一种适用于压缩主控器内部监听的能够增强时钟同步容错的方法

摘要

本发明公开了一种适用于压缩主控器内部监听的能够增强时钟同步容错的方法，该方法首先记录下时钟修正基准值以及其对应的最佳协议控制帧；然后从最佳协议控制帧中提取出综合循环值，并判断综合循环值与循环次数是否相同；最后依据时钟修正基准值是否落在监听冗余接受窗口的内外情况下，进行判断压缩主控器，从而确定出最佳协议控制帧的派发时刻。本发明方法通过监听压缩主控器用于更正本地时钟的同步消息，对压缩主控器同步历史进行记录，在经过判定的紧急情况下，能够发布这些历史状态信息，补充原来错误的消息——提供额外的信息供分布式判断，依托于分布式时钟同步算法提高压缩主控器的容错能力，增强系统对抗瞬时失效的免疫力。该发明方法还可以与物理多重冗余机制相辅相成，分别对于不同的应用场景采用合理的方案组合，在优化资源消耗的基础上保证系统的容错能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于时间触发以太网的内部监听处理方法，更特别地说，是指 一种在压缩主控器内部实现的能够增强时钟同步容错能力的方法。该方法对时钟同步 容错能力的增强，能够加强时间触发以太网的可靠性，属于网络通信技术领域。

背景技术

时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)是在交换式互连实时通信领 域下实现时间触发通信的技术，可以提供微秒级的分布式时钟同步服务，已经在NASA 的载人飞船项目中获得实用，并得到国外飞机设备设计制造企业的重视。

在分布式系统中，时间触发通信依赖于严格的时刻调度表，节点间时钟的同步状 态对通信的实时性和有效性有着决定性的影响，因而时钟同步是时间触发以太网TTE (或称TTE网络)的关键服务。

TTE网络现有的容错机制能够较好的保证同步主控器(Synchronization Master， SM)出现失效时，不会影响全局时钟同步。但是对于同步的核心计算节点——压缩主 控器(Compression Master，CM)，除了双冗余机制以外，并没有比较好的替换算法 应对失效。特别是没有双冗余结构时，CM的失效会对全局时钟同步造成较大的影响。

在2013年第5期《航空标准化与质量》中公开的“时间触发以太网标准研究”， 该文献的图3中介绍了TTE一个综合循环内的同步操作过程。

发明内容

为了解决TTE网络没有压缩主控器CM双冗余结构时，压缩主控器CM的失效降低 了全局时钟同步的稳定性，本发明提出了一种适用于压缩主控器内部监听的能够增强 时钟同步容错的方法，采用记录能力的监听冗余能够增强时钟同步容错能力的压缩主 控器内部监听装置，该装置通过监听压缩主控器用于更正本地时钟的同步消息，对压 缩主控器同步历史进行记录，在经过判定的紧急情况下，能够发布这些历史状态信息， 补充原来错误的消息——提供额外的信息供分布式判断，依托于分布式时钟同步算法 SM本身的容错能力，增强系统对抗瞬时失效的免疫力。该装置还可以与物理多重冗 余机制相辅相成，分别对于不同的应用场景采用合理的方案组合，在优化资源消耗的 基础上保证系统的容错能力。

本发明是一种适用于压缩主控器内部监听的能够增强时钟同步容错的方法，所述 时钟同步是对压缩主控器在一个同步周期内发送的协议控制帧进行固化、压缩、返回 PCF帧的过程时钟进行记录；而本发明则是在压缩与返回PCF帧之间的过程中增加一 监听冗余处理，该监听冗余处理流程为：

步骤一：当压缩主控器进行第i次时钟同步综合循环开始时，监听冗余用于接收 时钟修正基准值t_cp，并执行步骤二；

所述时钟修正基准值t_cp对应的是最佳协议控制帧PCF_best；

步骤二：从所述时钟修正基准值t_cp对应的最佳协议控制帧PCF_best中提取出综合 循环值q；然后，判断综合循环值q是否等于时钟同步次数i，若q＝i执行步骤三； 若q≠i执行步骤五；

步骤三：(A)当q＝i，且所述时钟修正基准值t_cp落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]内时，即t_cp≤AW_DM，则执行步骤四；

(B)当q＝i，且所述时钟修正基准值t_cp落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]外时，即t_cp＞AW_DM，则执行步骤五；

步骤四：根据时钟更正值t_cc和上一次的同步更正记录R^i-1确定第i次同步更正记 录Rⁱ，该步骤分为如下六个子步骤；

步骤4-1，当t_cp≤AW_DM时，先计算出时钟更正值t_cc，即t_cc＝t_cp-t_sc，然后 计算出更正步长最大更正步长和频度最高步长

其中，v表示物理时钟脉冲宽度，k,K,L取整数值，k∈[-K,K]；

步骤4-2，提取出在第i-1次时钟同步综合循环中，同步更正记录记为 表示第i-1次时钟同步综合循环的更正步长为j的 历史频度；

步骤4-3，将第i次时钟同步综合循环的同步更正记录记为 表示第i次时钟同步综合循环的更正步长为j的历史频 度，实现中以固定的字长存储为了防止溢出，事先规定阈值r_阈值，阈值是一个常 数，等于该固定字长可以表示的最大无符号整数，例如：用16位二进制数存储每个则r_阈值＝2¹⁶-1＝65535；

步骤4-4，根据第i-1次的同步更正记录和本次已知 的更正步长k计算第i次同步更正记录中各元素的值，其中以k作为索引找到更正记 录的元素，即：更正步长k对应同步更正记录考虑(A)若则 令对于其它j≠k的记录，则同步更正记录的赋值为即(B)否则，即如果令对于其它j≠k的记录，则同步 更正记录的赋值为即其中表示下取整；

步骤4-5，判断频度最高步长L对应的同步更正记录与更正步长k对应的同步 更正记录的大小，若则A＝L×v；若则A＝k×v；

步骤4-6，将历史频度最高的时钟更正值A和在一个同步周期内的综合循环同步 更正记录Rⁱ作为第i+1次时钟同步综合循环的输入量，压缩主控器在第i+1次综合 循环通过这两个量得到Rⁱ⁺¹并更新历史频度最高的时钟更正值A；本次综合循环中压 缩主控器输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻t_d发送；

步骤五：压缩主控器输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻t_d发送，且 t_d＝t_cp+T_D；同时监听冗余产生冗余协议控制帧PCF_DM，所述PCF_DM的同步成员 比特矢量M_DM＝(M_best-1)&M_best，其中&表示二进制按位与计算，所述PCF_DM在冗余派发时刻t_dd发送，且t_dd＝t_sc+A+T_D。

本发明适用于压缩主控器内部监听的能够增强时钟同步容错方法的优点在于：

①本发明是在节点自己的控制器上实现一个监听、记录、补充、发布的设置，该内 部监听具有逻辑简单，不容易发生系统性错误，提高TTE同步的容错使得系统稳 定。

②本发明的内部监听提供额外的消息供分布式系统判断，同时依托系统本身的同步 算法，不会增加计算难度，占用资源较小，从实际应用的角度来看，比物理多重 冗余要节省资源。

③系统的时钟偏移一般由振动晶体的固有频率差异引起，本发明通过对时钟同步更 正的记录，可以利用这种差异在系统中的体现，从而充分利用过去的同步消息， 在压缩主控器失效时，提高了系统稳定性。

附图说明

图1是传统时间触发以太网TTE的时钟同步的结构框图。

图2是本发明具有内部监听的TTE时钟同步的结构框图。

图3是本发明的内部监听的流程图。

图4A是本发明的在非紧急情形下A小于0的内部监听的时序图。

图4B是本发明的在非紧急情形下A大于等于0的内部监听的时序图。

图5A是本发明的在紧急情形下A小于0的内部监听的时序图。

图5B是本发明的在紧急情形下A大于等于0的内部监听的时序图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示的传统时间触发以太网TTE的时钟同步的结构框图，在图中，时钟 同步是对压缩主控器CM在一个同步周期内发送的协议控制帧PCF进行固化、压缩、 返回PCF帧的过程时钟进行记录。

在时间触发以太网TTE的时钟同步中，任意一个协议控制帧PCF对应一个派发时 刻点，以及综合循环值。

参见图2所示，本发明在CM压缩与CM返回PCF帧模块之间增加了监听冗余模块。 监听冗余模块第一方面用于获取在一个同步周期内的压缩主控器CM的所有压缩后协 议控制帧；第二方面从所述的所有压缩后协议控制帧中选取出与压缩主控器的综合循 环值阈值相等的综合循环值。

在本发明中，TTE网络中，同步节点之间通过协议控制帧(Protocol Control  Frame，PCF)传递同步消息。而压缩主控器(Compression Master，CM)用于输出最 佳协议控制帧PCF_best。所述PCF_best对应的时钟修正基准值记为t_cp，所述PCF_best的 同步成员比特矢量为M_best，该二进制的比特矢量中的每一位对应于配置的同步域中 的每一个同步主控器(Synchronization Master，SM)。

当压缩主控器CM进行第i次时钟同步综合循环开始时，开始的本地时钟记为t₀， 对压缩主控器CM进行调度的时刻点记为t_sc，且t_sc＝t₀+D_max+T_co，D_max为最大 可能的传输延迟，T_co为压缩控制器的压缩固有计算开销；在设置了同步时间精度P (单位微秒)条件下，压缩主控器CM的接受窗口记为AW_CM，且 AW_CM＝[t_sc-P,t_sc+P]，所述PCF_best存在于所述AW_CM内，接受窗口的开始时 刻点记为t_sc-P，接受窗口的结束时刻点记为t_sc+P。压缩主控器CM对PCF_best的 派发时间记为t_d，且t_d＝t_cp+T_D，T_D表示派发延迟时间。i也称为时钟同步综合循 环次数，i的前一次记为i-1，i的后一次记为i+1。

参见图3所示，为了解决TTE网络没有压缩主控器CM双冗余结构时，压缩主控 器CM的失效降低了全局时钟同步的稳定性，本发明提出的一种适用于压缩主控器内 部监听的能够增强时钟同步容错的方法，该方法的监听冗余处理流程为：

步骤一：当压缩主控器CM进行第i次时钟同步(也称为时钟同步综合循环次数i) 综合循环开始时，监听冗余用于接收时钟修正基准值t_cp，并执行步骤二；

所述时钟修正基准值t_cp对应的是最佳协议控制帧PCF_best；

步骤二：从所述时钟修正基准值t_cp对应的最佳协议控制帧PCF_best中提取出综合 循环值q；然后，判断综合循环值q是否等于时钟同步次数i，若q＝i执行步骤三； 若q≠i执行步骤五；

步骤三：(A)当q＝i，且所述时钟修正基准值t_cp落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]内时，即t_cp≤AW_DM，则执行步骤四，如图4A 和图4B所示的非紧急情形下的时序图；

在本发明中，时钟修正基准值t_cp是否落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]内

(B)当q＝i，且所述时钟修正基准值t_cp落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]外时，即t_cp＞AW_DM，则执行步骤五，如图5A 和图5B所示的紧急情形下的时序图；

t_sc-P表示接受窗口的开始时刻点，t_sc表示对压缩主控器CM进行调度的时刻 点，P表示同步时间精度；

t_sc+P表示接受窗口的结束时刻点；

A表示历史频度最高的时钟更正值,它的初始值被设为零。

步骤四：根据时钟更正值t_cc和上一次的同步更正记录R^i-1确定第i次同步更正记 录Rⁱ，该步骤分为如下六个子步骤。

步骤4-1，当t_cp≤AW_DM时，先计算出时钟更正值t_cc，即t_cc＝t_cp-t_sc，然后 计算出更正步长最大更正步长和频度最高步长

其中，v表示物理时钟脉冲宽度，k,K,L取整数值，k∈[-K,K]；

步骤4-2，提取出在第i-1次时钟同步综合循环中，同步更正记录记为 表示第i-1次时钟同步综合循环的更正步长为j的 历史频度；

步骤4-3，将本次(即：第i次)时钟同步综合循环的同步更正记录记为 表示第i次时钟同步综合循环的更正步长为j的历史频 度，实现中以固定的字长存储为了防止溢出，事先规定阈值r_阈值，阈值是一个常 数，等于该固定字长可以表示的最大无符号整数，例如：用16位二进制数存储每个则r_阈值＝2¹⁶-1＝65535；

步骤4-4，根据第i-1次的同步更正记录和本次已知 的更正步长k计算第i次同步更正记录中各元素的值，其中以k作为索引找到更正记 录的元素，即：更正步长k对应同步更正记录考虑(A)若则 令对于其它j≠k的记录，则同步更正记录的赋值为即(B)否则，即如果令对于其它j≠k的记录，则同步 更正记录的赋值为即其中表示下取整，这样处理的原 理在于影响步骤四算法正确性的只是同步更正记录元素之间的相对大小，而不是它们 的绝对值；在实现中可以通过二进制数向右位移一位来实现。

步骤4-5，判断频度最高步长L对应的同步更正记录与更正步长k对应的同步 更正记录的大小，若则A＝L×v；若则A＝k×v；

步骤4-6，将历史频度最高的时钟更正值A和在一个同步周期内的综合循环同步 更正记录Rⁱ作为第i+1次时钟同步综合循环的输入量，压缩主控器CM在第i+1次综 合循环通过这两个量得到Rⁱ⁺¹并更新历史频度最高的时钟更正值A；本次综合循环中 压缩主控器CM输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻t_d发送；

步骤五：压缩主控器CM输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻t_d发送， 且t_d＝t_cp+T_D；同时监听冗余产生冗余协议控制帧PCF_DM，所述PCF_DM的同步成 员比特矢量M_DM＝(M_best-1)&M_best，其中&表示二进制按位与计算，所述 PCF_DM在冗余派发时刻t_dd发送，且t_dd＝t_sc+A+T_D，

t_d表示派发时刻；

t_cp表示时钟修正基准值；

T_D表示派发延迟时间；

t_dd表示冗余派发时刻；

A表示历史频度最高的时钟更正值；

PCF_best表示压缩主控器CM输出的最佳协议控制帧；

M_best表示PCF_best的同步成员比特矢量；

PCF_DM表示监听冗余产生的冗余协议控制帧；

M_DM表示PCF_DM的同步成员比特矢量。

实施例1

下面结合图4A中的例子对本发明做进一步说明。图4A中所示的为压缩主控器接 受窗口和本发明提出的冗余接受窗口的相互关系。

如图4A：当压缩主控器CM进行第i＝10次时钟同步综合循环开始时，开始的本 地时钟记为t₀＝0，同步周期TSC＝1000us，网络最大可能的传输延迟为 D_max＝250us，压缩控制器的压缩功能的固有开销为T_co＝10us；设置的同步时间精 度P＝1us，则压缩主控器CM进行调度的时刻点t_sc＝t₀+D_max+T_co＝260us，压 缩主控器CM的接受窗口记为AW_CM，且

AW_CM＝[t_sc-P,t_sc+P]＝[259us,261us]，最佳协议控制帧PCF_best存在于所述 AW_CM内，所述PCF_best对应的时钟修正基准值为t_cp＝260.4us。压缩主控器CM的 派发延迟时间T_D＝4us，计划在派发时间t_d＝t_cp+T_D＝264.4us派发最佳协议控制 帧PCF_best。

步骤一，当压缩主控器本地时钟t₀＝0时，本次综合循环开始，监听冗余记录综 合循环值i＝10，监听冗余开始监听压缩主控器接受窗口获得的PCF_best，所述 PCF_best对应的时钟修正基准值为t_cp＝260.4us，执行步骤二；

步骤二，监听冗余从最佳协议控制帧PCF_best中提取出综合循环值q＝10；并判断 q＝i＝10，执行步骤三

步骤三，第9次综合循环，监听冗余得到的历史频度最高的时钟更正值 A＝-0.1us，判断时钟修正基准值t_cp＝260.4us确实落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]＝[258.9us,260.9us]内，并执行步骤四；

步骤四，压缩主控器物理时钟频率为10MHz，则物理时钟脉冲宽度 v＝1/10MHz＝100ns＝0.1us，先计算时钟更正值t_cc＝t_cp-t_sc＝0.4us，然后计 算更正步长$k=\frac{t_{\mathrm{cc}}}{v}=\frac{0.4\mathrm{us}}{0.1\mathrm{us}}=4,$最大更正步长$K=\frac{P}{v}=\frac{1\mathrm{us}}{0.1\mathrm{us}}=10,$频度最高步长 $L=\frac{A}{v}=\frac{-0.1\mathrm{us}}{0.1\mathrm{us}}=-1;$

在第9次综合循环中，同步更正记录为：

$R^9=\left(\begin{array}{c}{r}_{-10}^9=0,r_{-9}^9=0,r_{-8}^9=0,r_{-7}^9=0,r_{-6}^9=0,r_{-5}^9=0,r_{-4}^9=1,r_{-3}^9=0,r_{-2}^9=1,r_{-1}^9=3,\\ r_0^9=2,r_1^9=1,r_2^9=0,r_3^9=1,r_4^9=0,r_5^9=0,r_6^9=0,r_7^9=0,r_8^9=0,r_9^9=0,r_{10}^9=0\end{array}\right)$，表示第9次综合循环的更正步长为-1的历史频度；

在第10次综合循环中，由于k＝4，$r_4^{10}=r_4^9+1=1,$则本次综合循环的同步更正记录为:

$R^{10}=\left(\begin{array}{c}{r}_{-10}^{10}=0,r_{-9}^{10}=0,r_{-8}^{10}=0,r_{-7}^{10}=0,r_{-6}^{10}=0,r_{-5}^{10}=0,r_{-4}^{10}=1,r_{-3}^{10}=0,\\ r_{-2}^{10}=1,r_{-1}^{10}=3,r_0^{10}=2,r_1^{10}=1,r_2^{10}=0,r_3^{10}=1,r_4^{10}=1,r_5^{10}=0,\\ r_6^{10}=0,r_7^{10}=0,r_8^{10}=0,r_9^{10}=0,r_{10}^{10}=0\end{array}\right),$表示第 10次综合循环的更正步长为-1的历史频度；

判断$r_L^{10}=r_{-1}^{10}=3$与$r_k^i=r_4^{10}=1$的大小，有$r_L^i\ge r_k^i,$则A＝L×v＝-0.1us；

最后将A＝-0.1us、R¹⁰输出作为第11次综合循环的输入；本次综合循环中CM 输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻t_d＝264.4us发送。

实施例2

下面结合图5B中的例子对本发明做进一步说明。图5B中所示的为压缩主控器接 受窗口和本发明提出的冗余接受窗口的相互关系。

如图5B：当压缩主控器CM进行第i＝10次时钟同步综合循环开始时，开始的本 地时钟记为t₀＝0，同步周期TSC＝1000us，网络最大可能的传输延迟为 D_max＝250us，压缩控制器的压缩功能的固有开销为T_co＝10us；设置的同步时间精 度P＝1us，则压缩主控器CM进行调度的时刻点t_sc＝t₀+D_max+T_co＝260us，压 缩主控器CM的接受窗口记为AW_CM，且

AW_CM＝[t_sc-P,t_sc+P]＝[259us,261us]，最佳协议控制帧PCF_best存在于所述 AW_CM内，所述PCF_best对应的时钟修正基准值为t_cp＝260.9us，所述PCF_best对应 的同步成员比特矢量M_best＝011010。压缩主控器CM的派发延迟时间T_D＝4us，计 划在派发时间t_d＝t_cp+T_D＝264.9us派发最佳协议控制帧PCF_best。

步骤一，当压缩主控器本地时钟t₀＝0时，本次综合循环开始，监听冗余记录综 合循环值i＝10，监听冗余开始监听压缩主控器接受窗口获得的PCF_best，所述 PCF_best对应的时钟修正基准值为t_cp＝260.9us，执行步骤二；

步骤二，监听冗余从最佳协议控制帧PCF_best中提取出综合循环值q＝10；并判 断q＝i＝10，执行步骤三

步骤三，第9次综合循环，监听冗余得到的历史频度最高的时钟更正值 A＝-0.2us，判断时钟修正基准值t_cp＝260.9us并不落在监听冗余接受窗口 AW_DM＝[t_sc-P+A,t_sc+P+A]＝[258.8us,260.8us]内，并执行步骤五；

步骤五，压缩主控器CM输出的最佳协议控制帧PCF_best依然在派发时刻 t_d＝t_cp+T_D＝264.9us发送；同时监听冗余产生冗余协议控制帧PCF_DM，所述 PCF_DM的同步成员比特矢量M_DM＝(M_best-1)&M_best＝011000，所述PCF_DM在 冗余派发时刻t_dd＝t_sc+A+T_D＝263.8us发送。