基于最小二乘法精确时钟同步算法研究与实现.pdf

基于最小二乘法精确时钟 同步算法研 究与实现 沈夏闰 等 基于最小二乘法精确时钟同步算法研究与实现 沈夏 闰 谭南林 张建斌 北京交通大学机械与电子控制5 程学院 北京 1 0 0 0 4 4 摘 要 在深入地研究P T P 时钟 同步机理 的前提下 仔细分析 了时钟偏差产生的原因 并引入 了基于最小二 乘法 的频率补偿算法来校 正相对时钟漂移偏差 在搭建的以太 网精确时钟同步平台基础上 通过实验验证 了该算 法 的可行性 结果表 明 该算法的引人大大地提高了P T P 的同步精度 关键词 时钟 同步 最 小二乘法 以太 网 A R M A b strac t O n the prem i se of tho ro u gh stud y i n g the cl o ck syn chroni z ati on m ech an i sm of PT P th i s p aper c arefu l l y an al yzed th e reaso ns of th e cl o ck off set i ntrodu ce s freq u ency com pe n sati on algori thmbased Oi l l east squ are m eth o d to c orrec tth e rel ati ve cl oc k dri ft o ff set on th e b asi s o f th e E th em et accu rate cl oc k syn chro ni zati o n p l atf orm thro ug h ex pe ri m ent v eri fy th e feas i b i l i ty o f th e alg ori thm T he expe ri m en tal re su l ts sh o w th at thi s al go ri th mgreatl y i m pro ves th e P T P syn chro no us p rec i si on K ey w o rd s C l ock syn chron i z ati on L eas t Squ are M eth od E th ernet A R M 中图分类号 TP393 11 文献标识码 B 文章编号 1 001 9227 201 2 04 01 48 04 0 引言 以太 网以其高速 大容量 远程访 问等的特 点势必在 不久将来取代现有的T C N 国际上包括国内目前正在研 究 基 于以太 网的列车通信 网络 而 以太网在其速度快 容量 大的同时 它实时性的弱 点在列车通信 网络 尤其是控制 信息传输的过程中是不能得到满足 的 IEEE l 588 精确时 钟 同步协议P T P 以其高精度 低成本 方便安装与维护等 优 点 在 许 多 领 域 得 到 了广 泛 应 用 本 文 通 过 分 析 I E EE 1 5 8 8 时钟同步原理 提出时钟同步的最小二乘算法 构 建平台进行 了实验和分析 1 PTP 同步原理及实现 1 1 PT P原理以及同步过程 依照 IEEE 1 588 标准 所有时钟 同步报文 当然也包 括管理报文 的传输都以UDP方式进行 UDP是TCP IP 协议 族 中I P 与上层协议的接 口 在TCP IP 协议 四层模型中属 于传输层协议 IEEE 1 588标准使用UDP 广播时钟同步报 文 从而实现主时钟与多个从时钟之间的时钟 同步 根据TCP IP 协议 时钟同步报文 的传输将在 TCP IP 协 议四层模型中逐层进行 首先 时钟 同步报文在应用层 被应用程序填充后发送 然后 操作系统的网络 协议栈在 传输层上对报文按u D P 格式进行封装 封装好的报文到达 网络层时再一次加入 IP 报头等信息 进行 IP 封装 然后向 链路层投递 最后 当经过 I P 封装 的时钟同步报文到达链 路层时 还要通过 网络接 口卡的处理 将报文 中的数据转 换成适合物理介质传输的电平信号 然后发送到物理传输 介质上 P T P 协议的时钟 同步过程分为两个阶段 偏移测量 阶段和延 时测量阶段 如 图1 所示 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 5 作者简介 沈夏闰 1 9 8 7一 男 浙江嘉兴人 硕士 主要研究 方 向 为轨 道 交通 控 制 与安 全 1 4 8 r 慵牡 洲敞旺 牲 地避 俺垃牲 T T 时 钟般 汀 D 型 璺 一 T 一 一 肮刊冲撞褂r 图l 时钟同步过程示意图 1 偏移测量阶段 偏移测量 是指测量主时钟 与从时钟之间 的时间偏移 量 并在 从时钟上消除这些偏移 第一步 主 时钟采用多播方式周期性地 默认为 2 s 向网络上发布SY n C 报文 并在报文离开PTP 端 口时 记录 S Yn C 报文的发送时间T 1 从时钟接收S Yn c 报文 记录下 SYnc 报文的接收时间T2 第二步 主时钟向网络以广播形式发布 Fo l l ow Up 报 文 报文中包含主时钟 sYl qC 报文的发送时间戳T 1 的值 从 时钟接收Fol l OW UP 报文 从中得到T1 2 延时测量阶段 延 时测量阶段 用于确定主 从时钟 间帧 传输 中的网 络 延 时 第 一 步 从 时 钟 采 用 单 播 方 式 向 主 时 钟 发 送 D e l a y Req报文 并记录下D e Jay Req报文的发送时间T3 主时钟接收D e l ay Req 报文 并在报文接收过程中记录下 D e 1 a y Re q报文的接收时间T4 第 二 步 主 时 钟 采 用 单 播 方 式 向 从 时 钟 发 送 D e J a y Resp报文 其中包含从时钟刚发来的D ay Req 报 文的接收时间T4 的1直 从时钟接收De1ay Re sp报文 从中 得到T4 的值 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 自动化与仪器仪表 20 12 年第 4 期 总第 162 期 以上所提到 的时 间均 是由位 于时钟节点物理层 附近 的时标生成器在报文进入或离开P T P 端 口时产生 目的是 避免操 作系统协议栈的延迟 如果假设主 从时钟间偏差 恒定 传输 路径对 称 则 D el ay 一 Offset 1 Offset D el ay 2 其中Del ay 表示报文传输的网络延时 0ffSet表示主 从 时钟 的偏差 从而得到 Delay 互 墨 2 2 4 得到 了从时钟 与主时钟 间的偏 差 就可采用适 当 的 调节算法来调节从时钟 最 终使得从 时钟 同步于主时钟 1 2从时钟补偿算法的原理 IEEE 1 588 协议提供了基于以太网的时钟同步方法 但 没提供从时钟 的补偿方法 通常采用 的时钟偏差补偿方式 容易使从时钟 出现较大 的时间波动 而时间的大幅波动会 使 列车 网络 中确定性通信 发生紊 乱 影 响列 车 的安全 稳 定 有必要对时钟补偿方式进行深入探讨 使时钟同步更 加精确 相对 于直接 补偿方式下 的时间突变 改进的思路 就 是采用渐近的时间补偿方式 即从时钟在计算出时间差值 后不直接对 自身时间进行加减运算 而是根据偏差值的大 小逐步 的增加或者减少 自身时间直到与主时钟相同 而从 时钟补偿值的计算需要由偏移值和延时值来计算 而时钟 偏移的测量和传输延时的测量是相互影响的 要经过多次 测量和计算 才会收敛到接近于真实值 从时钟补偿算法 要求对 时钟相对漂移量进行实时估计 下面将引入最小二 乘法 的曲线拟合方法来 求解从时钟与主时钟之 间的相对 漂移量 假设主时钟 Tm f 从时钟为Ts i y 则主从偏差为 A f 一E O 对测得的离散数据 X i i 1 2 II1 取 上基P 拟合多项式 a o lx a2x anX 使得 E2 ao 一 E ao alx 02 anX 一 5 i O f O 在P 上达到极小值 因此 a0 aJ a2 an满足下式 q an E x y j o l 2 6 i 0 l 0 i 0 i O 该n 1 阶线性方程组通过矩阵表示为 m l 0 薯 0 i 0 m f 0 n i 0 Z n f一 0 fz 0 1 0 若令 q 卅 枷 xiY 0 xTy i 0 A 1 1 X2 X 1 x m X 2 f1 x n m a o q a 则式 7 可表示为 A A a A Y 8 式 8 称为多项式拟合的法方程组 从而得到参数 的最佳估计值 fA 14 A Y 9 为防止正规方程 组 由于拟合多项式次数太 高产生病 态的情况和减小计算量的规模 所 以拟合次数一般选定为 n 6 这里将多项式的拟合次数设定为3 次 时钟同步精 度就可 以达 到微秒 级 2 以太网PTP ETHER通信节点设计 2 1 PTP ETHER 通信节点硬件设计 本文采用的MCU 为STM32F107VC 是一款基于Cortex M 3 内核的专用于网络互联的A R i处理器 芯片内部支持 I EEE 1 588 时间戳标记功能 并提供以太网通信及时钟同步 所需的完整固件库 设计 电路时只需在M C u 外增加一个以 太网收发器即可 布线简单且通信节点更可靠 如图2 所示 O 排 a t 舟 鹰访问控糖 醣 井置 Iy 控捌翱 赣式 1 I C孽瞠 机击 寄存曩 寄群嚣 三 嚣 I 挂麓膏存 l 一 一 硼 鬲 J 型 啦 司 MDIo 图2 STM32F l O7VC 以太网模块 PTP ETHER通信节点实现了1 o 1 OOM 以太网通信 支持 IEEE1 588v 1 2002 精确时钟同步协议 扩展有两路串口 C A N 总线接 口 可用于列车级总线 车辆级总线通信节点 同时具有以太网和 C A N 总线之间通信的转换功能 硬件结 构框图如图3 所示 7 图3 PTP ETHER 置信节点硬件结构图 STM32F 107 片内以太网控制器必须外接以太网收发器 才能完成以太网通信 本节点收发器选用N S 的3P 83848 单路低功耗10 100M 以太网收发器 可RMII或者MII方式与 MCU 相连 本文采用RMII方式 精简介质独立接口 仅需要 14 9 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 基于最小二乘法精确时钟 同步算法研究与实现 沈夏 闰 等 8 跟线 这样可 以简化芯片之间的连线 提高板卡的可靠 性 增 强高速通信 过程中 电磁兼容性 2 2操作 系统和协议栈的移植 由于 uCO S II的开源 较好的实时性和较短的开发周 期 使其在嵌入式系统 中得到广泛应用 因此本文选用 COS II作为实时操作系统嵌入到PTP ETHER 通信节点中 在此基础上实现TCP IP 协议 在底层嵌入 自己设计的网络 通信实时调度模块 完成列车 网络通信 的实 时 确定性通 信 1 tCO S II操作系统 的可移植性很强 在不同平 台的 M C u 上步骤基本一致 本文通过 以下步骤实现 了在 P T P E T H E R 平台的移植 P T P E TH E R 通信节点是基于M D K Real Vi ew 编译器完成的 1 定义与编译器相关的数据类型 共有十一种数据 类型需要定义 两类编译器的都使用标准的 c 语言 所 以 数据类 型定义也 完全 相同 2 定义系统处于临界状态时的两个宏来禁止和允许 中 def i ne O S E N T E R CR IT ICAL 0 cpu s r O S C P U S R S ave 0 def i ne OS E X I T CRITICA L 0 O S C P U Restore cpu sr 3 定义栈的增长方式 u C 0s II中用变量0S ST K GROWTH 来指定堆栈的增长方式 为l 时表示堆栈从上往下 增长 为0 时表示堆栈从下往上增长 4 在OS CPU A ASM 中用汇编语言编写 4个与处理器 相关的函数 分别是 0s SStartHi ghl dy 运行优先级 最高的就绪状态任务 0S CtxSw 任务优先级切换函数 0S Ini rexi t 0 中断级的任务切换函数 0S Ti ckISR 0 时钟节拍 中断服务 函数 5 在OS CPU C C 中移植C语言编写的6个操作系统相 关 的 函 数 最 重 要 的 是 进 行 任 务 堆 栈 初 始 化 函 数 0STask Stk In i t 2 3 T P IP和PTP协议栈的移植 本课题设计的列车通信网络仅仅用到了TCP LIDP IP ARP ICMP 这几个协议 但由于协议的复杂性 短时间内完 成移植 比较困难 本文参考了已经运用成熟的TcP IP 协议 栈LwIP1 2 0 剪裁掉无关协议 嵌入到PTP ETttTER两个节 点 中 I E E E l 5 8 8 协议规定时钟节点在某一 时刻处 于 P T P F A U L T Y P T P L I S T E N I N G P T P M A S T E R P T P S L A V E PTP INITIALIZING等九种状态 根据列车通信网络的特 点 实现 列车 网络通信的同步只需要初始化状态 故障状 态 监 听状态 主 时钟状态 从时钟状态五种状态即可 根 据普通时钟模 型 P T P 协议栈的实现主要有 报文发送模 块 设计和报文接 收模块 设计 报文发送模块设计 协议主要完成P T P 报文 的周期性 发送 接 收 相应 的判 断 处理 如发送 的四种报文 函数 如下 VO i d PTP S en d PTP SYNC MESSAGE 发送S ync 报 文 V O i d P TP S end P TP FO LLOW MES SAGE 发送 F ol l ow Up 报文 v o i d P TP S en d D e l a y Req 0 发送Del ay Req报文 v o i d P T P S e n d D e l a y l esp 0 发送Del ay R es 报文 报文接收模块设计 负责所有同步报文的接收 判断 l 5O 报文 C 0 11tr o l 标志位 得出接收到的同步报文类 型 根据 不同的报文类型调用不 同的接收函数 四种 同步报文接收 函数定义如 下 V o i d P T P I EC V SYNC Sync报文接收 V o i d P T P R E C V D E L A Y R EQ 0 De l ay Req报文接收 vo i d P T P R E C V F OLLOWUP 0 Fol l ow Up报文接收 vo i d PT P R E C V DELAYRESP 0 De l ay Resp报文接收 3 测试及实验结果 STM32F107VC 微处理器内置一个PPS 秒脉冲 输出模 块 可以用来测试全部网络 节点直接 的同步效果 连接到 示波器上可以测量 网络节点之间的时钟差别 P P S 输出的 脉冲宽度为 125ms 首先测量 了未进行 同步时网络中各节点 PP S 脉冲输出 情况 如图4 a b 所示 b 图4时钟同步前的通信节点PPS输出 每个通道显示5 个PPS 脉冲 时间轴间隔为500ms 观 察可知三个脉冲节点之间有较大时间差 利用示波器时间 测量功能得到主 从时钟的PPS 上升沿差值约为300ms 三 个节点处于非同步状态 然后 在 网络 中所有通信节 点运 行根据I EEE 1 588 协议开发的PTP 协议栈 整个通信网络上 电运行一小时后 利用泰克示波器捕捉通信节点输出的PPS 当把示波器时间轴间隔调整为 50OmS 时 如图5 a 所 示 观察可得 网络中三个通信节点发 出的秒脉冲基本在同 一 时刻 但仍无法确认 各节 点之间的 同步精度 b 图5时钟同步后的PPS脉冲输出 进一步把示波器时间轴间隔调为250uS 如图3 2 b 所示 观察发现三个脉冲的上升沿基本在 同一时刻 说 明 同步精度 已经达到 了微妙 级 继续调整时间轴 间隔 把示 波器 时间轴间隔调整为2 5 0 rl S 设置好触发条件 捕捉三 个通信节点的P PS 脉冲的上升沿 得到图6 圜 一 a b 图6网络各时钟节点偏差精确测量 由图6 a b 可知 当示波器时间格调整为250nS 时 可清 楚的看 出三个通信节点输出的P P S 脉冲有 明显的偏 差 图中显示的是以Ctt1通道的PPS 脉冲作为触发源且Ctt1 下转第1 5 3 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 自动化与仪器仪表 20 12 年第 4 期 总第 l 62 期 G etU serF i 1ter getUsername Fi Iter protected 术 这里 protected 术 表示 针对受保护的系统需要使用到该Fi l t er 从而获取到登录 系统的用户名 这里配置的过滤条件是针对假定的E R P 系 统 只有在条 目下的S y SU S e r 用户能够访问 其他用户则 没有权限使用 这时回到主页 点击E RP 系统 这时先前配 置的F i 1ter 发现KSERNA用户没有使用该系统的权限 弹出 提示用 户没有使用权 限 如果使用JZHANG 用户登录系统 那么按照前面u Ser Permi ssi onFi i ter 的设置 JZHANG用户在SysUser这个规则 下 那么该用户就能够正常登录 E R P 和员工管理系统 4 结 语 本系统中CA S 负责对用户的认证 L DA P 负责对用户库 的管理 目前 单点登录已在E RP 系统上成功部署 对于单 点登录这个概念不仅仅是使用C A S 来实现 目前还有很多 组织也开发 了基 于单点登录的系统 就C A S 来讲 其配置 和使 用还是 比较复杂 基 本使用 该系统作 为单点登录来 讲 用户能够实现所期望的效果 但是 由于该系统使用 了 spri ng进行开发 所以如果对于spri ng 没有了解过的开发 人员来讲还是存在一定的使用困难 对于本文来讲完成了 如下几个研究点 目录服务器 的安装与配置 数字证 书的 配置 CA S 服务端和客户端的配置 基于JavaEE 项 目 参考 文献 1 淡 艳 尹 谦 单点登录系统模型分析 J 成都大学学报 自然 科 学版 2008 27 2 2 周文静 基于CAS 的Web SSO 模型的一种实验性开发 J 上海工 程技术大学学报 2009 23 2 165 169 3 万灿军 李长云 开放网络环境中面向信任的单点登录 J 计算 机工程 2O10 36 3 4 张齐 钟观宝 基于用户映射的CAS 单点登录系统设计与实现 J 信息通信技术 2009 4 5 裘慧奇 统一身份认证和单点登录系统分析 J 电脑知识与技 术 2008 13 6 钟林栖 基于CA S 协议的单点登录系统的研究 D 四川 I大学 2006 7 谭金府 基于SSL 的SSO 系统的研究与实现 D 上海 上海海事 大学 2007 8 薛峰 张佑生 王敏 Tomcat4 中单向SSL 认证的原理及配置 A 全国第十五届计算机科学与技术应用学术会议论文集 C 200 3 年 上接第1 5 0 页 为主 时钟节点 利用示波器偏差测量工具 可得到三个通 信 节点之间的偏差值 分别为 一 l 一270ns 一 2 一140 ns 1 一 2 1 20ns 即从节点1 比主节点约快2 70n s 从节点2 比主时钟约 快140nS 从节点2 比从节点1约慢 12OnS 由此知主从时钟 之间同步精度在亚微秒 符合 I EEE l 588 时钟 同步协议的要 求 为了进一步掌握网络 中主从时钟同步性能 用示波器 进行多次误差测量 将整个网络持续运行 2 4 小时后 每十 分钟测量一次时钟偏差 连续测量五小 时共测 出六十组数 据 将数据绘制成偏差 曲线得到图7 图7各节点时间偏差曲线图 由图可见 通过同步补偿算法 时钟偏差在 3 0 0 n s 范围内波动 即时钟 同步精度在3 O0 n s 之内 上述实验是在IEEE l 588 推荐的同步周期2 S 的基础上 测 的 缩短 同步周期 可得 到更高的同步精度 但 同步周 期缩短 同步数据帧发送次数则会增加 占用带宽量也会 增加 所 以需要根据系统需求选择合适的 同步精度 本文 暂定同步周期为2 S 30 0n s 内的同步精度符合时间触发机 制下的列车 网络通信要求 在各个节点分 时传输时 分配 给各个节点的时间片只要有 3 0 0 n s 以上 的冗余即可 4 总结与展望 本文以IEEE 1 588 为基础 提出了最小二乘法进行时 钟补偿计算 以P TP E THER 通信节点为基础 针对列车通 信 网络的特点对 IEEE 1 588 协议栈进行了裁剪 完成了PTP 协议栈的设计 在基于 A R M 的实验平台上运用软件编程实 现 了时钟 同步 虽 已能够达到精度要求 但 由于晶振 的偏 移对 同步精度有直接 的影响 虽对补偿算法进行 了改 良 但 是依 旧无法完全利