基于IEEE1588v2的精确时钟同步系统的设计与实现
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
目录
摘要 ......................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................... I I 第 1 章绪论 (1)
1.1 项目来源和研究的目的及意义 (1)
1.2 相关领域国内外研究现状 (2)
1.2.1 时钟同步协议简介 (2)
1.2.2 移动通信网的时钟同步研究现状 (3)
1.3 论文的主要研究内容和组织架构 (5)
1.3.1 论文的主要研究内容 (5)
1.3.2 论文的组织结构 (5)
第 2 章时钟同步系统的需求分析与总体设计 (7)
2.1 需求分析 (7)
2.1.1 功能性需求 (7)
2.1.2 非功能性需求 (8)
2.2 系统总体设计 (9)
2.3 本章小结 (12)
第 3 章时钟同步系统的详细设计 (13)
3.1 时钟板模块的设计 (13)
3.1.1 普通时钟的设计 (13)
3.1.2 边界时钟的设计 (15)
3.1.3 透明时钟的设计 (16)
3.2 协议栈模块的设计 (18)
3.2.1 角色选举的设计 (19)
3.2.2 PTP 时钟端口状态管理 (20)
3.3 PHY模块的设计 (24)
3.3.1 获取时间戳 (25)
3.3.2 报文管理 (27)
3.4 时钟同步模块的设计 (31)
3.4.1 时钟同步模式 (33)
3.4.2 报文的定时机制 (34)
3.4.3 从时钟的同步 (35)
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3.5 本章小结 (38)
第 4 章时钟同步系统的实现 (39)
4.1 系统实现 (39)
4.1.1 时钟节点与接口 (39)
4.1.2 系统总体实现 (40)
4.1.3 角色选举的实现 (41)
4.1.4 各种协议报文的实现 (44)
4.1.5 报文处理流程 (46)
4.2 系统配置 (53)
4.3 系统的显示和维护 (58)
4.4 主要常量类型和接口函数 (63)
4.5 本章小结 (65)
第 5 章时钟同步系统的系统测试 (66)
5.1 测试方案 (66)
5.1.1 测试方法 (66)
5.1.2 测试范围 (66)
5.1.3 测试环境 (66)
5.2 功能测试 (68)
5.3 非功能测试 (72)
5.4 测试结论 (76)
5.5 本章小结 (77)
结论 (78)
参考文献 (79)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (83)
致谢 (84)
个人简历 (85)
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第 1 章绪论
1.1 项目来源和研究的目的及意义
本项目来源于H公司的某省市的电信IP RAN集采项目。为了满足人们日益增长的对移动互联网业务的需求，移动通信网的职责不再仅仅只是为人们提供简单的通话业务及短信业务，而是增加了诸如多媒体业务，移动支付，即时网络消息等一系列更加丰富的业务。为了满足这些业务的需求，首先就要保证运营商所搭建的网络中各节点之间能够保证非常高的时间同步的精度，也就是要求整个通信网中的各节点的时钟频率和相位都是彼此协调的。尤其是在第四代的移动通信技术广泛应用的今天，通信网络中对时间同步的精度要求也越来越高。
伴着多媒体业务需求和数据通信的发展，适应移动多媒体和移动计算以及移动数据运作需要的第四代移动通信技术开始逐步兴起[1]。未来的移动承载网要向着IP RAN的方向进行演进并逐步走网络IP化的趋势，这也是近期运营商网络发展中的一个发展方向，在这个方向的指引下，移动网络的IP化工作正在慢慢地开展，而身为移动网络中比较重要的组成部分，移动承载网络的IP化也就成为了一项特别重要的工作[2]。也正是在这样的背景之下，本论文的研究课题应运而生。
本课题旨在为应用在IP RAN中的移动回传网设备，实现精确时钟同步，达到现有第四代移动通信网络的同步需求。PTP（Precision Time Protocol，高精度的时间同步协议），通常用于机械设备和网络设备的时间同步，有时可以用于频率的同步[3]。早期的NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），一直被大范围地应用在网络的时间同步中，但随着新的通信技术如雨后春笋般的涌现，只能提供亚微秒级的同步精度的NTP协议，已经很难达到现有的同步需求[4]。而该项目所采用的是硬件与软件结合的设计，能够满足更高的时间精度，并对各种影响同步精度的部分进行有效矫正，可以达到纳秒级别的精确同步，满足电信IP RAN的要求精度。另外PTP协议对CPU的性能和内存上没有什么特别的要求，仅仅是需要很小的网络带宽就可以满足[5]。对比于GPS，我们的系统所使用的协议，需要的建设的成本以及维护的成本都相对较低，而且因为能够不再只是通过GPS来进行授时同步，所以对国家来说在安全领域也有着非常重要的意义[6]。最重要的是该协议特别适合以太网，但又不仅仅局限于以太网，