CN103763055A - 一种精确同步时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确同步时间的方法，其计算主模式设备和从模式设备之间的时间差来计算平均路径延时，然后根据时间补偿算法计算当前需要补偿调整的时间量信息，利用时间调节控制模块，将时钟从模式设备做时间补偿调整处理，从而使整个系统中各设备的时间得到同步。本方案不需要专门的时间服务器，适用于分布式系统。

Description

一种精确同步时间的方法

技术领域

本发明涉及一种网络通信技术领域，尤其是涉及一种基于IEEE802.1as协议进行精确时间同步的方法。

背景技术

IEEE 802.1as协议（Precision Time Protocol，精确时间同步协议，简称PTP）是基于二层网络的用来精确同步分布式系统中各独立时钟的精确时钟同步协议。因此特别适合于实时性要求较高的桥式局域网节点间的同步。

IEEE 802.1as以时间戳（Timestamping）机制为核心，采用主时钟选择与协商算法、路径延迟测算与补偿算法、时钟频率匹配与调节机制，可以生成时钟并对各网络节点的时钟修复，达到时钟同步的目的。

在分布式系统中，系统时间的同步是保证网络数据通讯可靠性和稳定性的最重要的前提之一。时间同步是指把系统中若干个时间设置为一个相同的时间或调整到一个可接受的时间误差范围内的过程或方法。

中华人民共和国国家知识产权局于2013年04月17日公开了公布号为CN103051438A的专利文献，名称是一种时间同步方法和时间同步装置，用于对掌上电脑进行时间同步，具体方法为：在掌上电脑与时间服务器之间的网络连接成功时，主动从时间服务器获取标准时间；将掌上电脑的本地时间与所述标准时间进行同步。实施提供的时间同步方法和装置，在网络连接正常的情况下，内置在掌上电脑中的时间同步装置可以从时间服务器中获取标准时间，以完成对掌上电脑的本地时间与标准时间同步设置。此方案适用于具有时间服务器的情况下，其它设备与时间服务器进行同步，而无法适用在没有时间服务器的分布式系统中。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的不能适用于分布式系统的技术问题，提供一种不需要专门的时间服务器，可以应用于分布式系统中的精确同步时间方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种精确同步时间的方法，包括以下步骤：

一、时钟主模式设备向时钟从模式设备发送同步报文，同步报文中加载有发送同步报文的时间戳信息t₁；

二、时钟从模式设备接收到时钟主模式设备的同步报文以后，记录接收到同步报文的接收时间戳信息t₂，然后发送回应报文到时钟主模式设备，回应报文中加载有t₁、t₂和发送回应报文的发送时间戳信息t₃；

三、时钟主模式设备接收到时钟从模式设备的回应报文以后，记录接收到回应报文的时间戳信息t₄，正向传输路径上的延迟时间t_ir=t₂-t₁，反向传输路径上的延迟时间t_ri=t₄-t₃，可以计算得到当前的路径延迟时间为(t_ir+t_ri)/2；

四、重复步骤一至三N次，得到N个路径延迟时间，根据平均路径延时算法计算得到平均路径延迟时间；

五、根据平均路径延迟时间，对比当前系统中的主时钟可知当前的时间偏移量，再根据时间补偿算法得到当前需要补偿调整的时间量信息，利用时间调节控制模块，将时钟从模式设备做时间补偿调整处理。

作为优选，平均路径延时算法如下：令T_avg,k表示第k次平均路径延迟时间，T_avg,k-1表示第k-1次平均路径延迟时间，T_k-1表示第k-1次路径延迟时间，q表示经过m次测算后得到的加权系数，q=e^-1/m，e是自然底数，

当m>k时，T_avg,k=qT_avg,k-1+(1-q)T_k-1；

当m≤k时，T_avg,k=((k-1)T_avg,k-1+T_k-1)/k。

作为优选，系统中的各设备定时进行模式切换，模式包括主模式、从模式和不定模式，当定时周期到来时，如果检测到当前模式为主模式，则向局域网中发送一次同步报文；如果检测到当前模式为从模式，则不进行动作；如果检测到当前模式为不定模式，则根据最佳主时钟选择算法测算当前的最佳主时钟，如果当前本地时钟被选为最佳主时钟，则切换本地设备的模式为主模式，否则切换本地设备的模式为从模式。

作为优选，步骤五具体为：如果当前系统时间与最佳主时钟的时间相比，平均时间延迟偏移量在预先设置的可接受的时间偏移量范围内，则不执行调整操作；如果当前系统时间与最佳主时钟的时间相比，平均时间延迟偏移量大于或者小于预先设置的可接受的时间偏移量范围，则对计算得到的时间调整补偿偏移量，进行相位调整和滤波处理，再进行数模转转将时间调整补偿偏移量转换成模拟电压量，再根据电压控制晶振模块调整外部系统时钟源，使系统时间得到补偿修复。

作为优选，所述最佳主时钟选择算法具体为：

a、各设备计算本地时钟的时钟等级和时钟方差，在对外发送的同步报文中加载时钟等级和时钟方差信息；

b、设备接收到同步报文以后，得到报文的传输路径长度；

c、设备将接收到的所有同步报文中的时钟等级进行比较，选择时钟等级最高的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；如果比较得到具有最高时钟等级的时钟源具有两个或以上，则进入步骤d；

d、设备将接收到的所有同步报文中的时钟方差进行比较，选择时钟方差最小的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；如果所有时钟方差相等，则进入步骤e；如果比较得到的最小时钟方差的时钟源具有两个或以上，则进入步骤e；

e、设备将接收到的所有同步报文的传输路径进行比较，选择传输路径最短的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；本地设备的传输路径为0；如果综合比较具有相同最优的时钟等级、时钟方差和传输路径得到的时钟源具有两个以上，可以认为此时的时钟源具有较高精度，可从其中随机选取一个作为最佳主时钟，并且该时钟端口为主模式，同等最优的其它时钟源的时钟端口为不定模式；

f、状态切换，将本地时间和已选定的最佳主时钟进行比较，重新计算时钟等级。

作为优选，所述时钟等级计算方法为：将本地时钟作为从设备依照步骤一至四得到平均路径延迟时间，根据平均路径延迟时间，对比当前系统中的主时钟计算本地时间的偏移量，此偏移量越小则时钟等级越高，偏移量越大则时钟等级较低，如果当前系统中没有主时钟则本地时钟具有最低的时钟等级。

作为优选，所述时钟方差的计算方法为：由Allan方差评估得到时钟频率的方差：t是采样周期，N是采样数目，x_k、x_k+1、x_k+2分别是在k、k+t、k+2t时刻通过对本地时钟源采样得到的时间差。

时间补偿算法采用的是渐进补偿和查表的方法，使得补偿时间差转换为时间补偿参数，再通过软件处理经过频率和相位参数的配置，由D/A转换后，调节可变时钟晶振脉冲的计数参数，达到时间补偿和时间同步的目的。具体为：

（1）在VCXO模块的软硬件系统中，通过计算和调试得到时间补偿偏差量与硬件电压变化参数的对应关系，计算得到对应关系表；

（2）当时间补偿偏差量输入时，通过查表转换成时间补偿参数，经过软件模块和硬件电路的处理，输出模拟电压，改变VCXO单元的时钟频率和相位。

时间同步机制上，由最佳主时钟算法建立设备的主从模式秩序，并按照局域网中时间精度的差异设定主时钟和从时钟。然后主时钟设备和从时钟设备根据发送时间同步报文的发送和响应的握手机制，对时间同步信息及时更新和交换，同时以时间戳的方式记录当前报文实际发送和接收的时间信息，计算出本地时钟与系统主时钟的网络延迟时间和时间偏移量，并通过同步时间调整和补偿机制来修复当前本地时钟。

本发明带来的实质性效果是，在分布式系统中不需要专门的时钟服务器也可以统一各设备的系统时间，有助于系统的稳定运行。

附图说明

图1表示的是本发明的一种精确时间同步处理的系统框图；

图2表示的是本发明的一种同步报文请求与回应的收发处理机制示意图；

图3表示的是本发明的一种MCU系统PTP处理机制原理图；

图4表示的是本发明的一种时间补偿与校正的软硬件系统原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：图1是本发明的系统原理框图，主要有MCU单元、以太网接口单元和VCXO（压控振荡）单元。

MCU单元主要实现PTP的算法实现与处理，以太网接口单元主要实现硬件上的MII（Media Independent Interface，介质无关接口）接口和控制，VCXO单元主要实现时钟同步的补偿与校正功能。其中，MCU单元和VCXO单元是本发明的核心单元。

MCU单元的主要包括媒体数据流（Media Stream）接收、发送和处理模块、PTP处理模块、VCXO处理模块。

MCU单元的PTP处理模块包括PTP服务器模块、媒体时钟服务器模块，系统原理框图如图3所示。其中PTP服务器具体的处理过程为：

（1）当PTP客户端（即媒体时钟服务器）向PTP服务器发送主时钟请求命令时，PTP服务器调用获取最佳主时钟模块，利用最佳主时钟选择算法（BMCA）确定当前的最佳主时钟并实时传递到PTP客户端，作为当前系统的主时钟。此时，确定为主时钟源的设备为主模式设备；

（2）当PTP客户端向PTP服务器请求时间戳信息命令时，PTP服务器将当前的本地时间戳信息、时间偏移量信息等传递到PTP客户端，用于PTP客户端计算时间补偿和校正处理等；

（3）同时，PTP服务器端实时接收来自以太网MII接口的同步时间报文等数据，与当前的桥式局域网时间同步报文作实时交互处理；

（4）PTP服务器还需要周期性处理时间同步报文、设备模式切换等功能。具体实时过程为：

（a）当对应的定时器定时周期到来时，PTP服务器主循环状态机调用发送PTP通告报文（同步报文）模块来发送当前主时钟的数据和优先级、路径延迟时间信息等，通过MII接口发送到局域网中；

（b）当对应的定时器定时周期到来时，PTP服务器主循环状态机调用周期性更新时间戳信息模块来周期性更新当前的参考时间戳信息，用于系统的PTP状态标志的调整；

（c）当对应的定时器定时周期到来时，PTP服务器主循环状态机调用PTP端口处理模块，处理PTP主/从模式的切换功能。PTP的状态有三种：主模式、从模式、不定模式。具体为：

（i）当定时周期到来时，如果检测到当前的PTP模式为主模式，则执行一次发送同步报文模块向局域网中发送一次同步报文；

（ii）当定时周期到来时，如果检测到当前的PTP模式为从模式，则执行一次发送路径延迟请求模块，向局域网中发起一次路径延迟报文，如图2所示。从主模式设备发送一次路径延迟报文请求到局域网中，发送时刻的时间戳为t1，当从模式设备接收到主模式设备的路径延迟报文请求时记录下当前的接收时间戳t2，此时从发送到接收的路径延迟时间为t_ir＝t₂-t₁；当从模式接收到路径延迟报文请求时，会立即响应并发送响应报文，并记录当前响应时刻的发送时间戳t3；当主模式设备接收到路径延迟报文响应时，记录想当前的接收时刻的时间戳t4，那么此时可以得到从从模式设备发送路径延迟响应报文到接收到响应报文的路径延迟时间为t_ri＝t₄-t₃。此时一次完成的路径延迟报文的处理过程完成，由此可以得到当前的平均路径延迟时间为T_avg＝((t₄-t₃)+(t₂-t₁))/2。

（iii）当定时周期到来时，如果检测到当前的PTP模式为不定模式，则执行最佳主时钟选择模块，根据最佳主时钟选择算法测算当前的最佳主时钟，如果当前本地时钟被选定为最佳主时钟，则切换本地的PTP模式为主模式，否则切换模式为从模式。

媒体时钟服务器模块一方面根据PTP服务器端提供的主时钟和报文处理命令来处理同步时间的更新等，同时也需要将媒体时钟的补偿校正按照补偿校正算法实时修复。具体的处理过程为：

（1）当定时周期到来时，调用时钟检测更新模块，检测当前的时钟修复命令标识是否为开启状态。当开启修复命令标识时，执行媒体时钟修复模块，并且检测当前的媒体数据流（Media stream data）为无效数据流时，不需要修复时钟频率同步；否则，根据同步报文的路径延迟算法得到平均路径延迟时间，为时间同步的补偿调整提供可靠参数。

（2）当路径延迟报文的发送和接收次数累计达到预先设定的采样次数时，调用参数缓存管理模块，根据平均路径延迟算法的得到当前时间段内的平均延迟参数，作为时间同步的补偿时间量。其中累计第k次路径延迟的测算时间为：T_avg,k＝qT_avg,k-1+(1-q)T_k-1，其中T_avg,k表示第k次平均路径延迟时间，T_k-1表示第k-1次路径延迟时间，q表示加权系数，

表示经过m次测算后得到的加权系数。当m>k时，路径延迟的测算时间如上述所示；当m≤k时，路径延迟的测算时间为：T_avg,k＝((k-1)T_avg,k-1+T_k-1)/k。

（3）当接收到PTP服务器的时间同步校正补偿命令时，调用媒体时钟处理模块，再进行命令解析，分别可以对媒体时钟更新注册、时钟校正修复、分频参数调整和最佳主时钟的时钟源的接收和处理等。其中，对时钟的校正修复是在该模块具体进行的，经过补偿算法最终可得到时间补偿量，再直接调用外部的VCXO模块执行时钟校正和调整。

本发明提供的时钟校正和调整模块是一种硬件上实现的时间同步调整补偿。如图4所示，具体处理过程为：

（1）如果当前的系统时间与最佳主时钟相比，平均时间延迟偏移量在预先设置的可接受的时间偏移量范围内（可接受范围可根据不同的应用场合适当调整参数），则不执行VCXO操作，即当前的系统时间可直接作为主时钟来使用，可以达到时间同步的可接受标准；

（2）如果当前的系统时间与最佳主时钟相比，平均时间延迟偏移量大于或小于预先设置的可接受的时间偏移量范围，则需要进行时间同步的调整补偿。具体为：当MCU的媒体时钟服务器模块判定当前需要进行时间同步校正时，对应计算得到的时间调整补偿的偏移量，经过软件上的相位调整和硬件上的滤波处理，再经过DAC转换，将时间调整补偿偏移量转换成模拟电压量，再根据VCXO模块微调外部系统时钟源，使得同步后作为当前的主时钟。从而使得系统时间可以得到实时补偿修复。

时间补偿算法采用的是渐进补偿和查表的方法，使得补偿时间差转换为时间补偿参数，再通过软件处理经过频率和相位参数的配置，由D/A转换后，调节可变时钟晶振脉冲的计数参数，达到时间补偿和时间同步的目的。具体为：

（1）在VCXO模块的软硬件系统中，通过计算和调试得到时间补偿偏差量与硬件电压变化参数的对应关系，计算得到对应关系表；

（2）当时间补偿偏差量输入时，通过查表转换成时间补偿参数，经过软件模块和硬件电路的处理，输出模拟电压，改变VCXO单元的时钟频率和相位；

最佳主时钟算法是精确时间同步的重要组成部分，可以实时比较当前系统中所有时钟源，重新确定当前的最佳时钟，保证系统主时钟的稳定性和可靠性。最佳主时钟主要由时间数据集和状态切换算法组成。

时间数据集是由系统中接收到的同步报文得到的，主要的核心信息有时钟等级、时钟方差、传输路径等信息。其中，时钟等级是当前系统中，根据主时钟传输时间延迟偏差量大小来标识；时钟方差用来直接反应时钟源内在精度，由Allan方差评估得到时钟频率的方差：t是采样周期，N是采样数目，x_k、x_k+1、x_k+2分别是在k、k+t、k+2t时刻通过对本地时钟源采样得到的时间差。

通过时间数据集的比较，可以比较得到系统中各个时钟源的精确度。时间数据集的比较分为两步：

（1）比较系统中PTP端口单个处于不定模式设备所接收到的时间数据集，分别从时钟等级、时钟方差、传输路径和时钟身份标识等参数判断，依次比较出局部最佳数据集，如图1所示；

（2）将当前的最佳主时钟时间数据集与步骤（1）得到的每个端口局部最佳数据集的参数按照步骤（1）的方法一次比较，即可得到当前时刻的系统的最佳数据集；

根据需要可以直接将最佳主时钟放到步骤一中进行比较，这样可以直接得出最佳数据集。

状态切换算法主要根据设备的本地时间数据集与已选定的当前系统最佳时间数据集比较，重新标识各设备的时钟等级，切换各端口的主从模式状态，保证系统中主动模式体系完整有序。

通过时间数据集和端口状态切换，就可以由系统最佳数据集确定当前时刻系统中最佳主时钟。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了主模式、从模式、时间戳等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种精确同步时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、时钟主模式设备向时钟从模式设备发送同步报文，同步报文中加载有发送同步报文的时间戳信息t₁；

二、时钟从模式设备接收到时钟主模式设备的同步报文以后，记录接收到同步报文的接收时间戳信息t₂，然后发送回应报文到时钟主模式设备，回应报文中加载有t₁、t₂和发送回应报文的发送时间戳信息t₃；

三、时钟主模式设备接收到时钟从模式设备的回应报文以后，记录接收到回应报文的时间戳信息t₄，正向传输路径上的延迟时间t_ir=t₂-t₁，反向传输路径上的延迟时间t_ri=t₄-t₃，可以计算得到当前的路径延迟时间为(t_ir+t_ri)/2；

四、重复步骤一至三N次，得到N个路径延迟时间，根据平均路径延时算法计算得到平均路径延迟时间；

五、根据平均路径延迟时间，对比当前系统中的主时钟可知当前的时间偏移量，再根据时间补偿算法得到当前需要补偿调整的时间量信息，利用时间调节控制模块，将时钟从模式设备做时间补偿调整处理。

2.根据权利要求1所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，平均路径延时算法如下：令T_avg,k表示第k次平均路径延迟时间，T_avg,k-₁表示第k-1次平均路径延迟时间，T_k-1表示第k-1次路径延迟时间，q表示经过m次测算后得到的加权系数，q=e^-1/m，e是自然底数，

当m>k时，T_avg,k=qT_avg,k-1+(1-q)T_k-1；

当m≤k时，T_avx,k=((k-1)T_avg,k-1+T_k-1)/k。

3.根据权利要求1或2所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，系统中的各设备定时进行模式切换，模式包括主模式、从模式和不定模式，当定时周期到来时，如果检测到当前模式为主模式，则向局域网中发送一次同步报文；如果检测到当前模式为从模式，则不进行动作；如果检测到当前模式为不定模式，则根据最佳主时钟选择算法测算当前的最佳主时钟，如果当前本地时钟被选为最佳主时钟，则切换本地设备的模式为主模式，否则切换本地设备的模式为从模式。

4.根据权利要求3所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，步骤五具体为：如果当前系统时间与最佳主时钟的时间相比，平均时间延迟偏移量在预先设置的可接受的时间偏移量范围内，则不执行调整操作；如果当前系统时间与最佳主时钟的时间相比，平均时间延迟偏移量大于或者小于预先设置的可接受的时间偏移量范围，则对计算得到的时间调整补偿偏移量，进行相位调整和滤波处理，再进行数模转转将时间调整补偿偏移量转换成模拟电压量，再根据电压控制晶振模块调整外部系统时钟源，使系统时间得到补偿修复。

5.根据权利要求3或4所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，所述最佳主时钟选择算法具体为：

a、各设备计算本地时钟的时钟等级和时钟方差，在对外发送的同步报文中加载时钟等级和时钟方差信息；

b、设备接收到同步报文以后，得到报文的传输路径长度；

c、设备将接收到的所有同步报文中的时钟等级进行比较，选择时钟等级最高的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；如果比较得到具有最高时钟等级的时钟源具有两个或以上，则进入步骤d；

d、设备将接收到的所有同步报文中的时钟方差进行比较，选择时钟方差最小的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；如果比较得到的最小时钟方差的时钟源具有两个或以上，则进入步骤e；

e、设备将接收到的所有同步报文的传输路径进行比较，选择传输路径最短的同步报文的来源作为最佳主时钟，选择过程结束，进入步骤f；本地设备的传输路径为0；如果综合比较具有相同最优的时钟等级、时钟方差和传输路径得到的时钟源具有两个以上，可以认为此时的时钟源具有较高精度，可从其中随机选取一个作为最佳主时钟，并且该时钟端口为主模式，同等最优的其它时钟源的时钟端口为不定模式；

f、状态切换，将本地时间和已选定的最佳主时钟进行比较，重新计算时钟等级。

6.根据权利要求5所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，所述时钟等级计算方法为：将本地时钟作为从设备依照步骤一至四得到平均路径延迟时间，根据平均路径延迟时间，对比当前系统中的主时钟计算本地时间的偏移量，此偏移量越小则时钟等级越高，偏移量越大则时钟等级较低，如果当前系统中没有主时钟则本地时钟具有最低的时钟等级。

7.根据权利要求6所述的一种精确同步时间的方法，其特征在于，所述时钟方差的计算方法为：由Allan方差评估得到时钟频率的方差：

t是采样周期，N是采样数目，x_k、x_k+1、x_k+2分别是在k、k+t、k+2t时刻通过对本地时钟源采样得到的时间差。

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