基于TSN的星间和星内一体化通信的时间同步方法与流程

基于tsn的星间和星内一体化通信的时间同步方法
技术领域
1.本发明涉及空间信息网络技术领域，具体涉及一种基于tsn的星间和星内一体化通信的时间同步方法。


背景技术：

2.随着空间信息网络的发展，新业务尤其是时间敏感型业务的不断涌现，对信息传输与处理提出了新的需求。空间时间敏感业务，即空间监视信息、空间探测信息；话音业务、视频业务等，对数据传输的实时性和确定性提出了更高要求。空间时敏业务的实时性在不同场合下需要达到亚毫秒量级，确定性则要求适应不同应用的时敏业务每次传输均具备可预测性。此外，随着空间任务的日趋复杂化，多个试验任务之间的协作加强使得星内、星间航天信息系统通信性能的要求日益严格。一方面，要求航天器星内信息系统的高带宽、高可靠性和高实时性；另一方面，航天器之间通过星间链路组网，星间链路网也应具备低时延、高可靠性以及资源利用率高的特点。当多个数据传输量较大的任务同时占用网络资源时，就会造成网络延时、网络拥塞，降低数据转发效率，如何保证星内以太网、星间链路网的实时性和确定性是提升网络通信性能的关键。
3.时间敏感网络作为一系列标准技术的总称，在传统以太网基础上构建具备时间特性的新型网络，提供具有确定性时延的数据传输能力。tsn通过集成时间同步、流量控制、门控制调度、抢占机制等关键技术，对传统以太网协议进行适当修改，能够基于传统以太网实现时间敏感业务数据传输，同时保证对普通业务数据传输的兼容，从而在链路层保证数据在网络中传输的确定性时延。
4.然而，直接将时间敏感网络技术应用在航空航天领域，也存在一些严峻的考验。针对有线无线一体的时间敏感系统，具体问题如下：
5.(1)星内时间同步精确性及可靠性问题：对于航天器的外太空环境，由于没有地磁场的保护，航天器内的数据传输容易受到外太空辐射的影响，从而导致在地面使用的时间敏感网络所用的时间同步方法得出的时间同步结果的精确度不够或稳定性不够等问题。因此，如何提高卫星系统内时钟同步的精确性与可靠性，成为一个重要的需要解决的问题。
6.(2)星间时间同步准确性问题：在空间网络环境中，航天器或者卫星处于不断地运动状态，两个节点之间的传播路径之间距离会发生变化，空间传输路径也高度不对称，无法通过ieee 802.as协议中的测量方式获取节点之间的路径延迟。因此，如何降低航天器或者卫星的运动对星间时延测量的影响，从而提高星间时间同步的准确性是需要解决的问题。
7.(3)星间数据传输时延确定性问题：由于星间传输链路具有时变特性，与地面固定网络相比，在星间采用固定通信速率会导致端到端时延不确定性问题。因此，如何解决由于卫星相对运动而导致的星间传播时延变化所带来的整体时延不确定性的问题。
8.(4)星内数据传输时延保证问题：时间敏感网络能够保证关键数据流传输的低延迟、低抖动和零拥塞丢失，使得关键业务不受非关键业务的影响。在tsn ieee 802.1qbv协议中，虽然提出了门操作的调度机制，按照优先级将数据放在不同的队列中，然后按照门控
列表进行调度，从而保证关键业务的低时延要求，但该协议中并没有提供得到门控制列表的具体方法。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提供了一种基于tsn的星间和星内一体化通信的时间同步方法，能够在星间星内实现一种时间敏感网络协议，实现星间和星内数据通信的时间同步。
10.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
11.本发明的一种基于tsn的星间和星内一体化通信的时间同步方法，基于时间敏感网络，所述时间敏感网络包含有tsn标准，所述tsn标准包含有ieee 802.1asbt、ieee 802.1qbu、ieee 802.1qbv、ieee 802.1qca、ieee 802.1qcc、ieee 802.1cb、ieee 802.1qci和ieee 802.1qch协议；所述时间同步具体步骤如下：步骤a.通过选取主时钟，建立主从拓扑关系，在整个ptp网络中建立起同步体系；步骤b.设置同步本地时钟方案，协议使用本地时钟同步算法，通过ptp数据报文在网络主从节点之间的交换，计算各从节点本地时钟与主时钟间的时间偏差，调整本地时钟，使之与主时钟同步；步骤c.建立有线无线一体时间敏感网络总体架构，通过tsn控制器卫星获取卫星网络全局拓扑及资源状态信息，并对业务需求做出响应，完成网络配置、路由表下发和资源预留，实现星内与星间一体化通信的时延确定性需求；步骤d.建立有线无线一体时间敏感网络通信协议；步骤e.设置星内时间同步；步骤f.设置星间时间同步。
12.其中，所述步骤b中，基于ieee 1588v1协议同步本地时钟，整个ptp网络内的时钟按照其上ptp通信端口的数目来划分成普通时钟与边界时钟；基于ieee 1588v2协议同步本地时钟；基于ieee 802.1as协议同步本地时钟。
13.其中，基于ieee 1588v1协议同步本地时钟时，将每个端口上的本地时钟与级主端口进行同步；同步体系建立流程为：
14.1)初始状态，各个节点端口会在指定的时间内侦听网络中的sync数据帧；若接收到sync数据帧，节点端口将根据最佳主时钟算法决定端口状态；
15.若没有收到sync数据帧，该节点状态变更为pre_master，并将自己假定为主时钟节点；
16.2)端口状态在一定时间内保持pre_master：若在端口指定时间内接收到sync数据帧，则该端口状态由最佳主时钟算法决定；若判定端口为主时钟，则将周期性地发送sync帧；若判定为从时钟，则接受sync帧，并计算偏差，纠正本地时钟；若在该时间段内端口没有收到sync数据帧，则将状态变更为主时钟，并且开始定时发送sync数据帧；
17.3)主时钟和从时钟的状态随着时钟性能与运行状态的变化而变化。
18.其中，所述步骤b中，基于ieee 1588v2协议同步本地时钟为基于ieee 1588v1的基础上进行改进和扩展，具体方式如下：新增点对点之间网络路径延时测量的独立消息模式；新增透明时钟模型；透明时钟包含端对端透明时钟和点对点透明时钟；增加单步时钟模型。
19.其中，所述步骤b中，基于ieee 1588v1协议同步本地时钟、基于ieee 1588v2协议同步本地时钟以及基于ieee 802.1as协议同步本地时钟均采用的是bcma主时钟算法。
20.其中，所述步骤c中，分为如下架构设计：
21.1)单域有线无线一体时间敏感网络架构；
22.2)多域有线无线一体时间敏感网络架构；
23.3)动态分布式星间网络时间基准建立与同步。
24.其中，所述步骤d中，tsn协议通过对基于以太网的数据链路层进行修改，结合时钟同步和时敏业务调度实现流量整形、调度以及帧抢占，保障空间时敏业务在星内的时延有界传输。
25.其中，所述步骤e中，通过ieee 802.1as协议确保ieee 802.3全双工以太网链路和ieee 802.11无线网络以及以太网无源光网络形式所需的附加要求。
26.其中，所述步骤f中，基于ieee 802.1as多次测量获得两个节点之间的路径延迟，综合考虑卫星运动特征、相对论效应以及传播路径不对称对时间同步精度的影响，实现星间时间同步。
27.有益效果：
28.1、本发明针对星内及星间通信的业务要求，分别研究相应的调度机制算法，在星间星内实现一种时间敏感网络协议，进行数据通信，涉及tsn标准。本发明通过满足时敏业务要求的情况下时间同步要求低，实现代价和复杂度相比tte网络降低，tte时钟同步基于ieee 1588协议，其时间同步精度达到100ns；tsn时钟同步基于ieee802.1as协议，在运行应用和控制应用的设备上维持端到端的同步时间。
29.2、本发明网络拓扑结构灵活，支持新业务动态加入，减少了系统重新规划的开销。当有新的时间敏感业务加入到网络中时，tte需要对任务进行重新规划，更新时间调度表；而tsn只根据业务的优先级进行调度，不需要重新分配资源。
30.3、本发明数据交换结构简单，有效降低数据交换开销，tte将时间触发业务和事件触发业务分别进行交换，相当于同时有两台交换机在工作；tsn不改变已有的以太网交换机结构，仅需在交换机的出端口进行数据处理。
31.4、本发明通过ieee 802.1as协议确保ieee 802.3全双工以太网链路和ieee 802.11无线网络以及以太网无源光网络形式所需的附加要求。
32.5、本发明基于ieee 802.1as多次测量获得两个节点之间的路径延迟，综合考虑卫星运动特征、相对论效应以及传播路径不对称对时间同步精度的影响，实现星间时间同步。
附图说明
33.图1是本发明的整体结构示意图；
34.图2是本发明的ieee 1588时钟同步状态转移图；
35.图3是本发明的ptp同步原理；
36.图4是本发明的点对点延时测量原理图；
37.图5是本发明的单域有线无线一体时间敏感网络架构图；
38.图6是本发明的多域有线无线一体时间敏感网络架构图；
39.图7是本发明的延迟测量机制示意图；
40.图8是本发明的时钟同步测量流程图。
具体实施方式
41.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
42.本发明提供了一种基于tsn的星间星内一体化通信的时间同步方法，基于时间敏感网络，所述时间敏感网络包含有tsn标准，所述tsn标准包含有ieee 802.1asbt、ieee 802.1qbu、ieee 802.1qbv、ieee 802.1qca、ieee 802.1qcc、ieee 802.1cb、ieee 802.1qci和ieee 802.1qch协议。本发明时间同步方法具体步骤如下：
43.步骤a.选取同步体系，由于ieee 802.1asbt协议基于ieee 1588协议进行精简和修改，亦简称为精确时钟协议ptp，协议使用最佳主时钟算法，通过选取主时钟，建立主从拓扑关系，在整个ptp网络中建立起同步体系；
44.步骤b.设置同步本地时钟方案，协议使用本地时钟同步算法，通过ptp数据报文在网络主从节点之间的交换，计算各从节点本地时钟与主时钟间的时间偏差，调整本地时钟，使之与主时钟同步，具体如下：
45.基于ieee 1588v1协议同步本地时钟，整个ptp网络内的时钟可按照其上ptp通信端口的数目来划分成普通时钟与边界时钟；基于ieee 1588v2协议同步本地时钟；基于ieee 802.1as协议同步本地时钟；
46.步骤c.建立有线无线一体时间敏感网络总体架构，通过tsn控制器卫星获取卫星网络全局拓扑及资源状态信息，并对业务需求做出响应，完成网络配置、路由表下发和资源预留等，实现星内与星间一体化通信的时延确定性需求；
47.步骤d.建立有线无线一体时间敏感网络通信协议，tsn协议通过对基于以太网的数据链路层进行修改，结合时钟同步和时敏业务调度实现流量整形、调度、帧抢占等，保障空间时敏业务在星内的时延有界传输；
48.步骤e.设置星内时间同步，通过ieee 802.1as协议确保ieee 802.3全双工以太网链路和ieee 802.11无线网络以及以太网无源光网络形式所需的附加要求；
49.步骤f.设置星间时间同步，基于ieee 802.1as多次测量获得两个节点之间的路径延迟，综合考虑卫星运动特征、相对论效应、传播路径不对称等对时间同步精度的影响，实现星间时间同步。
50.所述步骤b中，基于ieee 1588v1协议同步本地时钟，整个ptp网络内的时钟可按照其上ptp通信端口的数目来划分成普通时钟与边界时钟：普通时钟只存在一个，而边界时钟则存在多个。一般在确定性不高的网络节点处使用边界时钟，例如交换机或者路由器一般用作边界时钟，如图1所示，在每个端口上，ptp通信都是独立进行的。具体地，边界时钟上只允许存在一个从端口，与上级节点的主端口通信，将其本地时钟与级主端口进行同步。其余端口为主端口，与下游节点的从端口进行通信。边界时钟可以连接不同的网络协议，同步体系建立流程为：
51.1)初始状态，各个节点端口会在指定的时间内侦听网络中的sync数据帧；若接收到sync数据帧，节点端口将根据最佳主时钟算法决定端口状态；
52.若没有收到sync数据帧，该节点状态变更为pre_master，并将自己假定为主时钟节点。此时节点端口状态表现为主时钟，但是并不发送sync帧。
53.2)端口状态在一定时间内保持pre_master：若在端口指定时间内接收到sync数据帧，则该端口状态由最佳主时钟算法决定。若判定端口为主时钟，则将周期性地发送sync帧；若判定为从时钟，则接受sync帧，并计算偏差，纠正本地时钟。
54.若在该时间段内端口没有收到sync数据帧，则将状态变更为主时钟，并且开始定
时发送sync数据帧。
55.3)主时钟和从时钟的状态随着时钟性能与运行状态的变化而变化，图2展示了bmca中状态转移。
56.所述步骤b中，基于ieee 1588v2协议同步本地时钟为基于ieee 1588v1的基础上进行改进和扩展，具体方式如下：新增点对点之间网络路径延时测量的独立消息模式；新增透明时钟模型；透明时钟包含端对端透明时钟和点对点透明时钟；增加单步时钟模型。
57.所述步骤b中，基于ieee 1588v1协议同步本地时钟、基于ieee 1588v2协议同步本地时钟以及基于ieee 802.1as协议同步本地时钟均采用的是bcma主时钟算法。
58.本发明的ptp同步原理如图3所示，时间偏差调整实现机制具体为：从节点接收sync数据帧并记录接收时刻t2以及带有sync帧发送时间信息t1的follow_up帧。另外从节点会发送delay_req数据帧发往主节点并记录发送时刻t3，然后接收到主节点的反馈帧delay_resp，它带有主节点接收delay_req帧的时刻t4，从时钟获得的t1-t4四个时间戳。假设主从节点之间的时间偏差以及路径上的传输延时分别为offsett和delay，可以获得下列等式：
59.t2＝offest delay t1
ꢀꢀ
(1)
60.t4＝t3-offset delay
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
61.根据上述式(1)和式(2)，计算得到offset和delay值：
62.delay＝[(t2-t1) (t4-t3)]/2
ꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
offset＝[(t2-t1)-(t4-t3)]/2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
从节点设备据此调节本地时间，实现主从设备间的时钟同步。
[0065]
ptp v1协议的时间同步算法能够达到亚微秒级的精度，但是依赖于网络节点间链路的对称性。对于网络中链路延时不对称情况，需要通过额外的不对称算法计算出往返传输延时差，对链路延时进行补偿。本发明的点对点延时测量原理图如图4所示。
[0066]
所述步骤c中，分为如下架构设计：
[0067]
1)单域有线无线一体时间敏感网络架构：在单个卫星子网内，为了满足子网内的时延有界通信需求，选择一颗卫星充当tsn控制器，用于获取子网内的全局状态信息，并且进行决策的下发。单域有线无线一体时间敏感网络架构如图5所示，该架构主要采用了控制平面与数据平面分离的思想，其中tsn控制器卫星主要负责卫星网络拓扑发现、流量监控以及转发信息表的配置等。控制平面具体工作流程如下：当新增数据流或者业务请求时，tsn控制器卫星依据获取的拓扑状态信息以及业务时延需求进行计算；并将得到的网络配置参数分别下发给子网内的卫星(红色虚线)；子网内的卫星根据收到的配置信息，即可在转发tsn流时使用相应的策略；最后，数据平面依据控制平面的决策进行tsn数据流的转发(绿色虚线)。
[0068]
2)多域有线无线一体时间敏感网络架构：单域有线无线一体时间敏感网络架构只能满足一个子网内的通信需求，当网络规模变大时，由于一颗tsn控制器卫星的覆盖和管控能力有限，无法实现全网的拓扑状态信息获取，因此，针对大规模tsn(如位于不同轨道高度的卫星)卫星网络，提出一种多域有线无线一体时间敏感网络架构。如图6所示，在每个子网内选取一颗tsn控制器卫星，这些tsn控制器卫星可以通过信息交互获取全网拓扑以及资源状态信息，从而为时敏业务在跨域传输时提供时延确定性服务。
[0069]
3)动态分布式星间网络时间基准建立与同步：在有线无线一体的卫星网络架构中，通过tsn控制器进行调度和配置等相关决策的下发，然而，在动态分布式卫星网络中如何选取代表tsn控制器的卫星节点。以星间时间同步为例，为了在动态分布式卫星网络中建立用于时间同步的时间基准，提出全网同步时间最短的时间基准中心选择方法，并将所有卫星同步到该基准上。
[0070]
针对一个时间同步网络，在达到网络所有卫星同步目标时，距离基准中心最远的卫星同步所需要的时间相比与其它卫星也就更长，所谓的距离，是指两个卫星信息传播时延的长度，比如两个有直接通信链路的卫星之间的距离是两个卫星之间的传播时延；而没有直接链路的两个卫星的距离是几个链路的传播时延的和。如果整个网络中距离基准中心最远的卫星的距离越小，整个网络时间同步所耗费的时间越少，性能越好。
[0071]
基于上述分析，针对一个网络拓扑，以i为起点，找到其到达网络中任意卫星的最短时延路径，选择其中最长的时延路径即是以i为同步中心，整个网络完成时间同步的最少时间。可以得到如下目标函数：
[0072]
min(ti)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0073]
其中ti表示以i为同步中心，整个网络完成时间同步的最少时间，同样的，可以把目标函数转化为：
[0074][0075]
其中，h
i,j
表示由i到j所有可能的同步时延集合。通过确定距离卫星i最小的最大路径时延，可以确定以i作为同步基准中心时整个网络完成时间同步所需要的时延，本发明的延迟测量机制示意图如图7所示。通过比较，可以找到网络中最佳的同步基准中心。本发明的时钟同步测量流程图如图8所示。
[0076]
使用exata 5.1仿真卫星网络对本发明进行仿真验证，在对exata中开发的tsn协议簇中的ieee 802.1as时间同步协议进行测试和结果分析，搭建的测试场景中有线网络基于ieee802.3全双以太网进行802.1as协议开发，验证结果显示本发明方法有效地实现了时间同步。
[0077]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。