CN103929293A - 非对称延迟的时间同步方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称延迟的时间同步方法及系统。本发明在报文数据在客户端与服务器之间的往返时间RTT的间隔时间内客户端先后发送两组时间同步请求报文到服务器，服务器处理后再返回到客户端，通过获取每一组时间同步请求报文的发送时间、到达服务器的时间、服务器发送该时间同步请求报文的响应报文的时间和客户端收到该响应报文的时间，即两组时间戳，客户端根据两组时间戳计算时间偏差，根据该时间偏差来完成时间同步，减小计算误差，提高时间同步的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及时间同步领域，特别涉及一种非对称延迟的时间同步方法及系统。
背景技术
时间同步的目的是使得本地时钟的时间与参考时钟源的时间保持某种程度的一致。在网络环境下，通常将提供标准时间的时钟称为服务器，而待同步的本地时钟称为客户端。一般方法是记录参考时钟和本地时钟之间的时间戳，并互相交换时间戳数据，通过分析、计算出二者时钟间的时间偏差 ，用来纠正本地时钟时间以达到同步目的。SNTP、NTP、PTP(IEEE1588)就是这种模式的典范，因其具有简单实用的特点，而被广泛用于网络时间同步，以满足不同精度的时间同步。
网络时间同步过程中，通常假设主时钟和从时钟之间的往返单程时间延迟是相等，利用四个时间戳，计算从时钟与主时钟之间的时间偏差，进而纠正本地时钟，使得从时钟与主时钟之间的时间同步。参考图1，为了便于描述，引入一个绝对的理想时钟，作为客户端和服务器的基准时钟。在一般的时间同步过程中，客户端获取本地时间T1，并将T1封装入时间同步请求报文，发给服务器。服务器收到请求报文后，记录请求报文达到时间T2，再生成响应报文，记录发送响应报文的时间T3，并把T1、T2、T3封装入响应报文回送给客户端。客户端记录收到响应报文的时间T4，最后利用T1、T2、T3、T4计算时间偏差，用来纠正本地时钟时间，从而完成一次时间同步。假设时间同步的期间服务器和客户端的时钟偏差是不变的。从客户端到服务端的单程时间为，从服务端到客户端的单程时间为。令,为往返时延之差，又称为双程时延抖动。令θ>0（若θ<0，结果相同情况），则有如下基本关系：
（1）
当客户端最后在时刻获取四个时戳后，计算t4时刻的时间偏差才最具有意义，因此由（1）式有如下结果:
（2）
如果满足，即近似满足往返的单程时延相等的条件，此时，则有。
如果，则，由此可见非对称延迟会增加同步误差。在绝大多数网络中，受线路的可用带宽、线路的长度和其他时变因素的制约，往返时间的两个单程时间并不完全相等。从而使得，假设条件（）并不成立，实际计算的时间偏差不够精确，从而主从时钟的时间并不能精确同步。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种精确度高的同步时间的方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种非对称延迟的时间同步方法，该方法包括如下步骤：
a)客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端；所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；
b)间隔时间后，重复步骤a)，客户端得到与步骤a)中相对应的第二组时间戳；
c)客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
进一步地，所述客户端与服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
进一步地，所述时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种非对称延迟的时间同步系统，包括服务器和客户端。所述客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端；
所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；间隔时间后，基于同样的过程，所述客户端得到相应的第二组时间戳；所述客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
进一步地，所述客户端和服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
进一步地，所述客户端和服务器之间的时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。
进一步地，所述客户端包括用于时间同步的从同步器和从时钟。
进一步地，所述服务器包括用于时间同步的主同步器和主时钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在报文数据在客户端与服务器之间的往返时间RTT的间隔时间内客户端先后发送两组时间同步请求报文到服务器，服务器处理后再返回到客户端，通过获取每一组时间同步请求报文的发送时间、到达服务器的时间、服务器发送该时间同步请求报文的响应报文的时间和客户端收到该响应报文的时间，即两组时间戳，客户端根据两组时间戳计算时间偏差，根据该时间偏差来完成时间同步，计算误差减小，时间同步的精确度提高。
附图说明：
图1为现有技术中时间同步过程示意图。
图2为本发明时间同步过程发送报文数据示意图。
图3为本发明时间同步过程又一发送报文数据示意图。
图4为本发明时间同步两次先后顺序示意图。
图5为本发明系统框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明提供了一种非对称延迟的时间同步方法，该方法包括如下步骤：
a)客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端；所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；
b)间隔时间后，重复步骤a)，客户端得到与步骤a)中相对应的第二组时间戳；
c)客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
所述客户端与服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。 所述时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。
具体的，参考图2、图3和图4，本发明采用两个时间同步请求报文和以较短的间隔时间，先后从客户端发送到服务器，服务器再返给客户端，根据获取的两组时间戳计算出时间偏差，从而完成一次时间同步。
由于单程时延主要由发送时间同步请求报文的长度和单工链路的速率决定,二者满足如下关系：
（3）
当时间同步请求报文的长度不同，则单程时延也不一样，假设非对称时延由链路带宽不同引起的，并设双向链路的带宽分别为。构造两个长度分别为的报文和，则有：
（4）
基于上述理论分析，本发明采用两个时间同步请求报文和以较短的间隔时间，先后从客户端发送到服务器，服务器再返给客户端，根据获取的两组时间戳计算出时间偏差，从而完成一次时间同步。
首先客户端发送时间同步请求报文到服务器, 服务器处理后再返给客户端，基于上述方法步骤，获取该报文相应的第一发送时间T1a、第一到达时间T2a、第二发送时间T3a和第二到达时间T4a四个时间戳，即第一组时间戳，并设两个单程延迟分别为，其过程如图2所示。
客户端发送出报文后，间隔时间后再发送报文，同样的过程，获取报文相应的第一发送时间T1b、第一到达时间T2b、第二发送时间T3b和第二到达时间T4b四个时间戳，即第二组时间戳，并设两个单程延迟分别为，其过程如图3所示。
利用记录的T1a、T2a、T3a、T4a和T1b、T2b、T3b、T4b共计8个时间戳。由（2）式有：
（5）
综合（4），（5）两式，则时间偏差为： ，其中，，客户端的时钟应纠正为。这里，因为时钟偏差是经过较长时间段一点点的累积起来的，在很短时间（即间隔时间）内的两次同步时间偏差，可以看成近似不变的。发送报文和报文之间的间隔时间，两次同步的先后顺序如图4所示。其中必须小于客户端与服务器之间报文的往返时间RTT。本发明在间隔时间内，客户端先后发送两组时间同步请求报文到服务器，服务器处理后再返回到客户端，通过获取每一组时间同步请求报文相应的4个时间戳，即两组共8个时间戳，客户端根据两组8个时间戳计算时间偏差，根据该时间偏差来完成时间同步，减小计算误差，提高时间同步的精确度。
所述客户端与服务器以上述方法步骤不断的进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔必须大于客户端与服务器之间的往返时间RTT。间隔一定时间完成一次时间同步，这样就进一步提高了时间同步的精确度。
本发明还提供了一种非对称延迟的时间同步系统，包括服务器和客户端。所述客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端。
所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；间隔时间后，基于同样的过程，所述客户端得到相应的第二组时间戳；所述客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
所述客户端和服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
所述客户端和服务器之间的时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。所述客户端包括用于时间同步的从同步器和从时钟。所述服务器包括用于时间同步的主同步器和主时钟。
具体的，如图5所示，所述客户端除了包括用于时间同步的从同步器和从时钟，所述服务器除了包括用于时间同步的主同步器和主时钟，所述客户端和服务器还均包括中央处理器、物理接口电路PHY和媒体访问电路MAC，各自的中央处理器用于产生、处理时间同步请求报文，并经由在客户端和服务器之间的通信链路发送和接收时间同步请求报文。客户端和服务器的物理接口电路PHY和媒体访问电路MAC使得能够通过通信链路发送和接收时间同步请求报文数据。并且各自的中央处理器包括提供用于在客户端和服务器之间的通信链路上通信的网络协议栈的代码。
客户端的中央处理器生成时间同步请求报文，经由其内部的媒体访问电路MAC和物理接口电路PHY输出，所述从同步器连接在该媒体访问电路MAC和物理接口电路PHY之间，从同步器监听检测到时间同步请求报文时从所述从时钟处读取当前时间，即时间同步请求报文的第一发送时间T1a，将该第一发送时间T1a封装入所述时间同步请求报文后再通过物理接口电路PHY输出。
所述时间同步请求报文经由客户端和服务器之间的通信链路到达服务器，服务器内的主同步器连接在服务器内的媒体访问电路MAC和物理接口电路PHY之间，时间同步请求报文经过服务器内的物理接口电路PHY后，主同步器记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间T2a，并获取所述时间同步请求报文的第一发送时间T1a。该时间同步请求报文继续经由服务器内的媒体访问电路MAC到达服务器内的中央处理器，由中央处理器生成所述时间同步请求报文的响应报文并通过内部的媒体访问电路MAC和物理接口电路PHY将该响应报文返回到客户端。主同步器监听检测到响应报文时从所述主时钟处读取当前时间，即响应报文的第二发送时间T3a，将该第二发送时间T3a和上述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间T2a及时间同步请求报文的第一发送时间T1a一起封装入所述响应报文后通过物理接口电路PHY将该响应报文返回到客户端。
所述客户端内的从同步器记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间T4a，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间T1a、第一到达时间T2a、第二发送时间T3a；所述第一发送时间T1a、第一到达时间T2a、第二发送时间T3a和第二到达时间T4a构成第一组时间戳；间隔时间后，基于同样的过程，所述客户端得到相应的第二组时间戳（T1b、T2b、T3b、T4b）；所述客户端内的从同步器根据所述第一组时间戳（T1a、T2a、T3a、T4a）和第二组时间戳（T1b、T2b、T3b、T4b）计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步，纠正从时钟的时间。具体的计算处理过程可参考上述方法步骤部分的相关描述，其原理过程是相同的，这里不再详述。
本发明在客户端与服务器之间的往返时间RTT的间隔时间内客户端先后发送两组时间同步请求报文到服务器，服务器处理后再返回到客户端，通过获取每一组时间同步请求报文的相应的4个时间戳，即两组共8个时间戳，客户端根据两组8个时间戳计算时间偏差，根据该时间偏差来完成时间同步，计算误差减小，时间同步的精确度提高。另外，服务器和客户端中，所述主同步器和从同步器均连接在各自的媒体访问电路MAC和物理接口电路PHY之间的链路上。上述第一发送时间T1a、第一到达时间T2a、第二发送时间T3a、第二到达时间T4a均由主同步器和从同步器产生记录处理，而不是用中央处理器进行这些处理，如果中央处理器完成这些任务，那么数据在中央处理器中生成并通过中央处理器到媒体访问电路MAC之间链路传输时都会产生时间延迟。采用本发明的这种主、从同步器就可以避免中央处理器到媒体访问电路MAC之间链路上产生的时间延迟对时间同步精确度的影响，从而进一步提高时间同步的精确度。
Claims (8)
1.一种非对称延迟的时间同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a)客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端；所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；
b)间隔时间 后，重复步骤a)，客户端得到与步骤a)中相对应的第二组时间戳；
c)客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
2.根据权利要求1所述的非对称延迟的时间同步方法，其特征在于，所述客户端与服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
3.根据权利要求1所述的非对称延迟的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。
4.一种非对称延迟的时间同步系统，其特征在于，包括服务器和客户端；
所述客户端生成时间同步请求报文并发送给服务器，同时记录所述时间同步请求报文的第一发送时间且将所述第一发送时间封装入所述时间同步请求报文；
所述服务器收到所述时间同步请求报文后，记录所述时间同步请求报文到达服务器的第一到达时间，再生成所述时间同步请求报文的响应报文并发送给客户端，记录发送所述响应报文的第二发送时间，并把所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间封装入所述响应报文后发送给客户端；
所述客户端记录收到封装后的所述响应报文的第二到达时间，同时解析获得封装后的所述响应报文包含的第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间;其中，所述第一发送时间、第一到达时间、第二发送时间和第二到达时间构成第一组时间戳；间隔时间后，基于同样的过程，所述客户端得到相应的第二组时间戳；
所述客户端根据所述第一组时间戳和第二组时间戳计算时间偏差并根据该时间偏差来完成一次时间同步；其中，所述间隔时间小于所述时间同步请求报文在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
5.根据权利要求4所述的非对称延迟的时间同步系统，其特征在于，所述客户端和服务器不断进行时间同步，相邻两次时间同步之间的时间间隔Ts大于分组数据包在所述客户端与服务器之间的往返时间RTT。
6.根据权利要求4或5所述的非对称延迟的时间同步系统，其特征在于，所述客户端和服务器之间的时间同步是根据IEEE1588时间同步协议执行的。
7.根据权利要求6所述的非对称延迟的时间同步系统，其特征在于，所述客户端包括用于时间同步的从同步器和从时钟。
8.根据权利要求6所述的非对称延迟的时间同步系统，其特征在于，所述服务器包括用于时间同步的主同步器和主时钟。
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