基于多域冗余的車載時間敏感網(wǎng)絡(luò)時間同步增強(qiáng)方法

關(guān)鍵詞：時間敏感網(wǎng)絡(luò)；時間同步；多域冗余；鏈路故障；車載網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：ＴＰ３９３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３５

０引言

以自動駕駛為代表的現(xiàn)代汽車智能技術(shù)迅速發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)正在從傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)轉(zhuǎn)向域集中式電子電氣架構(gòu)［１］。在電子電氣架構(gòu)演化的背景下，以太網(wǎng)因其高帶寬、高可用性以及低成本特性逐漸成為車載主干網(wǎng)絡(luò)公認(rèn)的解決方案［２３］。與此同時，為了滿足車載通信實時性與可靠性的需求，ＩＥＥＥ８０２．１時間敏感網(wǎng)絡(luò)工作組推出時間敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［４７］，以增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)。時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為車載以太網(wǎng)通信提供時間同步、確定性通信、可靠傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理４個主要功能，其中為車載通信網(wǎng)絡(luò)部署時間同步服務(wù)是時間敏感網(wǎng)絡(luò)最重要的任務(wù)之一［８］。一方面，在車載分布式系統(tǒng)之間建立公共時間的概念為許多車載應(yīng)用提供基礎(chǔ)設(shè)施，如傳感器融合、同步執(zhí)行器觸發(fā)和診斷事件記錄；另一方面，時間同步機(jī)制是時間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部許多時間觸發(fā)的調(diào)度機(jī)制［９］正常運(yùn)行的保證，如分時調(diào)度、流量過濾與監(jiān)管以及循環(huán)隊列轉(zhuǎn)發(fā)，這些調(diào)度機(jī)制能夠嚴(yán)格保證消息的定時要求，以確保混合流量的確定性實時通信［１０］。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)工作組在ＩＥＥＥ１５８８精準(zhǔn)時間協(xié)議（ｐｒｅ-ｃｉｓｅｔｉｍｅｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＴＰ）［１１］的基礎(chǔ)上提出ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ 時間同步協(xié)議［１２］。作為時間敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族的一部分，該協(xié)議為基于以太網(wǎng)通信的分布式系統(tǒng)提供時間同步服務(wù)［１３］。然而，該協(xié)議的最初版本忽視了車載通信領(lǐng)域?qū)煽啃院桶踩缘男枨螅诿鎸r間同步攻擊與鏈路失效時，其效果會受到較大影響［１４１５］。為了滿足特定通信領(lǐng)域?qū)煽啃院桶踩缘男枨螅桑牛牛牛福埃玻?ＡＳ 協(xié)議的最新版本ＡＳ-２０２０提出多域同步的特性。多域同步通過在同一個物理網(wǎng)絡(luò)中部署多個時間同步域，為時間同步過程提供冗余保證。然而，ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協(xié)議沒有涉及多域同步的具體實現(xiàn)方法和機(jī)制，針對許多關(guān)鍵問題，包括端節(jié)點如何使用多個時間域的時間，仍未明確規(guī)定。

多域時間同步是時間同步協(xié)議中一個新穎的特性，因此目前對于多域時間同步的研究還有待擴(kuò)展。先前的文獻(xiàn)已經(jīng)充分討論了ＰＴＰ的冗余特性。Ｃｈｉｎ等［１６］討論采用冗余主時鐘來應(yīng)對主時鐘失效，以保護(hù)時間同步。Ｒｉｎａｌｄｉ等［１７］分析采用多路徑同步信號提高頻率時間同步精度的可能性。Ｍｉｚｒａｈｉ［１８］提出一個名為“從機(jī)多樣性”的概念，即通過在一個主時鐘與一個從時鐘之間建立多條同步多路徑，減少不對等鏈路所產(chǎn)生的時間同步誤差，提高時間同步精度。然而，上述工作僅限于ＰＴＰ，并且均未涉及多域時間同步的概念。Ｈｕ等［１９］研究多域同步應(yīng)用于跨域同步時的性能，提出一種軟件定義的時間補(bǔ)償機(jī)制，用于彌補(bǔ)由時間同步信息跨域傳播所引入的誤差。Ｋｙｒｉａｋａｋｉｓ等［２０］為了探究面向冗余與安全需求的多域同步，提出一種基于觀察窗的多域同步設(shè)計，旨在通過過濾接收的時間同步信息來提高安全性。該研究提供了一種容錯設(shè)計以確保可用性，但這是針對ＰＴＰ的端到端同步模式進(jìn)行的，與ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協(xié)議的點對點模式存在差異。綜上所述，目前對于時間同步協(xié)議冗余機(jī)制的研究主要集中在ＰＴＰ 的端到端同步模式上，很少有工作基于多域同步特性研究ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協(xié)議時間同步的冗余機(jī)制。

因此，本文旨在研究多域同步的具體實現(xiàn)辦法與機(jī)制，旨在回答實現(xiàn)多域同步的關(guān)鍵問題。研究時間同步協(xié)議的機(jī)制原理，介紹一個基于多同步域?qū)崿F(xiàn)的冗余時間同步架構(gòu)，并指出多域同步具體實現(xiàn)需要解決的問題，即如何處理多個同步域的時間信息以獲得準(zhǔn)確的全局時間。同時，分析時間誤差的兩種主要來源，即時間同步誤差與時鐘漂移誤差，并建立數(shù)學(xué)模型來估計其最壞情況誤差。最后，指出時間誤差的關(guān)鍵影響因素與改善途徑。在分析時間誤差的基礎(chǔ)上，本文提出兩種時間同步域選擇算法，分別是交替同步域選擇算法與基于時間窗的最小跳數(shù)優(yōu)先域選擇算法。這兩種算法用于從多個冗余域中選擇合適的時間同步信息，以實現(xiàn)鏈路冗余。算法考慮時間誤差的來源，以改善時間同步的精度。最后，在網(wǎng)絡(luò)仿真工具ＯＭＮｅＴ＋ ＋ 平臺上搭建實驗環(huán)境，以評估所提算法的有效性和性能。實驗結(jié)果表明，所提算法能夠有效地處理多個同步域的信息，以保證在鏈路失效發(fā)生時提供無縫冗余保護(hù)。同時，在失效未發(fā)生情景下，算法能夠改善時間同步的精度。本文的主要貢獻(xiàn)可以總結(jié)為以下３點：

（１）提出一個考慮時鐘漂移與時間戳誤差的時間誤差數(shù)學(xué)模型，用于估計最壞情況時的性能；

（２）提出兩種應(yīng)用于同主時鐘多域同步的時間同步信息選擇算法，分別是交替同步域選擇算法和基于時間窗的最小跳數(shù)優(yōu)先域選擇算法；

（３）提出一份針對所提算法應(yīng)用于多域同步的有效性評估和性能評估的仿真分析。

１時間同步協(xié)議與多域特性

ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協(xié)議規(guī)定了一種周期性的時間同步機(jī)制，用于確保分布式節(jié)點建立一個公共的時間基準(zhǔn)。該協(xié)議包由３個主要部分組成：最優(yōu)主時鐘的選取、鏈路延遲的測量以及時間同步信息的分發(fā)，其中時間同步信息的分發(fā)是實現(xiàn)時間同步的關(guān)鍵機(jī)制，規(guī)定節(jié)點如何處理時間信息以完成同步，以及如何更新時間信息并將其繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點。最優(yōu)主時鐘的選取和鏈路延遲測量則是實現(xiàn)時間信息分發(fā)的前提條件。前者選擇了網(wǎng)絡(luò)中的時間信息生成節(jié)點，即最優(yōu)主時鐘，并確定時間信息如何在網(wǎng)絡(luò)中傳遞；后者測量傳遞時間信息的兩個節(jié)點之間的鏈路延遲，以供時間同步過程使用。此外，ＩＥＥＥ８０２．１ ＡＳ 協(xié)議的最新版本ＡＳ２０２０提出一個新特性多域同步，以滿足冗余的需求。多域同步允許網(wǎng)絡(luò)中多個時間同步域并行存在并運(yùn)行，彼此之間相互獨立，互不干擾。

１．１最優(yōu)主時鐘的選取

選擇最優(yōu)主時鐘作為根節(jié)點來構(gòu)建時間同步樹，等同于為每個節(jié)點配置所有端口的屬性。一旦配置完成，時間同步信息傳遞的方向就在事實上確定了。對于不易配置的大型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，這個過程一般采用最優(yōu)主時鐘算法（ｂｅｓｔｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＢＭＣＡ），該算法通過節(jié)點之間Ａｎｏｕｎｃｅ報文的交換來選舉出最優(yōu)主時鐘節(jié)點及構(gòu)造時間同步樹［２１］。而對于車載通信網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)配置節(jié)點屬性與端口屬性來替代ＢＭＣＡ［２２］。

圖１展示了在一個小型環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中配置時間同步生成樹的結(jié)果。配置過程為每個節(jié)點的端口指定了屬性。時間同步消息只在最優(yōu)主時鐘節(jié)點生成，并從主端口轉(zhuǎn)發(fā)到從端口，圖中的箭頭指示了時間同步消息的傳遞流向。定義ＧＭ 為時間感知系統(tǒng)犻在狋時刻最優(yōu)主時鐘的時鐘值。

５結(jié)束語

為滿足車載通信領(lǐng)域時間同步系統(tǒng)的冗余需求，本文提出一種基于多同步域的冗余時間同步架構(gòu)。該架構(gòu)旨在解決端節(jié)點如何應(yīng)用多個冗余域的時間信息的問題。在該架構(gòu)上，綜合考慮緩解時鐘頻率誤差和時間同步誤差的方法。設(shè)計兩種時間同步域選擇算法：多域交替同步算法與最小跳數(shù)優(yōu)先算法。所提出的算法用于在滿足鏈路冗余要求的前提下，減小時間誤差，改善同步性能。最后，在仿真環(huán)境中驗證了所提架構(gòu)和算法。仿真實驗結(jié)果表明，該設(shè)計能為時間同步過程提供鏈路無縫冗余保護(hù)。同時，多域交替同步算法能夠改善網(wǎng)絡(luò)中的整體同步性能，時間同步精度提升幅度可達(dá)５０％。而最小跳數(shù)優(yōu)先算法主要改善邊緣節(jié)點的同步穩(wěn)定性。

本文的工作重點考慮了多域時間同步機(jī)制中針對時間同步鏈路無縫冗余的域選擇策略，然而在可靠時間同步系統(tǒng)中主時鐘熱備份問題也是一個值得深入探討的主題，未來會將主時鐘熱備份機(jī)制中的故障切換策略作為研究重點。

作者簡介

羅峰（１９６９—），男，教授，博士，主要研究方向為車載網(wǎng)絡(luò)總線、車載信息安全。

周杰（１９９８—），男，碩士研究生，主要研究方向為車載時間敏感網(wǎng)絡(luò)。

王子通（１９９８—），男，博士研究生，主要研究方向為車載時間敏感網(wǎng)絡(luò)。

張曉先（１９６７—），男，主要研究方向為汽車電子嵌入式軟件。

孫志鵬（１９８６—），男，博士，主要研究方向為汽車電子。