软件工程硕士论文开题报告最终版.docx

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软件工程硕士论文开题报告最终版

学号：

123126

东南大学

全日制研究生学位论文

开题报告及论文工作实施计划

院（系、所）软件学院

学位类别工程硕士

专业领域软件工程

研究生姓名　梁姣

指导教师（校内）杨鹏

指导教师（校外）黄海林

开题报告日期2014-9

填表须知

1、论文开题报告由研究生本人向审议小组报告并听取意见后，由研究生本人填写此表。

2、论文开题报告填写完成后，必须经导师审批，通过后方能提交。

3、硕士生应在第三学期内完成此开题报告。

开题报告经研究生秘书在网上审核确认（至少半年）后

方可申请答辩。

４、本表一式两份，一份研究生自留放入本人“研究生档案材料袋”；一份由院（系、所）保存并归入院（系、所）研究生教学档案。

５、学位类别为：

工程硕士；建筑学硕士；公共管理硕士；法律硕士（非法学）；工商管理硕士；风景园林硕士；临床医学；公共卫生硕士。

６、本表下载区：

。

本表电子文档打印时用A4纸张，格式不

变，内容较多可以加页。

一、学位论文开题报告

论文题目

基于IEEE1588协议的航电以太网时钟同步系统的研究与实现

研究

方向

软件工程技术

题目来源

国家

部委

省

市

企业

自选

有无合同

经费数

备注

√

题目

类型

理论

研究

应用

研究

工程

技术

跨学科

研究

其他

应用研究

一、课题来源、选题依据、课题研究目的、工程应用价值

1.课题来源

本课题来源于中国航天集团第772研究所预研项目，旨在设计和开发基于IEEE1588协议的航电以太网时钟同步系统。

2.选题依据

现代大型飞行器迫切需要采用一种既能够兼顾数据传输，又能够满足高精度时钟同步要求的航电网络。

目前在飞行器中采用的新一代航电以太网TTEthernet[1]（TimeTriggerEthernet），虽然具备高数据量传输能力，但该以太网中的时钟同步功能还急需研究实现。

IEEE1588协议是用于网络测量和控制系统的精密时钟同步协议，目前在航电以太网中还未得到广泛应用。

结合IEEE1588协议的特点和航电以太网的应用需求进行分析，可以发现，IEEE1588协议比较适合航电以太网TTEthernet的应用场景。

因为，IEEE1588协议是针对相对本地化的网络而设计的，另外它的高精度时钟同步设计十分符合现有航电以太网的要求。

所以，将IEEE1588协议应用于TTEthernet网络，可以为解决航电以太网中急需实现的精密时钟同步问题提供帮助，具有重要的研究意义和实际应用价值。

3.课题研究目的

通过分析航电以太网的实际应用需求和IEEE1588时钟同步协议特点，研究并实现航电以太网上的精确时钟同步系统，解决航电系统不同终端设备之间的时钟同步问题。

4.工程应用价值

一般时间同步协议难以满足航电以太网的高实时性要求，航天772所正在研究基于IEEE1588协议的航电以太网时钟同步系统。

该系统具有更高的同步精度，将实际应用于航电以太网TTEthernet中，因此具有重要的工程应用价值。

二、国内外研究现状、发展动态

时钟同步技术是分布式应用的重要支撑技术，历来受到研究界的重视。

目前许多重要应用领域需要依靠时钟同步技术来精确控制关键性的任务，例如卫星发射与测控系统、航空管理系统、社会联动系统以及核能发电系统等等。

这些应用对分布式系统内时钟的一致性和精确性要求很高，然而，一般的时钟同步技术已经无法满足高精度的要求，随着计算机的普及和网络技术的发展，网络时钟同步技术也在不断地推陈出新，快速的演进和发展。

1．传统的时间同步技术

图1典型的传统时间同步系统

传统的时间同步系统的拓扑结构可以用图1来描述。

图中的时间服务器一般集成有GPS等标准时间源，相应的配置也较高；现场设备一般情况下通过l0M/l00M以太网与时间服务器保持时间同步，其精度为10毫秒到秒级不等，部分应用（如快速响应系统）可能要求达到1毫秒的级别甚至更高。

一般地，为了解决时间同步问题，传统采用的方法为：

整秒时由时间服务器在以太网上发送时码信息，网络上的各个时间客户接收该时码信息，再校正各自机器的系统时间。

经过测算，设备采用这种方法对准时间后，与标准时间进行比对，误差在1~100毫秒之间。

但是这种时钟同步方法，在网络流量越大时间误差也越大，因为发送报文的节点越多，冲突的机会也越多，延时也越大。

网络流量的差异是造成这种延时的主要原因，但这类延时通常又是不定的，因此，难以对这种延时差异进行补偿。

综上所述，传统的同步方法误差较大，对于时间精度要求较高的航电网络来说，很难满足其时间同步的需要。

2．网络时间同步协议

目前可以用于网络对时的协议主要有：

时间协议（TimeProtocol，简称TP）、日期时间协议（DaytimeProtocol，简称DP）、网络时间协议[2]（NetworkTimeProtocol，简称NTP）以及简单网络时间协议[3]（SimpleNetworkTimeProtocol，简称SNTP）。

时间协议TP和日期时间协议DP都只能表示到秒，而且这两种协议都没有估算网络延时，因此同步精度较低，目前在工程中应用较少。

由美国特拉华大学的DavidL.Mills教授等人设计开发的网络时间协议NTP（NetworkTimeProtocol），是用于互联网中时间同步的标准互联网协议。

在通常的环境下，NTP提供的时间精度在LAN上仅为ms级，NTP时间服务器需要经常维护，也需要外部时钟源的支持，且适用于跨越广域网的大型网络，这些特点都不符合航电以太网的要求。

SNTP是NTP的一个简单版本，数据包格式与NTP兼容，适用于时间精确度低于NTP的客户机，并强烈建议仅限于使用在时间同步网的终端位置。

SNTP的时间精确度为s级，难以满足航电以太网的应用需求。

3．IEEE1588时钟同步协议标准

由于许多重要应用领域需要利用计算机控制系统来精确控制关键性的工作与任务，因此对监控和控制的同步性和实时性提出了越来越高的要求。

此时，一些研究机构和商业组织开始研究设备之间，尤其是测量和控制设备之间的时钟同步技术。

在此背景下，美国的一些研究机构和商业组织在2001年发起成立了一个特别委员会，专门针对设备之间，尤其是网络测控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，该委员会向美国电气与电子工程师协会（IEEE）提交一份研究方案，并通过该组织一年多的核准和论证，2002年正式形成IEEE1588协议[4]，2008年对协议做了修改和完善，形成最新版本IEEE1588v2。

IEEEl588协议标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”（IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems，简称PTP），通常又叫做精密时钟同步协议。

IEEE1588协议主要针对小型同构或异构局域网设计，适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统，如标准以太网，其基本功能是使网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步。

IEEE1588协议对系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行同步，精度可达到亚微秒级。

IEEE1588协议与其它对时方案的性能对比由表1给出。

表1几种对时方案的性能对比

GPS

NTP

北斗

IEEE1588v2

典型授时精度

20ns

10ms

100ns

100ns

需要卫星覆盖

需要

需要

需要

不需要

综合成本

中

低

高

低

支持以太网端口

不支持

支持

不支持

支持

可控性

低

高

中

高

安全性

低

低

高

中

可靠性

中

高

中

高

从上表的对比分析可以看出，IEEEl588协议的各项性能指标都具有较大优势。

IEEEl588协议还具备以下优点：

1）时钟精度控制在us级，在硬件的帮助下能达到ns级。

2）对网络设备计算能力、硬件资源的要求较低，适合于在低端设备上应用，极大降低了成本。

3）IEEEl588协议支持多种传输协议，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2Ethernet。

4）IEEEl588协议提出了一种包级同步技术，将同步信息封装在数据报文当中，仍然使用原来以太网的数据线传送，无需额外的时钟线。

5）实现IEEE1588协议的子网只需要很少的管理开销，甚至不需要管理功能（单个子网）。

6）IEEEl588协议是基于以太网的精确时钟同步技术，但是不仅仅局限于以太网，只要其它网络或总线具有群发和点对点的数据传输能力，就能实现IEEEl588协议定义的功能。

7）IEEE1588协议被公布为一个标准，便于对协议进行改进和交流。

IEEEl588协议可能达到较高的精度，一方面由其本身规定的一系列同步机制决定，另一方面需要硬件技术的协助，主要包括以下几点：

1）延时的起伏将直接影响同步的精度，点对点连接可提供最高的精度，带路由器会增加网络抖动，为了解决这个问题，在PTP系统内通过交换机连接时，通常使用支持IEEE1588协议的交换机作为边界时钟，其内部包含了一个PTP时钟，由于它是直接接收主时钟报文的，它与主时钟的传输延时不存在排队与存储的问题，所以在需要分支时通常使用带边界时钟的交换机。

2）IEEE1588v2提出透明时钟的概念，所谓透明时钟是指有专用交换设备记录数据帧进入与离开节点的时间，并得到两者之差，通过硬件改写时钟同步控制帧（PCF）的透明时钟（TC）域，使数据帧的节点驻留时间得以积累，而总延迟时间为所有节点驻留时间与路径延迟的总和，透明时钟的机制更精确的计算报文驻留和延迟时间，使高精度时钟同步得以实现。

3）如果本地时钟的振荡频率稍有偏离，就会造成时间的偏离，而且时间的偏离是累计的会越来越大，虽然通过同步报文的计算可以校正时间，但本地时间的频繁校正会打乱本地时钟的连续性，使需要定时处理的任务，比如通过时间段计量脉冲的速度测量等应用陷入混乱。

所以在PTP系统内使用频率可调的晶振，通过硬件技术对频率的校正使本地时钟的频率与主时钟同步，可达到更高精度，对这种晶振的要求是0.01%精度和0.02%的频率可调范围。

国内在高精度网络时钟同步领域的研究起步相对较晚，虽然目前已有一些关于IEEE1588协议的研究工作，但主要集中在对标准进行介绍、或是针对性地对某些时钟同步算法进行相应的改进。

国外自动化测量和控制领域中，时钟同步精度要求达到100ns的级别已经广泛采用IEEE1588协议。

2007年，美国宣布推出业界首款集成IEEE1588协议的以太网收发器，这款高精度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。

由于IEEE1588协议更能满足具有多跳和固有冗余特性的分布式网络的特殊需求，电信网络、测试/测量以及工业控制等领域也有应用，IEEE1588协议定义的PTP精密时钟同步技术逐渐成为未来的发展趋势。

对于航空电子系统这样的任务或安全关键性系统，需要具有时间确定性保证。

时间触发概念的提出，其目的在于通过全局的时钟精确同步，使通信任务和收发操作具有完全的时间确定性，经过适用性改造的时间触发以太网TTEthernet已经被用于分布式嵌入式系统