精确时间协议的软件设计与实现

摘要

计算机技术和网络技术的飞速发展,极大的改变了人们的生活方式。在这种大环境背景下,航天航空、工业自动化等产业也迅猛发展,这些领域中,时间同步是一个最基本但又是最重要的环节,科学家们对计算机技术和网络技术投入很多精力,以期待可以找到解决这种问题的好方法,因此逐渐诞生了NTP、PTP等时间同步协议。PTP较NTP相比:首先网络环境拓扑发生变化时,最佳主时钟算法可以实现一定程度的自动重配置;其次PTP具有更高的精度。本文重点工作是开发一个可以在局域网中实现自配置的时钟同步软件,且可以运行在IPv4和IPv6环境下。
　　本文在论文开头介绍了时间同步的一些背景知识和相关理论,从概念上对时间同步有了了解之后;接着引入IEEE1588标准,从它的起源说起,然后介绍了IEEE1588中PTP协议的特点、同步原理,并描述了PTP系统的网络系统结构和设备类型;最后根据标准,开发了一个使用软件时间戳的PTP同步软件。本文第四章详细描述了PTP同步软件设计实现时各个组件的设计细节,包括协议引擎、最佳主时钟算法、软件时间戳、时钟服务器、PTP报文处理流程和NetLayer处理流程六个部分。
　　本文独特之处是在应用层产生软件时间戳,改进时间同步算法的同时并借鉴滤波器技术过滤软件时间戳在通过协议栈和网络时产生的抖动等噪音,从而使得精度更高。最后在局域网中对PTP软件的功能和性能分别进行了测试,最终可以看到最佳主时钟算法可以实现时钟自动重配置过程,并且我们设计的PTP软件精度可达到百微秒级,甚至超过了NTP的毫秒级精度。

目录

精确时间协议的软件设计与实现

Software Design and Implementation of thePrecision Time Protocol

摘要

Abstract

绪论

课题背景

国内外研究现状

国外研究现状

国内研究现状

研究目的和意义

主要研究内容

时间同步原理和技术

时间同步相关概念

时钟模型

时钟同步源

时间同步技术

NTP时间同步技术

NTP的工作模式

NTP的工作原理

NTP的网络体系结构

NTP的特点

IEEE1588时钟同步技术

IEEE1588特点

PTP设备类型

PTP通信拓扑

本章小结

软件实现精确时间协议的改进

时钟同步算法的改进

IEEE1588同步原理

PTP的时钟同步算法改进

滤波器的改进

数字滤波器简介

时钟服务器使用的滤波器

本章小结

精确时间协议的软件设计与实现

协议引擎的设计与实现

PTP状态机对应状态概述

PTP状态机机制

BMC算法

数据集比较算法

状态决策算法

软件时间戳的生成

时钟服务器的设计实现

MsgPacker的设计实现

声明报文的接收

同步报文的接收

跟随报文的接收

延迟请求报文的接收

延迟响应报文的接收

NetLayer的处理流程

本章小结

实验设计及结果分析

实验环境

实验方案

最佳主时钟算法测试

IPv4和IPv6下功能测试

同步算法改进测试

滤波器测试

本章小结

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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