基于多域冗余的車載時間敏感網絡時間同步增強方法

關鍵詞：時間敏感網絡；時間同步；多域冗余；鏈路故障；車載網絡

中圖分類號：ＴＰ３９３ 文獻標志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３５

０引言

以自動駕駛為代表的現代汽車智能技術迅速發展，汽車電子電氣架構正在從傳統的分布式架構轉向域集中式電子電氣架構［１］。在電子電氣架構演化的背景下，以太網因其高帶寬、高可用性以及低成本特性逐漸成為車載主干網絡公認的解決方案［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時間敏感網絡工作組推出時間敏感網絡協議［４７］，以增強傳統以太網。時間敏感網絡技術為車載以太網通信提供時間同步、確定性通信、可靠傳輸和網絡管理４個主要功能，其中為車載通信網絡部署時間同步服務是時間敏感網絡最重要的任務之一［８］。一方面，在車載分布式系統之間建立公共時間的概念為許多車載應用提供基礎設施，如傳感器融合、同步執行器觸發和診斷事件記錄；另一方面，時間同步機制是時間敏感網絡內部許多時間觸發的調度機制［９］正常運行的保證，如分時調度、流量過濾與監管以及循環隊列轉發，這些調度機制能夠嚴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］。

時間敏感網絡工作組在ＩＥＥＥ１５８８精準時間協議（ｐｒｅ-ｃｉｓｅｔｉｍｅｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＴＰ）［１１］的基礎上提出ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ 時間同步協議［１２］。作為時間敏感網絡協議族的一部分，該協議為基于以太網通信的分布式系統提供時間同步服務［１３］。然而，該協議的最初版本忽視了車載通信領域對可靠性和安全性的需求，在面對時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域對可靠性和安全性的需求，ＩＥＥＥ８０２．１ ＡＳ 協議的最新版本ＡＳ-２０２０提出多域同步的特性。多域同步通過在同一個物理網絡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協議沒有涉及多域同步的具體實現方法和機制，針對許多關鍵問題，包括端節點如何使用多個時間域的時間，仍未明確規定。

多域時間同步是時間同步協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展。先前的文獻已經充分討論了ＰＴＰ的冗余特性。Ｃｈｉｎ等［１６］討論采用冗余主時鐘來應對主時鐘失效，以保護時間同步。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］研究多域同步應用于跨域同步時的性能，提出一種軟件定義的時間補償機制，用于彌補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計以確保可用性，但這是針對ＰＴＰ的端到端同步模式進行的，與ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協議的點對點模式存在差異。綜上所述，目前對于時間同步協議冗余機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協議時間同步的冗余機制。

因此，本文旨在研究多域同步的具體實現辦法與機制，旨在回答實現多域同步的關鍵問題。研究時間同步協議的機制原理，介紹一個基于多同步域實現的冗余時間同步架構，并指出多域同步具體實現需要解決的問題，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，并建立數學模型來估計其最壞情況誤差。最后，指出時間誤差的關鍵影響因素與改善途徑。在分析時間誤差的基礎上，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優先域選擇算法。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，在網絡仿真工具ＯＭＮｅＴ＋ ＋ 平臺上搭建實驗環境，以評估所提算法的有效性和性能。實驗結果表明，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生時提供無縫冗余保護。同時，在失效未發生情景下，算法能夠改善時間同步的精度。本文的主要貢獻可以總結為以下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學模型，用于估計最壞情況時的性能；

（２）提出兩種應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優先域選擇算法；

（３）提出一份針對所提算法應用于多域同步的有效性評估和性能評估的仿真分析。

１時間同步協議與多域特性

ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ協議規定了一種周期性的時間同步機制，用于確保分布式節點建立一個公共的時間基準。該協議包由３個主要部分組成：最優主時鐘的選取、鏈路延遲的測量以及時間同步信息的分發，其中時間同步信息的分發是實現時間同步的關鍵機制，規定節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轉發給其他節點。最優主時鐘的選取和鏈路延遲測量則是實現時間信息分發的前提條件。前者選擇了網絡中的時間信息生成節點，即最優主時鐘，并確定時間信息如何在網絡中傳遞；后者測量傳遞時間信息的兩個節點之間的鏈路延遲，以供時間同步過程使用。此外，ＩＥＥＥ８０２．１ ＡＳ 協議的最新版本ＡＳ２０２０提出一個新特性多域同步，以滿足冗余的需求。多域同步允許網絡中多個時間同步域并行存在并運行，彼此之間相互獨立，互不干擾。

１．１最優主時鐘的選取

選擇最優主時鐘作為根節點來構建時間同步樹，等同于為每個節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控制網絡，這個過程一般采用最優主時鐘算法（ｂｅｓｔｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＢＭＣＡ），該算法通過節點之間Ａｎｏｕｎｃｅ報文的交換來選舉出最優主時鐘節點及構造時間同步樹［２１］。而對于車載通信網絡，使用標準靜態配置節點屬性與端口屬性來替代ＢＭＣＡ［２２］。

圖１展示了在一個小型環型網絡中配置時間同步生成樹的結果。配置過程為每個節點的端口指定了屬性。時間同步消息只在最優主時鐘節點生成，并從主端口轉發到從端口，圖中的箭頭指示了時間同步消息的傳遞流向。定義ＧＭ 為時間感知系統犻在狋時刻最優主時鐘的時鐘值。

５結束語

為滿足車載通信領域時間同步系統的冗余需求，本文提出一種基于多同步域的冗余時間同步架構。該架構旨在解決端節點如何應用多個冗余域的時間信息的問題。在該架構上，綜合考慮緩解時鐘頻率誤差和時間同步誤差的方法。設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優先算法。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，在仿真環境中驗證了所提架構和算法。仿真實驗結果表明，該設計能為時間同步過程提供鏈路無縫冗余保護。同時，多域交替同步算法能夠改善網絡中的整體同步性能，時間同步精度提升幅度可達５０％。而最小跳數優先算法主要改善邊緣節點的同步穩定性。

本文的工作重點考慮了多域時間同步機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絡總線、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絡。

王子通（１９９８—），男，博士研究生，主要研究方向為車載時間敏感網絡。

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。