分布式系统时钟同步协议的研究与实现

【摘要】随着以太网技术的发展，该技术进入工控领域已经成为不可阻挡的趋势，但是由于介质的延迟特性和协议栈运行等多方面的因素的影响，分布式控制系统(DCS)多控制站之间交互的实时性难以保证，这极大地阻碍了其在工业自动化控制、通讯和测量等领域的发展。这些都是分布式系统的固有问题，很难通过自身现有技术来解决。如果DCS每一个节点的时钟能够高度同步，那么其执行效率将会大大提高，IEEE1588协议(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)的出现很好地解决了这个问题。IEEE1588标准定义了一个用作实时时钟同步的精密时钟协议(PrecisionTimeProtocol，简称PTP)，可以很好地实现多节点亚微秒级的时间同步。本文对分布式系统各控制站、I/O模板等节点之间时钟不能同步的原因进行了深度阐述，介绍了近些年时钟同步技术的发展和应用状况，重点介绍了应用在网络同步里的时钟同步技术并进行了比较，验证了IEEE1588协议是现有时钟同步精度最高、最适合分布式系统的时钟同步标准。然后对IEEE1588协议的一些关键技术做了详细的研究和描述，包括PTP协议规范、同步报文及其格式、时钟同步机制、时钟同步模型、最佳主时钟算法等等。本文研究了使用IEEE1588协议解决网络中主从设备的时钟不能同步问题的方法，PTP报文发送和接收时对时间的标记精度直接影响采用该协议取得的同步精度，需要硬件辅助来获取物理层时间戳，本文利用意法半导体公司的STM32F107VCT6来作为辅助硬件，设计并搭建了一个以STM32F107VCT6为主控制器的时钟同步硬件实验平台。它包括电源模块、串口模块、主控制器模块和以太网模块，各块同步硬件板通过以太网交换机连接，组成一个同步网络来模拟一个小型的分布式系统，利用IEEE1588协议实现各节点之间的精确时钟同步。最后，本文对基于该实验平台的同步网络进行了时钟同步测试，测试在多种网络情况(点对点和多节点)下进行。测试情况表明：各节点时钟同步精度达到400纳秒以内，可以很好的满足分布式系统对时钟同步的精确要求。
【作者】孙祥祥；
【导师】葛铭；孔亚广；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】时钟同步；IEEE1588；分布式系统；网卡驱动；

【参考文献】
[1]肖美伊.日语连体词的词类性质与特征[D].吉林大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[2]黄莉.基于提高区域创新体系效率的江西科技入园模式研究[D].南昌大学,区域经济学,2012,硕士.
[3]许磊.临时名量词的认知语言学研究[D].辽宁大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[4]杨励雅,邵春福,HAGHANIA.出行方式与出发时间联合选择的分层Logit模型[J].交通运输工程学报,2012,02:76-83.
[5]李苏宁.黑启动试验时发电机组运行方式的配置[J].电力系统自动化,2007,18:104-107.
[6]林慧芬.消费者在线购物车放弃行为影响因素研究[D].哈尔滨工业大学,企业管理,2014,硕士.
[7]王廷文.大跨度钢筋混凝土拱式廊桥受力行为研究[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2014,硕士.
[8]李心可.《体验汉语：小学学生用书（1-6册）》配套游戏设计[D].河北师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[9]王政权,郭大立.根系生态学[J].植物生态学报,2008,06:1213-1216.
[10]李冬梅.高中女生数学自主学习能力的研究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[11]杨海秀.邓小平辩证思维方式研究[D].广西师范大学,马克思主义哲学,2003,硕士.
[12]熊姝颖.长阳皱皮木瓜化学成分研究[D].中南民族大学,药物化学,2013,硕士.
[13]郭顺.《韩诗外传》史料价值研究[D].吉林大学,史学理论及史学史,2013,硕士.
[14]程红丽,张伟,刘健.合闸速断方式馈线自动化的改进与整定[J].电力系统自动化,2006,15:35-39.
[15]檀学军.对二甲苯与羟胺盐一步催化合成2,5-二甲基苯胺（酚）反应工艺研究[D].河北工业大学,化学工艺,2013,硕士.
[16]李阳.炮位侦校雷达X波段频率综合器的技术研究[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2009,硕士.
[17]高鹏飞,杨军.锂离子电池硅复合负极材料研究进展[J].化学进展,2011,Z1:264-274.
[18]曾羡秋.Narcotrend监测应用于不同年龄段全麻患者苏醒情况比较[D].吉林大学,麻醉学,2014,硕士.
[19]朴汉诚（PARKHANSUNG）.咳喘停穴位贴敷对哮喘缓解期大鼠IL-4等哮喘促进炎症因子的影响[D].南京中医药大学,针灸推拿学,2014,博士.
[20]周惠.旅游电子商务企业在旅游营销上的模式创新[D].上海外国语大学,工商管理,2013,硕士.
[21]陶永芹,崔杜武.基于动态模糊粒神经网络算法的负荷辨识[J].控制与决策,2011,04:519-523+529.
[22]明辰.石墨烯相关材料和器件的物理设计研究[D].复旦大学,2012.
[23]沈晓达.黑龙江工程学院后勤服务质量管理研究[D].吉林大学,工业工程,2013,硕士.
[24]赵宇.肾损伤分子1在各期IgA肾病中的表达[D].宁波大学,内科学,2013,硕士.
[25]赵冲.双目计算机视觉三维尺寸检测与精度分析[D].广东工业大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[26]朱君.运用网络英语教学培养高中学生创造性思维能力的实践研究[D].上海师范大学,教育管理,2004,硕士.
[27]王燕华.我国创业板市场投资者羊群行为及反馈交易策略实证研究[D].复旦大学,国际金融,2012,硕士.
[28]周忠双.基于MPI的一类椭圆型方程有限差分区域分解算法的并行实现[D].山东大学,计算数学,2013,硕士.
[29]杨阳.基于~1H_NMR的足阳明经穴治疗溃疡性结肠炎大鼠的经穴—脑相关研究[D].成都中医药大学,针灸推拿学,2012,硕士.
[30]缪志伟,别静,季春辉.川东北元坝地区飞仙关组二段鲕滩储层预测[J].石油地球物理勘探,2014,02:329-337+221.
[31]余聪.含结构变点厚尾序列模型的伪回归研究[D].西安科技大学,应用数学,2014,硕士.
[32]康华靖,李红,权伟,欧阳竹.四种作物光下暗呼吸速率降低的原因[J].植物生态学报,2014,10:1110-1116.
[33]贺艳霞.Q690人字柱与横撑相贯节点承载力研究[D].西安建筑科技大学,结构工程,2013,硕士.
[34]杨冬.女性绘画中的母性意识[D].河南大学,美术学,2004,硕士.
[35]任天.脓毒症肺损伤（ALI/ARDS）患者的免疫失衡及中西医结合治疗[D].大连医科大学,外科学,2012,硕士.
[36]耿建宇.公路路基拓宽改建力学行为及典型工程对策研究[D].西南交通大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[37]肖鹏.抽采条件下上隅角瓦斯积聚特性研究[D].西安科技大学,安全技术及工程,2014,硕士.
[38]洪炎坤.岩石的滤波特性[J].石油地球物理勘探,1983,04:315-323.
[39]康成.国有企业集团固定资产投资与企业价值关系研究[D].山东大学,会计学,2012,硕士.
[40]黄涛,张国亮,张辉,许伟,蒋华兵.高性能纳米二氧化钛制备技术研究进展[J].化工进展,2010,03:498-504.
[41]叶艳君.基于平衡计分卡的杭州城市管理绩效评价体系研究[D].西南大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[42]白文龙.高速宽带跳频系统的基带处理单元设计[D].哈尔滨工业大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[43]裴利梅.唇语识别技术的研究[D].江苏科技大学,机械电子工程,2014,硕士.
[44]尹佳.髓系白血病的分子遗传学研究[D].苏州大学,内科学,2013,硕士.
[45]任福深.基于PC+DSP模式的管道插接专用焊接机器人系统研究[D].北京工业大学,2009.
[46]张健.论行政诉讼受案范围的立法完善[D].大连海事大学,法律,2012,硕士.
[47]张茹.利用思维导图培养学生理解力的研究[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[48]邹媛媛,刘琳,刘洋,赵亮,邓启云,吴俊,庄文,宋未.不同水稻品种种子固有细菌群落的多样性[J].植物生态学报,2012,08:880-890.
[49]舒启翀.复杂人机系统可靠性评价方法研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[50]于超.圆极化阵列天线的研究和设计[D].苏州大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.