【摘 要】
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随着工业技术的快速发展,面向实时工业现场的监控信息采集和自动控制逐渐兴起,大量的音视频和实时控制数据需要通过工业以太网传输,这对于传统的网络提出了更高的要求。为了满足工业以太网IT和OT的融合、以及实时性和确定性需求,IEEE推出了基于标准以太网队列调度的时间敏感网络。为了向时间敏感网络提供统一的高精度的时间基准,IEEE TSN工作组制定了IEEE 802.1AS时钟同步协议。该协议通过将网络中
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随着工业技术的快速发展,面向实时工业现场的监控信息采集和自动控制逐渐兴起,大量的音视频和实时控制数据需要通过工业以太网传输,这对于传统的网络提出了更高的要求。为了满足工业以太网IT和OT的融合、以及实时性和确定性需求,IEEE推出了基于标准以太网队列调度的时间敏感网络。为了向时间敏感网络提供统一的高精度的时间基准,IEEE TSN工作组制定了IEEE 802.1AS时钟同步协议。该协议通过将网络中各个节点都同步至竞争选择出的唯一最佳主时钟,从而确保时间敏感网络中数据传输和节点应用的时钟同步和低延时。IEEE 802.1AS协议目前的主要研究方向在于如何提高时钟同步的性能,如何提高同步的可靠性,以及如何更好的适应TSN的动态网络应用。本文对IEEE 802.1AS时钟同步协议进行了详细研究,对协议中所定义的时间感知网络和时间感知系统架构进行了细致了解,对协议中所使用的最佳主时钟算法、传播延时测量算法和时钟同步信息传递算法的原理进行了分析。针对于原协议机制中的不足,提出了对于时钟同步算法的多种优化设计方法。通过新增端口角色,利用原被弃报文在节点上组成双同步路径,提高节点同步的精确度和可靠性;通过设置端口的报文触发机制,及时感知网络中新增节点,提高时钟同步的动态性能;通过增加特定报文的时间戳获取,补偿时钟同步过程中未记录的双步延时,提高节点同步的准确性。使用OMNe T++网络仿真软件搭建了模块化的时间感知系统模型,设计了多种仿真实验,测试了所设计仿真模型的时钟同步机制和验证了本文优化算法的有效性。仿真结果表明,所设计的时间感知系统,能够实现完整的IEEE 802.1AS协议所定义的时钟同步机制,本文所提出的优化算法相较于原协议能够有效提高时钟同步的精确度、准确度、可靠性和动态性能,对于复杂混合型网络和动态网络的兼容性好。
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