在TSN的802.1AS协议及其REV协议中,明确定义了1588同步实现的具体方式和细节,但因其有主时钟的缘故,制定了相应的BMCA(最佳主时钟选择)算法及冗余策略来实现其可靠性。
尽管目前对设备灵活性和智能化的需求已成为无线网络研究的热点,但有线网络在具有传感器和执行器设备的实时网络中仍占有不可替代的地位。通过时钟同步系统将一个具有不同设备和协议的混合有线/无线通信系统集成在一起,将成为未来的主流。时间敏感网络(TSN)服务等技术有助于实现混合系统中的实时数据交互和时间同步。但是,由于效率低下,对于处理小型数据以太网帧和耗时的转发过程,限制了其在底层设备中的发展。因此,有线网络的时间同步机制仍然是必要的。除了精度和准确性,算法简单、性能更稳定、成本更低、通信资源占用率更低将是时间同步技术在有线网络领域的突破方向。(需要注意的是,此处所提的TSN中时间同步技术并非特指1588时间同步技术,而是指未来可能在TSN中应用的时间同步技术)
6802时间同步原理
相对于IEEE1588时间同步而言,AS6802协议在实现网络中各个设备之间的时间同步时,并没有选取某一个网络设备的时间作为最佳主时间,而是采用了分布式的时间同步方法,并且AS6802协议有很强大的容错机制(AS6802可以用严谨的数学证明来证明其可靠性),保证了时间同步的稳定可靠。
PCF业务是由AS6802协议规定的,用于时间同步的协议帧,其类型域为0x891d,其帧结构如图所示,PCF帧内容说明如下表中内容。
PCF帧与标准以太网帧完全兼容,其实现AS6802协议功能的字段都在以太网帧的payload域,在PCF帧中我们称其为PCF域。PCF域的具体内容见下图。
其中,Integration_Cycle表示同步的整合周期,表示目前的时间是同步集群周期的第几个基本周期。Membership_New表示PCF帧的成员向量,4字节,每个端系统SM会对应1比特,这样支持的SM数目最多为32个。Sync_Priority表示PCF帧的优先级,在AS6802同步中,CM不接收来自优先级不同的SM的帧,SM和SC不受优先级的影响,可以接收不同优先级CM的PCF帧。Sync_Domain表示同步域,在同一个同步域下的AS6802设备之间才可以进行PCF帧的交换。Type表示PCF帧的类型。PCF有三种类型的帧:冷启动帧(CS),冷启动应答帧(CA)和同步帧(IN)。Transparent_Clock表示透明时钟,这样有利于同步的级联与扩展。
AS6802协议具体建立同步过程如下图,具体步骤如下:
(1)TTE网络中的设备启动,进入非同步状态;
(2)TTE网络中SM是同步过程的发起者,首先向网络中的CM发送CS帧;
(3)CM将收到的CS帧进行固化后,向SM回复CS帧;
(4)SM对收到的CS帧同样进行固化处理,然后等待一个事先预设的固定时延即CS_offset后发送应答CA帧;
(5)CM将SM发来的应答CA帧进行固化后,向SM回复CA帧;自身进入等待IN帧状态,并启动等待IN超时计数,其上限值为事先设定的常量即Wait_IN_timeout;
(6)SM收到CM发来的CA帧后对其进行固化处理,然后等待一个事先预设的固定时延即CA_offset后发送IN帧;
(7)CM在Wait_IN_timeout时间内收到SM发来的IN帧,则进入同步状态,并且校准本地时间同时向SM回复IN帧,否则CM重新回到失步状态;
(8)SM收到CM发来的IN帧后,进入同步状态并且校准本地时间,否则进入失步状态。