时间触发以太网同步及调度机制的研究

直接反映出它们之间绝对的时间顺序并可以得到精确
的时间差。其中最大传输延迟是设施配置时设定的网
络参数。
2） 压缩函数
压缩 函 数 （ Compression Function） 只 在 CM 中 实
现，其目的在于将与之相连的 SM 时钟进行加权作为
该 CM 同步域的基准时钟。其具体作法是将一组由
SM 发送的具有时间差的同步数据帧的固化时刻点压
TTE 交换或转发设备需要支持“透明时钟”。
TTE 引入 IEEE 1588 V2 中的 P2P 透明时钟的概
念，时钟同步的过程采用专门的时钟同步控制帧（ Pro-
tocol Control Frame，PCF） ，其中含有 8 字节的透明时钟
（ Transparent Clock，TC） 域。
所谓透明时钟是指有专用交换设备记录数据帧进
本文首先分析 TTE 的同步机制，在此基础上，提 出适用于 TTE 的交换网络调度时刻表的离线及动态 生成方法，并通过实例加以验证。
1 TTE 的同步
1． 1 同步的基础设施 为了保证时间同步的实现，TTE 提出同步控制器
（ Synchronization Master，SM） 发机制调度的周期性任务，提出生成周期调度时刻表的方法，利用方法可以根据离线生成
的调度时刻表进行调度，也可以动态地将通信任务加入或撤出调度时刻表，调度时刻表的设计避
免时间触发的数据包争用物理链路。构造相应的网络通信场景，通过生成调度时刻表的算例与仿
真结果进行了验证。
关键词： 实时系统； 以太网； 时间触发； 时钟同步； 周期调度时刻表
（ 6）
由（ 4） 式得：
加权平均，加权平均后的结果称为压缩校正（ CC） ，该
过程计算经过的时间称作计算延迟（ CO） ，CO 的长度
是固定的。从而得到压缩校正时间长度延迟后的时刻
点。即：
tc － p，k = tp － p，0 + TCW + TCO + TCC
（ 5）
其中 tc － p，k 为压缩时刻点，TCW ，TCO ，TCC 分别为 CW，CO
第 41 卷 第 4 期 2011 年 7 月
航空计算技术 Aeronautical Computing Technique
Vol． 41 No． 4 Jul． 2011
时间触发以太网同步及调度机制的研究
刘晚春，李 峭，何 锋，熊华钢
（ 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191）
摘 要： 说明并分析时间触发以太网（ TTE，Time- Triggered- Ethernet） 的时间同步机制，对于采用
时间触发以太网（ TTE） ，即以时间触发代替事件 触发，将通信任务通过合理的调度定时触发发送，被称 为时间触发（ Time- Triggered，TT） 流量，可避免数据帧 争用物理链路，保证实时性。目前，作为时间触发以太
网的实用性进展，TTTech 公司已经发布了 TTEthernet 规格书［1］，SAE 组织针对 TTE 的 SAE AS6802 标准［2］ 也即将形成。从发展趋势看，TTE 有望作为 AFDX 互 连的子集，在大中型飞机的综合化互联中占据一定的 份额。然而，在 TTE 的应用中，必须要创建适用于交 换网络的调度时刻表的生成设置与维护方法，并使 TT 流量与 RC 流量及 BE（ Best Effort，“尽力传”） 共存。
中图分类号： TP393
文献标识码： A
文章编号： 1671-654X（ 2011） 04-0122-06
Research on Time- Triggerd- Ethernet Synchronization and Scheduling Mechanism
LIU Wan- chun，LI Qiao，HE Feng，XIONG Hua- gang
1． 2 同步操作的基本功能函数 1） 接收时刻固化函数 SM，SC，CM 中 都 需 要 实 现 接 收 时 刻 固 化 函 数
（ Permanence Function） ，其目的是在接收端恢复出由 数据帧发送的相对时刻所决定的帧之间的绝对时间顺 序和精确的时间差。
的最大传输延迟，记为 Dtx，max ，则用公式（ 4 ） 可计算得
SMk 与 SM 整体平均时钟达到一致。因此可以得到本
轮次的时钟校正值 δk：
δ = t － t k SM － s － p － p，k SM － p － p，k
（ 15）
图 4 时钟同步的周期性过程
1） CM 同步及时钟校正
CM 对收到的 PCFi，k 进行固化和压缩，其中 i 表示 第 i 个循环轮次。k 是 SM 的编号。对于循环轮次 i 的
（ 14）
由其中 t 由 SM － d － p，k SMk 的本地时钟测量，而式中
右边其余想均为已知或先验已知。由（ 4） 知 tSM － p － p，k
为 SM 本地测量值 tSM － r － p，k 经固化函数得到的输出值，
即 tSM － s － p － p，k 为 对 tSM － p － p，k 的 估 计 值，估 计 的 前 提 是
收稿日期： 2011 － 03 － 08
修订日期： 2011 － 07 － 04
基金项目： 国家自然科学基金民航联合基金项目资助（ 60879024） ； 国家自然科学基金项目资助（ 61073012）
作者简介： 刘晚春（ 1988 － ） ，女，内蒙古包头人，博士研究生，主要研究方向为航空电子网络，无线宽带技术。
和 CC 的延迟，它们都是固定值。而 TC － C 由所有来自
于 SMk 帧 的 固 化 时 刻 点 tp － p，k 与 最 早 的 固 化 时 刻 点
tp － p，0 的差值共同决定。
图 3 压缩函数时刻图
图 2 固化函数时刻图
如图 2 所示，在接收端本地时钟的测量，远程节点 的尽量发送时刻点（ dispatch pit） 的值 td － p未知，只能测 得接受时刻点（ receive pit） 的值 tr － p，但只要设定足够
到固化时刻点（ permanence pit） 的确切值 tp － p，有
tp － p = tr － p + Dtx，max － Tt － c
（ 4）
固化时刻点是相对于本地时钟的数据帧发送时刻
经过最大传输延迟后的时刻点。通过最大传输延迟和
接收端本地接收时刻点可以恢复出发送时刻点（ dis-
patch pit） 。对于多个数据帧的情况下，其固化时刻点
1． 3 同步的过程 TTE 的时钟同步过程是在系统的开始运行时进行并
建立同步的，并在系统的运行过程中一直进行着同步。 同步过程分为两步： SM 向其相连的 CM 发送时钟
同步控制帧 PCF，CM 向其相连的 SM 和 CM 发送压缩 后的时钟同步数据帧。
具体过程如图 4 所示： CM 采集所有 SM 发送到达 的 PCF，并使用 CF 将收到的 PCF 进行相应的延迟，调 整本地时钟 CCM，并以同一个时刻发送回与之相连的 SM 和 SC，同 时 被 称 为 CM 同 步； 而 SM 根 据 返 回 的
2011 年 7 月
刘晚春 等： 时间触发以太网同步及调度机制的研究
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Client，SC） ，压缩控制器（ Compression Master，CM） 三
种基础设施。在 TTE 网络中，相应的嵌入式节点根据
时钟同步的功能担当 SM，SC 或 CM 的角色，这些角色
既可以 由 交 换 机 充 当，也 可 以 由 端 系 统 充 当。 另 外，
缩到一个平均时刻点，即压缩时刻点（ compressed pit） 。
如图 3 所示，其原理是 CM 将一组数据帧中最早的一
个固化 时 刻 作 为 起 始 点 开 启 固 定 长 度 的 采 集 窗 口
（ CW） ，采集该组帧其余所有的固化时刻。CW 结束
后，每个固化时刻相对第一个固化时刻的时间差进行
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航空计算技术
第 41 卷 第 4 期
PCF 自发地调整本地时钟 CSM，被称为 SM 同步。这两 步是循环进行的，且各同步过程的轮次在时间上是相 互交叠的，但只要 CM 上的采集窗口 CW 不交叠即可。
正量为 0，有：
tSM － s － p － p，k = tSM － d － p，k + 2Dtx，max + DCM
引言
经过适用性改造的交换式以太网已经被用于分布 式嵌入式系统中。对于航空电子系统这样的任务或安 全关键性系统，需要具有时间确定性保证。AFDX 网 络提出了时间确定性机制，引入虚拟链路、BAG 等流 量控制的机制，使通信任务的速率受到约束被称为速 率受限（ Rate Constraint，RC） 流量。然而，RC 流量在经 过多级交换复用排队后，时延或时延抖动的确定性界 限仍不易得到保证。时间触发概念的提出，其目的是 在于通过全局的时钟精确同步，使通信任务和收发操 作具有完全的时间确定性。
所有 SM 发出的 PCFi，k，我们希望它们的发送时刻点在 物理时间上完全一致，即在 CM 中的固化时刻点一致，
并与 CM 预计的发送时刻点也完全一致，CM 预计 SM
的 PCF 发送时刻点为 tCM － s － d － p 则式（ 5） 中 TCC 及压缩
校正 δCM≡0，设此时的压缩时刻：
tCM － s － p = tCM － p － p，0 + TCW + TCO
入与离开节点的时间，并得到两者之差，通过硬件改写
PCF 的 TC 域，使数据帧的节点驻留时间得以积累，而
总延迟时间为所有节点驻留时间与路径延迟的总和， 也被称为“透明时钟”（ transparent clock） ［3］，记为 Ttc。 在 图 1 所示的时钟同步过程中，从 A 到 B 的总延迟时