石( 以客户端时间系统为参照) 。 服务器收到该报文后产生一个时间戳蹋( 以服务器方时间系统为参照) 。接着，服务器向客 户端响应个n t p _ r e s p 报文，时间戳为踢。客户端接受到n t p _ r e s p 报文瞬间产生时间 戳c 乃。为此，得到如下计算式： 踞= c 互+ d b + 。：岱 ( 2 1 ) c 乃= 踢+ + ( 2 2 ) ( 2 1 ) 式中为客户端到服务器的网络延迟，为客户端到服务器参考钟的时间偏 差；( 2 2 ) 式中为服务器到客户端的网络延迟，为服务器到客户端参考钟的时间偏差。 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式相加，又因为= 一，得到往返延迟为： 1 4 t 粤跚q 恕 ，1 n 胛弛 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章以太网及其同步技术 d k + d b = ( s 五一c 五) + ( c 互一s 瓦) ( 2 3 ) 假设往和返的延迟相同= ，用( 2 2 ) 式去减去( 2 1 ) 式得到客户端到服务器参考钟 的时间偏差为： = 盟型掣 ( 2 4 ) 可以看到，往返延迟和时间偏差只与蹋、c 石和踢、c r = 的差值相关，而与蹋、踢 的差值无关，即最终的结果与服务器处理请求所需要的时间r e q u e s tp r o c e s s i n g 无关。客户 端即可通过这4 个时间戳计算出的时间偏差去调整本地时钟。 近年来工业以太网领域还提出了的p t p 协议，并得到广泛应用，其同步性能优于n t p ， 将在第三章进行详细研究和分析。 2 4 本章小结 本章介绍了以太网及其同步技术，首先对以太网进行了总体的介绍，重点说明了以太 网c s m a c d 工作机制。在此基础上对以太网的实时性进行了分析，主要针对点到点通信 延迟分析，并说明了以太网实时能力的改进。接着本章重点说明了在以太网上普遍采用的 同步协议n t p 网络时间协议，包括其网络拓扑，通信模式以及同步算法原理。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章精确时钟同步技术 第三章精确时钟同步技术 在通信领域，“同步 概念是指频率的同步，即网络各个结点的时钟频率和相位同步， 其误差应符合标准的规定。如果通信网中实现了