开题报告IEEE1588时间同步协议在Linux下的研究讲解.docx

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开题报告IEEE1588时间同步协议在Linux下的研究讲解

IEEE1588时间同步协议在Linux下的研究

一、课题的来源、目的和意义

1、课题来源

课题名称：

IEEE1588时间同步协议在Linux下的开发与研究

课题来源：

华东交通大学交通信息工程及控制研究所

2、目的和意义

时间信息是计算机网络中，尤其是分布式控制系统中最重要的基础信息。

网络中的时间同步是一个重要的研究方向，时间同步是很多基于网络的关键应用的基础。

随着网络技术的发展，分布式系统中对时间同步的要求越来越高。

在现有以太网基础上开展测试与测量，首先需要解决的是实现不同终端设备之间的精密时钟同步。

而2002年底由IEEE发布的精确时钟同步协议IEEE1588[1]是一种用于测量和自动化系统的高精度网络时间同步协议，其全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准。

它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中多个站点的时间进行同步，通过软硬件的配合，其同步精度可远远高于NTP的同步精度。

与NTP协议不同，IEEE1588是针对相对本地化、网络化的系统而设计的。

它要求子网较好、内部组件相对稳定，所以非常适合于工业自动化和测量环境。

基于以太网和TCP/IP协议的网络不需要很大改动就可以运行IEEE1588协议，故其应用范围非常广泛。

并且该协议占用网络资源以及计算资源较少，实现成本低，因此在低端设备中也能够被使用。

我们在研究监控系统、测控系统、远动系统时基本上都是采用分步式的结构，而这些系统的数据都是紧密相关的，各个设备的触发也会按照统一的时序和节拍才能保证系统能够协调有序的工作，而时钟不同步会对系统的稳定性产生很大的影响，可能使系统无法正常工作。

所以本文准备研究一个IEEE1588精确时间同步协议体系结构，实现最佳主时钟算法、本地时钟同步算法以及PTP报文发送与接收的控制算法来提高同步的精度，并且准备用开发板在Linux下实现时间同步。

二、本课题相关领域的研究现状及发展趋势

关于时钟同步技术的研究，1978年7月[3]，LeslieLamport在“CommunicationoftheACM”发表的论文“Time,Clock,andtheOrderingofEventsinaDistributedSystem”比较系统地阐述了时钟同步技术的原理、方法以及时钟同步在分布式系统中的应用。

进入上个世纪八十年代后，随着计算机的普及和网络技术的发展，在网络时钟同步方面的研究取得了很大的进展。

1981年提出了因特网时钟协议（InternetClockProtocol，RFC778），这是最早在网络上提出的时钟同步技术。

然后就是1983年提出的时间协议（TimeProtocol，RFC868），该协议可以精确到1秒。

除此之外，还出现了Daytime协议和IP时间戳选项等网络时钟同步技术。

1988年提出的网络时间协议（NetworkTimeProtocol，RFC1059）在上述网络时钟同步技术上有了很大的提高。

在广域网内使用NTP协议同步网络中的时钟节点可以达到几十毫秒的精度，而在局域网内同步精度可以高达0.1毫秒。

在1996年，发布了网络时间协议的简洁版本——简单网络时间协议SNTP第4版（RFC2030），它适用于时间精度要求低于NTP的时钟同步网终端。

2000年，欧盟各国联合实施了一项“欧米伽”计划，它的主要目的就是要促进网络时钟同步技术的改进和发展，进一步为实际应用和研究提供更高精度的时钟。

这项计划的实施也同时加快了欧盟数字同步通信网的建设。

2000年的11月份，一个专门从事将网络时钟同步问题标准化的工作的委员会成立。

委员会向IEEE组织递交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核准。

按照IEEE的规定，委员会递交的草案在2002年经过修改和两轮投票后被递交到IEEE标准复查委员会，于2002年9月通过核准，两个月后出版了IEEE1588标准。

为了推进和联合进行标准的完善和发展，委员会2003年9月在IEEE的办公地成立了三个工作组并明确了分工[2]：

（1）使用者需求工作组。

主要负责使用者对于IEEE1588协议的需求，使用者的构成，与其他标准的关系等。

（2）技术拓展工作组。

主要负责IEEE1588的技术拓展和改进，如标记帧和IPV6的影响，非UDP应用，冗余和错误容差，以及IEEE1588的简化等。

（3）一致性与解释工作组。

主要负责IEEE1588标准的解释，认证过程、测试装置和范例实现等。

自从IEEE1588标准出现后得到业界高度重视，在2002年、2004年和2006年一共举办了三次专业会议。

工业控制的领先厂商Rockwell，Siemens等立即投入产品开发，IEC已将它转化为IEC61588—2004标准，这个标准已为Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太网的总线采用，成为当前普遍采用的方法。

自IEEE1588标准出现以来，集成硬件支持的产品陆续上市或发布，有：

西门子公司的ERTRC400、Hilscher公司的可用于需要内置网络连接的工业控制产品的片上系统netX、Intel公司的网络处理器XScaleIXP46x和Hyperstone公司的高度集成新型HyNet32XS联网处理器等。

Hirschmann公司提出了一种IEEE1588同步元件模型，硬件部分包括一个高精度的实时时钟和一个时间戳单元来产生时间戳，软件部分与实时时钟和硬件时间戳单元绑定实现IEEE1588协议。

Hirschmann已经在它的Mice模块化以太网交换机上测试了IEEE1588增强插件模块，并发现其同步精度在最大抖动时为±100纳秒。

2007年4月，模拟和混合信号半导体产品的供应商Semtech公司宣布：

将与频率控制产品供应商Rakon公司联合开发基于IEEE1588V2标准的定时解决方案，进而实现下一代网络通信设备低成本的精确定时方案。

2007年7月，美国国家半导体公司（NationalSemiconductorCorporation）宣布推出业界首款集成IEEE1588标准硬件支持功能的以太网收发器。

这款型号为DP83640的高精度PHYTER收发器可确保分布式网络上各节点能按照主机的时钟同步定时，并确保各节点之间的时间偏差不会超过8纳秒，因此最适用于物体移动控制、测量仪表、数据采集及电子通信等设备。

2007年10月，IEEE1588V2标准提交IEEE审议。

新版本的制定注意吸收了诸多来自通信、网络、测试/测量以及工业控制等行业的专家意见，将更能满足具有多跳和固有冗余特性的大型分布式网络的特殊需求。

国内在高精度网络时钟同步领域的研究起步相对较晚，目前大部分研究内容仅仅是对IEEE1588标准做一个简单介绍、综述国外的技术成果或是针对性地提出某些时钟同步算法相应的改进。

三、本课题研究的主要内容和重点。

课题的研究内容是在Linux下对IEEE1588时间同步协议进行设计及开发。

主要是对控制网络中的IEEE1588时间同步协议的研究，以及对嵌入式linux开发及其关键技术的实现。

主要内容如下：

1、网络时间同步的基本理论的分析研究[21]；

2、IEEE1588时间同步协议关键技术的分析研究[19]；

3、Linux下1588时间同步的系统分析与设计；

4、PTP发送接收控制模块设计与实现[24][29]；

5、最佳主时钟算法模块的软件设计与实现[13][16][21][30]；（重难点）

6、本地时钟同步算法模块的设计实现；（重难点）

7、基于嵌入式linux的应用程序开发。

四、技术方案

IEEE1588的基本原理是用网络中最精确的时钟去校正或同步其它时钟，最佳时钟的选取是被自动执行，通过最佳主站时钟算法实现。

在网络中有两种类型的时钟:

主时钟（用于同步其它时钟），从时钟（被同步的时钟）。

从理论上讲，系统中的所有时钟都有可能成为主时钟和从时钟。

但往往网络中时钟是相对固定的，所有从时钟通过与主时钟交换消息来校准自己的时间，这个同步过程分为两个阶段，一是偏移校准，一是延迟校准。

设计方案分为系统硬件部分和软件部分。

1、系统硬件部分

自制ARM9+DP83640系统板。

ARM芯片采用ARM9。

其主要特点是：

①功耗低，性能高；②内核的门数少，具有优异的性价比；③中断延时短；④实时调试，成本低；⑤支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

美国国家半导体公司 （NS）推出集成 IEEE 1588 精确时间同步协议（PTP）硬件支持功能的以太网收发器。

这款型号为DP83640的高精度PHYTER收发器支持IEEE1588精确时间同步协议V1和V2标准，可确保分布式网络上各节点能按照主机时钟的时间同步定时，并确保各节点之间的时间偏差不会超过8ns，因此最适用于物体移动控制、测量仪表、数据采集及电子通信等设备。

DP83640高精度PHYTER收发器芯片内置高精度IEEE 1588 时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送的信息包印上时间标记。

此外，这款芯片还有12条通用输入/输出引脚，专门负责处理同步发生的实时事件或不同的触发信号。

DP83640芯片还可以连接内置以太网媒体接入控制器（MAC）的专用集成电路（ASIC）。

2、软件部分

下图所示时钟同步系统就是在详细分析IEEE1588的基础上，对时钟同步过程、时间数据报以及时钟校正机制进行了详细的分析之后，设计的时钟同步模型。

图1时间同步系统的体系结构图

时钟同步系统的各个模块及其功能的设计

1）初始化配置模块

系统运行最先完成的就是服务器的初始化来确定主时钟。

主时钟的确定采用最佳主时钟算法，在具有M个时钟的系统中，每一个非主时钟都周期地向主时钟发送带有时间戳的数据报。

计算机网络通信的一大特点就是具有很强的突发性，但从长时间的运行来看，链路的状态还是相对稳定的。

通过计算整个系统运行的平均时间，选择时间间隔最接近这个平均值的时间服务器为最佳主时钟。

2）消息接收模块

消息接收模块的主要作用是监听系统的运行端口，并在获取到消息报文后对其进行解析，根据不同的指令识别码调用相应的过程和模块进行处理。

3）时钟同步模块

当系统转入时钟同步模块时，系统首先对当前的数据进行计算来确定是否利用此报文对本地时钟进行同步，如果当前的数据不能满足要求，那么时钟同步模块利用消息发送模块重新发送同步数据报文。

如果该报文符合要求，系统则根据公式计算时钟偏移，并转入时钟校正模块，周期性地对系统进行时钟同步。

4）消息发送模块

消息发送模块的主要功能是根据其它功能系统提供的报文数据及发送模式将报文发送给子网中的其它节点。

消息发送模块与消息接收模块的实现一样都是多线程的，提供了系统同时处理多个报文的能力。

5）PTP发送控制模块

PTP发送控制模块用于发送同步报文、跟随报文、延迟请求报文、延迟请求响应报文这四种报文，因此PTP发送控制模块的主要任务就是编码封装PTP协议报文，以及何时发送这些报文。

6）PTP接收控制模块

该模块主要用来分析、控制接收到的各种网络报文，把符合PTP协议的报文接收到PTP协议引擎中，并负责检查PTP协议报文的有效性。

PTP接收控制模块主要包括以下四个部分:

同步报文接收模块、跟随报文接收模块、延迟请求报文接收模块、延迟请求响应报文接收模块。

7）最佳主时钟算法模块

最佳主时钟算法模块主要用于选择本地网络中的最佳时钟作为主时钟，同时决定本地时钟所应处的状态。

实现最佳主时钟的方法包括两个步骤:

首先从本地时钟系统通信端口中选出一个质量最好的同步报文:

根据上述结果，比较此时的主时钟和本地时钟属性，决定本地设备PTP协议引擎所处的状态。

上面的第一个步骤采用数据集比较算法模块来实现，而判断PTP协议引擎所处的状态采用状态决断算法模块来实现。

嵌入式实时操作系统[36]的实现是整个精确同步系统设计中非常重要的一环。

我们在程序开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码，（这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行）。

然后把可执行文件下载到目标机上运行。

宿主机和目标板的处理器架构一般都不相同，宿主机为Intel处理器，GNU编译器提供这样的功能，在编译编译器时可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境。

程序采用接在目标板上进行开发的方式，将宿主机和目标板通过以太网连接，在宿主PC机上运行目标板的显示终端，在目标板上通过NFS（网络文件系统）来mount宿主机硬盘，让应用程序直接运行在目标板上进行调试。

开发平台采用KeilμVision4集成开发环境[33]，KeilμVision4用来在微控制器和智能卡设备上创建、仿真和调试嵌入式应用。

KeilμVision4是为增强开发人员的工作效率设计的，有了它可以更快速、更高效地开发和检验程序，支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的Simulation设备模拟，性能分析等功能。

五、实施方案所需的条件

1、试验设备：

PC机，自制ARM9+DP83640系统板。

2、软件：

KeiluVision4开发平台，redhat9.0嵌入式操作系统，C++语言。

六、存在的主要问题和技术关键

1、对于IEEE1588协议，存在一些问题如主时钟的容错性能，振荡器的稳定性对时钟的影响。

2、对于程序中算法的优化，以及如何加强应用程序的健壮性、稳定性、可行性等问题。

3、对基于ARM9上嵌入式Linux系统的应用程序开发，需要更好的掌握和应用其技术。

七、预期能达到的目标

1、基本完成系统硬件设计，并搭建起具有基本功能的硬件系统。

2、完成基于IEEE1588协议对时模型的建立，并编写程序，基本完成对时功能。

八、课题研究计划进度

1、2010.11—2010.12进行实习调研,收集相关资料,确定总体方案。

2、2011.1—2011.2完成嵌入式操作系统的移植。

3、2011.3—2011.6实现IEEE1588时间同步程序的各个模块的设计。

4、2011.7—2011.8完成系统测试。

5、2011.9—2011.11完成论文的纂写、修改完善，论文答辩。

九、研究经费预算

购买目标板1000元

其他500元

总计约1500元。

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文献阅读报告：

IEEE1588协议、嵌入式系统及其他相关技术综述

0概述

共收集了9篇期刊，18篇硕士，9篇IEEE，这些文章在研究IEEE1588协议时，解决了以下问题：

理论方面

1、分析了IEEE1588时间同步技术的基本原理、特点；

2、分析比较了NTP协议、SNTP协议和IEEE1588协议各自的特点和时间同步机制；

3、分析了IEEE1588协议报文的特点；

4、分析了延时误差产生的来源；

5、分析了影响实现网络时钟同步高精度的因素；（操作系统与协议栈、网络元件、时钟的不稳定性和时钟的分辨率，并综述了相应的提高精度的补偿方法）

6、研究了软硬件分离的方法实现I