一種可實現高精度時間同步的數據傳輸方法

楊馮帆,常勁帆,王 錚

(1.中國科學院高能物理研究所 核探測與核電子學國家重點實驗室,北京 100049;2.中國科學院大學 物理科學學院,北京 100049)

0 概述

高海拔宇宙線觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)是在我國四川稻城平均海拔4 410 m地區建設的以宇宙線觀測研究為核心目標的重大科技基礎設施[1],是“十二五”國家重大科技基礎設施項目之一。該項目的科學目標是探索高能宇宙線起源并開展相關的高能輻射、天體演化甚至暗物質分布等基礎科學研究[2]。KM2A探測器陣列是LHAASO的主體陣列之一,包括5 242個電磁粒子探測器(Electromagnetic particle Detectors,ED)和1 171個繆子探測器(Muon Detectors,MD)。ED按15 m間隔,MD按30 m間隔,平均分布在1.3 km2的野外區域。

在大面積的天體物理實驗中,前端電子學需要測量宇宙線次級粒子擊中不同探測器間相對時間差優于1 ns,并將數字化后的數據可靠地送往數據獲取中心。為此,本文提出一種可實現高精度時間同步的數據傳輸方法,將數據傳輸和時鐘傳輸鏈路復用,以滿足KM2A讀出電子學系統對于數據傳輸可靠性和時間同步精度的高要求。

1 KM2A電子學設計方案

KM2A讀出電子學采用無全局硬件觸發的前端數字化方案,PMT產生的信號通過短電纜送入電子學[3],如圖1所示。ED單通道平均事例率2 kHz,事例數據寬度176 bit,每個探測器所需傳輸帶寬為352 kb/s[4];MD單通道事例數據寬度216 bit,平均事例率10 kHz,除此之外,每秒還需上傳一個8 KB的波形包,所以每個MD探測器所需的平均傳輸帶寬為2.2 Mb/s[5]。

圖1 KM2A電子學布局方案

目前實現大范圍時鐘分配系統的方法大體分為基于無線電波[6]、基于專用鏈路和基于以太網,如表1所示。基于無線電波能達到納秒量級的授時精度[7],基于專用鏈路可以實現亞納秒量級的授時精度[8],但是兩者的實現成本過高,不適合大規模使用。LHAASO實驗采用由CERN開發的WR(White Rabbit)高精度時鐘同步協議(WRPTP)。WRPTP協議能夠通過光纖網絡實現支持范圍達數百平方千米、最大節點數量過萬的高精度時鐘分配系統,授時精度達到亞納秒量級[9]。

表1 時鐘分配系統的主要實現方法

WR技術是基于同步以太網來實現分布式高精度時間同步,因此每個前端讀出的電子學板數據可以通過WR網絡進行傳輸。顯然,數據傳輸和時鐘傳輸鏈路復用降低了系統復雜度、系統建設及維護成本,提高了可靠性,從成本角度來講是較經濟實用的設計方案。

由于WR時鐘同步技術只是通過標準以太網來傳輸時鐘同步協議,在數據傳輸方面,根據OSI的7層協議體系結構,WR實現了千兆以太網物理層和鏈路層,通過WR時鐘同步網絡進行數據傳輸,還需要高層協議配合工作。本文采用基于TCP/IP的以太網傳輸方案,通過TCP協議[10]采取多重機制確保數據傳輸的可靠性,同時其通用性也易于后端的數據獲取,滿足LHAASO工程的需求。利用FPGA實現TCP/IP協議棧的第一種方法是在FPGA內集成軟核,如在WCDA子系統中使用此方法[11];第二種方法是用硬件描述語言HDL編寫,但是算法復雜且常見IP核均為收費,如日本高能加速器研究機構KEK設計的以太網協議棧SiTCP[12]。考慮到KM2A有近7 000個節點,因此數據傳輸部分不能占據FPGA內部過多的邏輯資源,可將WR時鐘同步邏輯和探測器數據的處理、打包和傳輸邏輯集成在一片FPGA內,若更換層次較高的FPGA會增加電子學的成本,給項目帶來額外支出。若利用硬件描述語言進行開發,則具有資源利用少、可移植性強、便于擴展和維護的優點,因此本文使用硬件描述語言開發協議棧。

2 WR時鐘同步技術

IEEE-1588協議又稱PTP協議,旨在實現微秒到亞納秒的同步準確度。2008年,IEEE推出了修訂版本,即PTPv2。PTPv2采用定時鏈路與數據鏈路復用的方式,提高鏈路利用率。同時,其也是一種主從結構的時鐘同步系統,即同步過程中需要先選定一個主站,然后從站的本地時鐘根據收到的主站同步報文計算時間延遲,同步過程[13]如圖2所示。

圖2 PTPv2同步報文交換過程

PTPv2同步報文交換過程具體如下:

1)t1時刻,主站發送Sync報文到從站,從站記錄收到該報文的t2時刻。

2)主站將時間戳t1嵌入Follow_up報文中,并發送至從站。

3)從站發送Delay_Req報文至主站,并記錄發送時刻t3。

4)主站記錄收到Delay_Req報文的時刻t4,并將其嵌入Delay_Resp報文,發送至從站。

從站根據這4個時間戳計算出鏈路傳輸延時和主從時鐘的偏差,對本地時鐘進行補償。鏈路往返延遲為:

dround_trip=(t4-t1)-(t3-t2)

(1)

假設鏈路完全對稱,即主到從t-ms和從到主t-sm時間相等,則單向的傳輸延時為:

(2)

主從時鐘的偏差為:

(3)

然而PTPv2仍然存在一些限制,影響其授時精度:

1)主從時間差受限于時間戳的精度,以千兆以太網為例,其時鐘頻率為125 MHz,時間戳精度只能達到8 ns。

2)主從站的時鐘為單獨運行,各自振蕩器存在一定偏差,因此需要增加發送同步報文的頻率,以便及時進行補償,但是這會給通信帶來負荷。

3)PTPv2將鏈路等效為對稱鏈路,而實際鏈路中存在諸多不對稱性,影響同步效果。

CERN的工程師們提出了完全兼容PTPv2協議的WRPTP協議,通過增加物理層對同步以太網的支持、時鐘相位測量和WR同步鏈路模型解決以上問題。

2.1 同步以太網

對于標準以太網,各節點均對等且獨立運行,而對于同步以太網,各節點構成一個樹形的時鐘網絡拓撲結構,如圖3所示[14]。樹形網絡的根節點作為整個網絡的頻率源,子節點通過數據時鐘恢復(Clock and Data Recovery,CDR)技術,從根節點發送過來的數據流中恢復出同頻時鐘,使得整個網絡所有設備的頻率均與根節點保持同步。

圖3 標準以太網和同步以太網拓撲結構

2.2 數字雙混頻鑒相器

圖4為WR數字雙混頻鑒相器工作原理[14],clkA和clkB分別代表本地時鐘和數據流中的恢復時鐘,它們之間的頻率相同但相位有差異。

圖4 數字雙混頻鑒相器工作原理

為測量相位差,引入外部鎖相環產生的輔助時鐘信號fPLL,該時鐘信號與被測信號clkA和clkB有較小的差異:

(4)

通過測量D觸發器輸出信號的相位差就可計算出被測信號的相位差:

(5)

其中,pDMTD是D觸發器輸出信號的相位差,即被測相位差的時間分辨提高至N+1倍。

2.3 WR同步鏈路模型

WR技術采用單光纖復用方法進行傳輸,WR同步鏈路模型[14]包括主設備(Master)、光纖鏈路(Link)和從設備(Slave),如圖5所示。鏈路總延時包括主從設備的發送延時ΔTXM、ΔTXS和接收延時ΔRXM、ΔRXS,光纖鏈路的傳輸延時為δMS、δSM。

圖5 WR同步鏈路模型

光纖對不同波長光的折射率不同,導致δMS和δSM有差異,WR定義光纖不對稱系數α描述δMS和δSM的關系:

(6)

根據相對標定法確定ΔTXM、ΔTXS、ΔRXM、ΔRXS和α值,在實際應用時無需再次標定。由WR標定手冊[15]的公式推導可知,WR技術能實現標定后的設備優于1 ns的同步準確度[16]。

3 WR時鐘同步網絡

WR時鐘同步網絡由時鐘頻率源、WR交換網和授時節點三部分組成,采用樹形拓撲結構[14](如圖6所示),其中,時鐘頻率源為根節點,授時節點為葉節點。

圖6 WR時鐘同步網絡的拓撲結構

WR交換網由若干WR交換機(WR Switch,WRS)組成,每臺WRS共有18個端口,分為兩類:端口1為上行端口,端口2～18為下行端口。WRS可以根據具體應用的需求,通過上行端口與上級WR交換機級聯,實現與上級WRS同步,通過下行端口對下級設備進行授時。時鐘頻率源由GPS授時設備、原子鐘和具有使能根時鐘功能的WRS組成,借助GPS和原子鐘、WRS與UTC進行時間同步,即整個時鐘網絡的節點可以獲得絕對時間。對于無需絕對時間或是同步精度不高的應用,可以省略這兩部分。

授時節點是時鐘分配系統的授時終端,能夠從WR時鐘網絡內部獲得高精度的同步時鐘。在大型物理實驗中,前端電子學還要完成對探測器信號的讀取、配置等功能。WR雖然提供板卡來完成高精度時鐘的同步功能,但是會增加電子學的成本。因此,LHAASO KM2A采取將WR邏輯和用戶邏輯集成在同一片FPGA的方法,降低了大規模使用WR設備時的開銷。在數據傳輸方面,WR技術僅支持千兆以太網物理層和鏈路層,其他高層協議需用戶自行開發。因此,本文在WR的基礎上開發了一套利用硬件描述編寫的TCP/IP協議棧,實現數據網絡與時鐘網絡的復用。

4 基于WRPC的TCP/IP協議棧

在網絡所使用的各種協議中經常提及的TCP/IP不一定單指這兩個協議,而表示整個因特網使用的TCP/IP協議族[17]。在通常情況下,TCP/IP被認為是一個4層協議系統,包括鏈路層、網絡層、運輸層和應用層[10],如圖7所示。TCP/IP是一個開放性的通信協議規范,即使計算機之間有不同的物理特性或運行著不同的操作系統,也可以通過此協議來完成數據交換。

圖7 TCP/IP協議族的層次結構

標準TCP/IP協議棧內容復雜,因為任何一個終端要與其他節點在各種各樣的網絡形式中通信,都需要不同的控制協議。但是對于LHAASO實驗,每個電子學板具有獨立的IP地址,通過WR交換機進行連接,形成一個封閉的本地網絡,其網絡形式比較簡單。數據傳輸的目的主要是將每個電子學板的數據高效可靠地傳輸給后端DAQ系統,數據網絡不需要過多的控制協議,因此可簡化協議棧。本文設計精簡了標準協議棧,只保留和PC通過Socket通信所必備的協議。

圖8為基于WRPC(WR PTP Core)的TCP/IP協議棧框圖,包括協議棧主體部分、WRPC和接口邏輯。協議棧主體是整個傳輸系統中最重要的組成部分,其控制電子學插件和DAQ系統的通信。接口邏輯完成協議棧和WRPC之間的數據轉換寬度。

圖8 基于WRPC的TCP/IP協議棧框圖

4.1 數據解析(Parser)模塊

Parser模塊需要根據RFC 894[18]的規定解析收到的以太網幀,并按照協議類型字段,將解析出的各字段遞交到其他協議模塊中。在數據格式解析過程中,需要檢查幀的合法性,計算IP、TCP和UDP協議的校驗和。此外,Parser需記錄每條鏈路兩個端點的相關信息(如表2所示),并將這些信息送往其他協議模塊進行后續處理。

表2 Parser模塊需解析的鏈路參數

4.2 TCP模塊

TCP[19]模塊是協議棧中最重要的模塊,圖9為TCP模塊的邏輯框圖,由TCP_FSM、TCP_TXBUF、TCP_RXBUF和Packet Generator 4個子模塊構成。

圖9 TCP模塊邏輯框圖

TCP_FSM是TCP模塊的核心內容,是一個狀態機,完成TCP的狀態轉換邏輯。圖10為TCP/IP協議棧的狀態轉換圖,工作在服務器模式,連接的建立與釋放、擁塞控制、數據校驗等功能均在此模塊控制下完成。在經過Parser模塊解析后,將協議類型為TCP的數據發送到該模塊,其中只有MAC地址、IP地址、TCP端口號及校驗和正確的報文,TCP_FSM模塊才進行下一步的解析工作,例如檢查標志位(RX_TCP_FLAGS)、確認本報文的含義等。在每次發送一個包后,計時器開啟,當ACK收取超時時,TCP_FSM啟動自動重傳操作;同樣,在收到3個相同的ACK時,重傳邏輯也會開始工作。

圖10 TCP FSM狀態轉換

TCP_TXBUF的本質為一塊RAM,用來緩存本地應用層發送的數據,配置為16 KB、32 KB、64 KB。在CONNECTED_FLAG信號置1時,應用層向緩存內寫數據。當緩存滿時,外部電路在128個時鐘內停止寫操作。當緩存內的數據長度超過最大報文長度(Maximum Segment Size,MSS)或是200 μs內沒有再向緩存內寫數據時,TCP_TXBUF會向TCP_FSM提出發送請求。發送數據的長度取決于接收窗口的大小、MSS和緩存內數據量的最小值。

Packet Generator在收到TCP_FSM的使能信號后,先將Parser[18]模塊發送的鏈路信息鎖存,之后按照RFC 894的要求組裝以太網幀,添加TCP、IP、Ethernet的各級首部,計算協議首部中校驗和字段的內容,并根據仲裁結果發送數據。

TCP_RXBUF模塊用于存儲經過校驗后由其他設備發向本節點的數據,可配置為8 KB、16 KB、32 KB。當緩存非空時,外部電路可以讀取緩存內的數據。

對于TCP模塊,只有在計算TCP首部的校驗和字段時,需要對有效載荷部分進行操作,在組裝協議首部時并不會使用其余各層協議的數據。因此,為避免大量數據在組包時移動對協議棧實時性帶來影響[20],采取有效載荷和協議首部分別組裝的方法,即Packet Generator僅用來組裝各級協議的首部,有效載荷緩存在TCP_TXBUF內,在確定發送數據量后,TCP_TXBUF會先計算此部分數據的校驗和,之后將有效載荷的長度和校驗和發送給Packet Generator,用于TCP首部的組裝。

4.3 UDP模塊

UDP[21]模塊完成UDP協議的功能,圖11為UDP模塊的系統框圖。Parser模塊將解析后帶有UDP標記的報文輸入該模塊,進行報文校驗。當應用層有數據發送時,將數據封裝成UDP用戶數據報文。

圖11 UDP模塊系統框圖

本文設計由于面向高能物理實驗,為方便配置指令的傳輸,需簡化電子學上電時的寄存器配置方式。配置指令采用UDP協議發送[12],使探測器數據和配置指令相分離。具體的組包格式如圖12所示,PC將配置指令按照要求的格式打包發送至協議棧,在Parser模塊解析完畢且驗證格式正確后,Configuration_Parser對指令含義進行分析,確定PC端所要求執行的操作。操作執行完畢后生成ACK數據,將其封裝為UDP格式的報文返回至PC,PC收到報文后即可確認此條指令已發送成功。由于UDP是不可靠的運輸層協議,節點發送的確認報文通過UDP傳輸,也有丟失的可能性,因此PC端應增加計時器,當接收回饋超時后啟動指令重傳操作。UDP模塊為可選模塊,在FPGA資源緊張的情況下,可刪除UDP模塊,僅保留TCP模塊并將其作為數據傳輸通道。

圖12 配置指令的組包格式

為避免模塊間的沖突,當TCP和UDP同時請求發送數據時,由仲裁模塊確定優先工作的模塊。

4.4 WRPC實現

時鐘同步功能由固件中的WRPC實現[13],此外WRPC也兼容1000Base-Lx數據傳輸標準,用戶定義模塊可以通過WR Fabric[22]接口發送和接收以太網幀。WRPC還實現了部分網絡層協議，如ARP、ICMP、IGMP[23]。每個時鐘周期，WRPC以16 bit傳輸數據，而協議棧模塊以8 bit傳輸數據，因此需要在協議棧模塊與WRPC之間增加一級FIFO進行寬度轉換[22]，即為圖8中的Interface部分。WRPC收到數據后計算FCS,然后通過FPGA的GTP接口發送至WR網絡。

5 測試結果

5.1 測試平臺搭建

為測試TCP/IP帶寬,在實驗室內搭建如圖13所示的測試平臺。

圖13 實驗室測試平臺

ED讀出電子學通過四臺級聯的WRS連接PC。TCP/IP測試程序運行在ED讀出電子學插件上,插件和PC分別作為TCP的服務器和客戶端。電子學板上只有一片Xilinx Spartan6-100T FPGA,測試邏輯的主時鐘為125 MHz。設置TCP/IP協議棧的發送緩存為16 KB,接收緩存是2 KB。測試數據為32 bit循環累加數,上位機通過調整累加間隔,改變測試板上傳的數據量。上位機程序運行在CentOS 7系統中,需發送累加間隔指令,讀取Socket并檢查收到的數據。此外,上位機還需每秒鐘統計協議棧的發送帶寬,當有錯誤發生時,log文件會輸出錯誤信息。在該測試中的最大報文長度為1 460 Byte的TCP報文。

5.2 帶寬測試

圖14為TCP/IP協議棧性能測試結果,目前測試得到的平均速率約為477.9 Mb/s。對于ED探測器,平均數據率為352 kb/s,MD探測器讀出電子學平均數據量約為2.2 Mb/s,TCP/IP協議棧傳輸速率滿足項目需求。

圖14 ED測試插件向PC發送的數據量隨時間的變化情況

圖15表示當數據以最大速率傳輸時,ED電子學插件與WRS1的秒脈沖(Pulse Per Second,PPS)信號偏差的分布。由于PPS信號由WR設備的本地時鐘驅動計數器產生,因此可用WR設備PPS信號前沿代表其本地時鐘的前沿,即PPS信號的偏差可以用來表示WR設備間的同步精度[14]。由圖15可知,測試期間PPS偏差的均方根(Root Mean Square,RMS)值為19.48 ps,滿足陣列同步精度RMS小于500 ps的要求,說明數據傳輸對于WR的時鐘同步沒有影響。

圖15 ED讀出電子學插件與WRS1的PPS偏差

5.3 資源利用率測試

表3為基于WRPC的TCP/IP協議棧固件消耗的部分資源,綜合軟件為Xilinx ISE14.4,具有大量的資源集成用戶自定義邏輯。

表3 基于WRPC的TCP/IP協議棧固件資源利用情況

6 結束語

本文以LHAASO KM2A實驗為背景,借助WR技術和TCP/IP協議棧,實現高精度時間同步的數據傳輸方法。TCP/IP協議棧在簡化原有協議棧的控制協議且僅保留PC通信協議的基礎上,無需增加額外硬件,即可實現高效可靠的數據傳輸和高精度時鐘同步,降低了系統復雜度、系統建設和維護成本,并提高了可靠性。測試結果表明,平均數據傳輸速率可達477.9 Mb/s,并未影響WR同步精度,滿足LHAASO KM2A讀出電子學系統對數據傳輸速率和時鐘同步的要求。該方案完全由硬件描述語言開發,可方便地擴展到其他多節點且具有時鐘同步需求的電子學應用中,但目前協議棧的數據傳輸能力僅達千兆以太網上限的一半,因此提升協議棧帶寬將是下一步工作的重點。