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使用PTP实现基于有线-无线混合网络的IEEE802.11时钟同步
Aneeq Mahmood, Felix Ring
奥地利科学院综合传感器系统研究所
奥地利，维也纳新城（2700），维克多bull;卡普兰路2号
Email：{aneeq.mahmood, felix.ring}@oeaw.ac.at
摘要
在自动化工厂里，实时通信基础设施的当前目标是合并、平衡有线和无线网络的优点—有线网络的可靠性和无线技术的灵活性。我们通过混合有线-无线网络提出了在自动化工厂建立实时通信网络基础设施的设想。但是研究者们保证同步时钟的问题研究了很多，关于有线和无线同步的集成却经常被忽视。在本研究中，在以IEEE1588为核心同步协议、基于WLAN的混合网络基础上，我们调查了为这类网络提供时钟同步的需求。最后我们基于WLAN的混合网络的性能给出了仿真结果并且对实现结果进行了评估。
简介
以太网在工厂中的广泛应用展示了当前自动化通信技术适应现有的、标准化的趋势，取而代之的是从零开始开发新产品。这种趋势预计将持续下去，使无线局域网成为工业局域网实时通信的焦点。无线设备引入灵活性和移动性等特性为广泛的新应用程序铺平了道路。商用现货(COTS)的WLAN硬件在价格方面很低廉，对于许多应用程序场景很有吸引力。但是数百个无线节点在工厂内自由移动这个想法目前还有点牵强，这意味着我们需要高度的监控，并采取控制措施以确保安全服务质量(QoS)，目前为止，还没有这样的先例。目前的技术水平是使用混合网络在工厂中的通信系统，结合可靠的有线和灵活的无线技术的优点，来完成我们的目标。
但是就像以太网和COTS的情况一样，WLAN设备不适合实时通信，这是因为信道接入方案是基于载波侦听多路访问/冲突避免 (CSMA/CA) 的技术。CSMA/CA将导致无线信道上不确定的传输时间，工业通信不能接受这一点。同时，抛弃标准化的WLAN硬件很不明智，这将破坏低成本、消费级硬件模块的目标。一种解决方案是像一个系统中所设计的那样[4]，用一个特殊的应用程序和MAC层之间的中间件来提供实时通信及一些其他的功能。与此同时，由于有了在混合网络中提供实时通信的讨论，同步时钟并提供公共的时基系统的问题则很少被讨论。通常系统的时钟被认为事先同步的。对于混合网络架构来说，提供时钟同步不是与组合现有解决方案一样简单。事实上这其中存在两种不同的通信技术，这就需要网络和均匀时基应该与这两种技术兼容。本文重点讨论为这样一个混合系统提供时钟同步的需求，并模拟和实现IEEE 1588性能的结果，为一个实时网络提供参考。选择场景包括由一个硬件(HW)时间戳启用的有线以太网部分，这些设备可以在市场上买到。WLAN部分由COTS设备组成，并且只支持基于软件(SW)的时间戳。
论文的其余部分结构如下：第二节提供与混合网络中的同步有关的工作；第三节重点介绍了在混合网络中时钟同步的要求；第四节讨论在典型的混合系统中同步的各种实现；第五部分包括使用仿真和来自试验台的结果对混合网络时钟同步的性能评估；最后一节将介绍结论及进一步的讨论。
相关工作
尽管文献中有很多讨论混合网络在自动化方面的研究，但是大多数解决方案的重点是为这样一个系统提供一个通信框架系统，并没有涉及到一个共同的供应时基。作者在[2]讨论了系统设计和不考虑同步的无线现场总线的可行性。[1]中提出了另一个用于工业通信的架构，但作者假定系统已经支持了时钟同步，更多关注了混合系统中服务质量(QoS)和移动性支持的研究网络。
对于一个混合网络，作者在[5]中提出了用COTS无线装置取代有线网关到终端路由器，并实现精确时间协议(PTP)。为了对无线媒体上同步数据包的可变通道访问延迟进行补偿，作者们建议增加频道上的同步速率。因此，这种方案提供了一个可变的同步开销和一个毫秒范围内的同步抖动，对于诸如网络控制系统[6]这样的同步网络来说，这个抖动太高了。IEEE 802.1as和IEEE在[7]中提到的基于802.11v的解决方案代表了类似的情况，但他们还没有在音视频桥接(AVB)网络领域之外使用。此外，同步结果对于混合的AVB网络仍然不是公开可获得的。像[8]这样的实现仅限于模拟并且不提供关于时间戳抖动的详细信息。
混合系统中的时钟同步需求
设计一个混合的实时系统不能被分开考虑，因为两个任务都有各自的需求。这些需求如下：
a.同步精度：这个需求取决于目标的应用程序。需要几个纳秒的时钟同步精度的应用程序需要HW时间戳的支持。带有COTS WLAN的系统设备不能保证如此高的精度，它的同步范围为毫秒或微秒，更适合用于要求低同步精度的应用。COTS WLAN设备决定了混合网络可以支持哪些应用程序。
b.浅啮合：有限数量的网络单元的系统的PTP实现已经被开发出来，比如边界时钟(BCs)和透明时钟(TCs)。由于级联控制循环，所以级联BCs抖动呈指数增长，同时由于抖动与级联不同步，因此TCs只呈线性增加[9]。但是如果TCs是没有和master时钟耦合，或者TCs有质量差的振荡器，停留时间的计算将受到影响。对使用支持硬件时间戳的网络进行测量，结果表明，端到端(E2E)同步精度可以达到高纳秒或微秒级[10]。在软件时间戳的情况下，网络单元的数量是至关重要的，每个单元都会添加显著的抖动。
c.无线兼容性：PTP有线网络已经初步开发完成。各种有线通信技术已经添加完了相应的配置文件。但是不做任何更改协议就在WLAN上部署，不可能做到无缝，例如在[11]中讨论的为Delay_Req禁用多播。此外，同步流量对带宽产生的开销应该很小，并且应该以高优先级发送以减少传输抖动。
d.可扩展性：为了避免在一个单元中有太多节点的AP而超载，网络应该是弹性的，这样就可以方便地添加新的AP以实现负载共享。应该规定所有APs同步到同一时间源。此外，移动节点应该能够从一个AP漫游到另一个AP。因此，PTP应该确保漫游节点在其时钟失去同步之前预先选择一个新的主机。
图 1一个显示无线领域和相关时钟的简单混合架构
图1显示了一个基本的混合架构，以及几个时钟与混合系统中的设备相关联的实体。从PTP的角度来看，grandmaster是一个原子钟或一个座钟，它作为参考时钟，通过GPS同步时钟连接到主干网络。主要主干网络元件是一种可编程逻辑控制器(PLC)，直接或间接控制工厂的I/O设备。这种骨干通信技术应该是PTP兼容的，从而使I/O设备的时钟同步到grandmaster。iec61158型10 (PROFINET)就是其中之一，它支持传输如IEEE 1588v2所述[4]标准。
一个开关作为TC连接多个AP到骨干网。接入点控制无线网络系统的一部分并提供到以下节点的连接，如图1所示。在这个拓扑结构，AP充当TC或BC，节点是普通的时钟。在这样的拓扑结构中， grandmaster或AP将作为节点的主时钟。由于节点作为从时钟是静态的，因此它们将不会在主时钟选取中相互竞争。这种方法避免了时钟在单元中被重新配置[10]。
混合系统中时钟同步的前提条件
对于实时混合系统来说，无线网络的存在增加了通过无线介质进行确定性通信的需求。这反过来又要求在WLAN上仅使用COTS设备。下面将讨论建立无线同步和无线实时通信这两个问题：
无线时钟同步：在正常的操作下[12]，WLAN设备负责使用定时同步功能(TSF)与其关联的AP进行同步。AP中的TSF计时器独立于AP的系统时间。为了使终端设备与grandmaster同步，AP需要将其TSF计时器与PTP所控制的系统时间进行同步，因此同样需要将节点上的系统时间同步到TSF计时器。节点上的TSF定时器由WLAN硬件控制，在失去连接时可以重新设置。因此，使用TSF定时器进行节点同步会使无线同步变得很复杂并且不可预测。一个更简单的解决方案是在应用程序层使用PTP将节点同步到AP。[11]中已经实现了这样的工作模式。使用带有软件时间戳的COTS WLAN设备可以达到亚微秒级精度。
无线介质上的确定性传播:为了确保无线介质上的实时通信，WLAN基于竞争的信道访问方案（CSMA/CA）需要被TDMA等无竞争的方案所取代，以确保信道上的访问和延迟是确定的。[13]中提出了一个方案，作者提出使用开源的WLAN设备驱动程序来控制MAC层的随机回退时间，以尽可能短的帧间空间传输所有的实时数据包，从而控制媒体。
该方案与文中描述的HCCA方法相似[12]。即建立实时通信，将beacon帧以固定的间隔发送出去，并划分出所谓的超帧。beacon帧包含并分发TDMA调度的节点信息。每个超帧由一个无争用的阶段(CFP)和争用阶段(CP)构成。CFP在发送信标帧之后立即启动，并首先处理从AP到单元中的节点的下行流量。然后节点开始根据分布式调度，一个接一个地向AP发送上行通信流。在最后一个节点完成后，CFP阶段结束，CP阶段开始，节点、AP和所有遗留的WLAN设备可以使用[12]中描述的标准CSMA/CA方法进行通信，直到发送下一个beacon帧。由于CFP阶段是为通过无线信道从PLC发送和发送实时通信流而预留的，所以包括所有PTP消息在内的最佳流量只允许在CP阶段中使用。
有线-无线-接口时钟
AP可以作为PTP TC或BC的实体。对于一个TC实现，AP将工作在有线-无线桥接模式，所有的PTP流量都来自有线接口并可以直接传递到无线接口。但是一站式TC不能用在混合系统中，因为无线接口只支持可能影响驻留时间计算的不太精确的软件时间戳，混合系统只能使用双站TC。此外，随着PTP流量只允许在CP阶段发出，因此数据包必须在AP中等待，并不会按预期尽快送出去[4]。为了更好地控制频道上的PTP流量，AP将不是一个双站TC，而是一个混合BC (HBC)。这种时钟的基本结构如图2所示。
图 2一个基本的混合边界时钟结构与每个端口/接口PTP实现
与传统的有线BC相比，HBC呈现出一种不同的设计范式。首先，连接到传统有线BC的终端设备的数量取决于BC上可用物理接口的数量。在HBC上，只需要一个无线接口就可以连接许多终端设备。HBC的设计比多端口BC要简单得多，因为典型的HBC只需一个有线物理接口和一个无线物理接口即可实现。这样做的缺点是无线信道只有半双工工作模式，并且它的软件时间戳不如硬件时间戳精确。
与典型的BC类似，HBC设计范式可能在每个物理接口上有多个PTP端口，但是对于图2中显示的更简单的设计，每个接口只考虑一个端口。然而，HBC中的每个端口/接口实现对于有线和无线接口是不同的。首先，根据图1的拓扑结构，有线接口始终处于从状态，无线接口始终处于主状态。因此，PTP实现应该根据接口预先修复端口的状态。此外，由于以太网和WLAN的物理层和MAC标头是不同的，因此在HBC内部应该对数据包标识和时间戳进行单独的接口实现。这一过程以太网在硬件内部进行，但是对于WLAN，只有当硬件将数据包交给设备驱动程序(如图2所示)时，才能进行软件时间戳的包标识。
最后，虽然两个接口共享相同的时钟，但时间戳是不同的。SW时间戳是通过调度一个调用来读取时钟的更高抽象(例如一个计数器)，从而进行绘制，而HW时间戳则是通过直接读取硬件时钟的时间寄存器，如图2所示。
对PTP 的无线支持
在一个基本的HBC的帮助下，无线设备可以同步到grandmaster。但是，可以在这样的网络中提供进一步的无线支持，以使系统具有更大的弹性，并减少网络上的同步开销。下面将讨论这些方法：
快速主切换：虽然AP始终是节点的主时钟，但需要支持节点之间的快速漫游，使系统更具可扩展性。因此，HBC内部的协议实现应该满足漫游节点在切换时不丢失同步。根据[4]，在切换到新AP的情况下，节点将忽略来自新AP的所有同步消息，直到ANNOUNCE_RECEIPT_TIMEOUT_EXPIRES事件发生，之后它将进入监听状态。然后，slave将等待至少两个从新的主时钟发来的Announce消息，之后它才回到slave状态。因此，在切换的情况下，虽然从服务器不会试图成为主服务器，但它将忽略来自新AP的同步消息，它的时钟将自由地运行，从而影响实时通信。这个问题的解决方案是，从服务器应该接受所有来自新AP的通知和同步消息，并绕过默认的最佳主时钟算法。要使这个解决方案工作，从的WLAN驱动程序必须确保传入的PTP消息中的主时钟的ID (AP的MAC地址)总是与与节点相关联的AP的ID相匹配。这种方案接收来自相关AP的每个Announce消息，这与在同步AVB网络[7]中使用的方案相同。
低同步开销：如前所述，PTP事件和一般消息是在CP阶段发送的，其中PTP数据包必须与网络中其他节点的流量进行竞争。其他节点流量可以是PTP流量，比如Delay_Req消息，也可以是与终端设备相关的其他流量。根据网络负载的不同，在下一个超帧开始之前，来自AP的PTP流量不会在CP阶段传输。在一个严重拥挤的网络中，这甚至可能导致更长的时间内没有收到同步消息，从而导致节点的自由运行，从而恶化了同步，并最终威胁到网络中的整个通信。
为了解决这个问题，Synchronization和Announce消息可以嵌入到无线beacon帧中，如[13]中所述。IEEE 802.11信标帧具有特定于供应商的字段，该字段可以包含标记数据。此字段可用于嵌入PTP消息。在从端，需要从信标帧中提取PTP相关信息，放入虚拟的PTP帧中，这样解决方案对于更高的协议层是透明的。该方法显著降低了PTP流量开销，这是将AP作为HBC而不是TC来操作的另一个理由。
需要注意的是，无线信道总是容易受到干扰或受到阴影效应的影响，从而导致数据包丢失。如果beacon帧没有被slave收到，它的时钟将从master开始漂移。但是，如果节点接收beacon帧失败的话，对系统造成的影响比丢失同步更严重。如果AP与节点
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