CN105680975A - 一种主从结构多节点网络的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主从结构多节点网络的时间同步方法，其针对网络的各个节点物理上通过有线进行连接，节点间的通讯可采用RS485、RS422、RS232、CAN总线等方式，设计了两种时钟同步机制：一种是应答式机制，另一种是广播式机制。本发明通过FPGA时钟采样可以得到各个报文发送和接收的准确时刻；通过应答式同步方式计算传输平均时延和主从时钟偏移，之后加以补偿时间精度可以达到纳秒级的高精度时间同步；通过广播式同步方式，在忽略通道传输时延的条件下可以达到较高精度的时间同步。

Description

一种主从结构多节点网络的时间同步方法

技术领域

本发明属于集中式或分布式系统网络时间同步技术领域，具体涉及一种主从结构多节点网络的时间同步方法。

背景技术

随着网络系统的广泛应用，多节点之间往往要求协作工作，对系统时间/时钟同步的精度要求越来越高。基于网络化的系统是一项十分复杂、困难的任务，各节点完成任务相互协作完成，多数依赖于时间来进行协同工作。因此，网络中各节点的时间/时钟同步是基于网络的实时控制系统数据调度和任务的核心技术之一，它提供一种确定事件发生时间的先后顺序的机制，以保证节点发送和接收消息、控制、事故记录等在时间逻辑上最大保证一致性，网络中的所有节点需要一个统一的时间进行调度，需要对各节点进行时间/时钟同步。节点间的时间/时钟同步精度可以通过两种途径进行提高：一是通过硬件辅助方法，该方法能够显著提高时钟同步精度，但需要增加硬件成本与系统功耗；二是通过软件算法来提高时钟同步精度。

在时钟主从结构网络系统中，各个远端从时钟节点(从节点)通过有线或无线的方式与中央主时钟节点(主节点)进行通信，实现时间统一的控制与数据的处理。为了保证主从节点交互信息确切的时间逻辑关系，网络中所有从节点的时间需要与主节点的时间保持同步。网络系统中的各个节点区域分散，同时每个节点具有独立的时钟，由于受到时钟特性与工作环境的影响，各节点时钟还存在一定偏差、抖动和漂移。特别是采用低成本时钟的节点系统，节点时钟精度与稳定度低，各节点的时钟之间存在较大的时钟偏差。因此，网络系统的时钟网络可进行时钟同步，从而保证各个设备节点工作的时间同步性。

目前应用于网络时钟同步的协议主要有：(1)基于GPS的时钟同步，GPS时钟同步设备主要通过高精度的GPS定位授时模块而开发的产品，它具有精度高的优点，但应用成本高，且设备需要工作于能接收GPS卫星信号的区域。(2)基于NTP(NetworkTimeProtocol)协议的时钟同步，它是基于客户端/服务器模式的时钟同步，主要是用来使计算机对其服务器或时钟源(如原子钟、GPS卫星等国际标准时间)做同步化，但是其时钟同步精度在LAN(LocalAreaNetwork)上只能达到毫秒级，在WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)上甚至要达到及时毫秒，且NTP不适合用在分布式测控领域。(3)基于PTP(PrecisionTimeProtocol)协议的时钟同步，该协议是基于主节点/从节点模式的时钟同步协议。PTP时钟同步协议用于网络中从节点时钟对主节点时钟之间的同步，它适用于一个或多个从节点的时钟同步，由于PTP时钟同步协议可以采用硬件的方式对消息包进行解析，以及采用二次同步消息包的机制，所以，与NTP协议相比，PTP协议的时钟同步精度更高，但是PTP属于上层协议机制，并不涉及底层时间戳的提取机制和节点间的传输方式。

发明内容

针对网络的各个节点物理上采用有线进行连接，节点间的采用RS485、RS422、RS232、CAN总线等组网通讯方式的场景，本发明提供了一种主从结构多节点网络的时间同步方法，即在节点收发业务包过程中进行时间戳的提取以及时间戳信息的传递过程的方法，兼容现有通讯架构，实现低成本、高精度的网络时间同步。

一种主从结构多节点网络的时间同步方法，包括：

在考虑传输时延的情况下，通过应答式同步机制采样获取主从节点在各自时钟下关于同步报文的发送时刻和接收时刻以及关于传输时延测量请求报文的发送时刻和接收时刻，并对这些时刻标记上不同的时间戳以解算出主从节点之间的同步时延；根据所述的同步时延对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位进行调控，以实现网络中所有节点高精度的时间同步；

在不考虑传输时延的情况下即传输时延相比时钟精度要求可以忽略时，通过广播式同步机制采样获取主节点在本地时钟下关于同步报文的发送时刻以及从节点在本地时钟下关于同步报文的接收时刻，并对这些时刻标记上不同的时间戳以解算出主从节点之间的同步时延；根据所述的同步时延对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位进行调控，以实现网络中所有节点高精度的时间同步；或者通过周期性广播同步脉冲来实现，即主从节点约定好同步脉冲的发送间隔，从节点每次收到主节点发送的同步脉冲后将本地时钟与主节点时钟对齐，周期性地执行此过程以实现网络中所有节点高精度的时间同步。

在考虑传输时延的情况下，主从节点之间的同步时延包括传输时延、发送响应时延、接收响应时延以及主从节点之间的时钟偏差；在不考虑传输时延的情况下，主从节点之间的同步时延即为主从节点之间的时钟偏差。

所述同步脉冲的发送间隔为整秒、整分、整时或其他约定间隔。

本发明方法采用FPGA来实现对主从节点关于同步报文发送时刻和接收时刻的采样工作、关于传输时延测量请求报文发送时刻和接收时刻的采样工作以及不同时间戳的标记工作；采用FPGA或MCU来实现同步时延的解算工作以及对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位的调控工作。

在考虑传输时延的情况下，通过以下算式解算主从节点之间的同步时延：

T_m2s＝Delay+Offset

Delay＝0.5(TS1-TM1+TM2-TS2)

Offset＝0.5(TS1-TM1-TM2+TS2)

其中：T_m2s为主从节点之间的同步时延，Offset为从节点时钟相对于主节点时钟的偏移量，Delay为主从节点之间上下行的链路平均时延，TM1为主节点时钟下同步报文发送时刻对应的时间戳，TS1为从节点时钟下同步报文接收时刻对应的时间戳，TS2为从节点时钟下传输时延测量请求报文发送时刻对应的时间戳，TM2为主节点时钟下传输时延测量请求报文接收时刻对应的时间戳。

在不考虑传输时延的情况下，通过以下算式解算主从节点之间的同步时延：

T_m2s＝Offset＝TS1-TM1

其中：T_m2s为主从节点之间的同步时延，Offset为从节点时钟相对于主节点时钟的偏移量，TM1为主节点时钟下同步报文发送时刻对应的时间戳，TS1为从节点时钟下同步报文接收时刻对应的时间戳。

本发明针对的主从结构是从时钟角度上来讲的，与网络通信上的主从不一样。也就是整个网络或局部网络中的时钟向主节点进行同步，或者一级一级向更高级别主时钟进行同步。主节点并不是固定的某一个节点，可以根据不同时间、阶段或场景的需要而改变。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明通过FPGA时钟采样可以得到各个报文发送和接收的准确时刻。

(2)本发明通过应答式同步方式计算传输平均时延和主从时钟偏移，之后加以补偿时间精度可以达到纳秒级的高精度时间同步。

(3)本发明通过广播式同步方式，在忽略通道传输时延的条件下可以达到较高精度的时间同步。

附图说明

图1(a)为一个主时钟节点带多个从时钟节点的组网结构示意图。

图1(b)为一个主节点与一个从节点的组网结构示意图。

图2(a)为Sync报文的帧格式示意图。

图2(b)为Follow_up报文的帧格式示意图。

图2(c)为Delay_Req报文的帧格式示意图。

图2(d)为Delay_Resp报文的帧格式示意图。

图3为应答式同步机制的实现过程示意图。

图4为广播式授时同步的实现过程示意图。

图5为广播同步信号的帧格式示意图。

图6为广播式脉冲同步的实现过程示意图。

图7(a)为本发明一种主从结构网络的典型实现方式示意图。

图7(b)为本发明另一种主从结构网络的典型实现方式示意图。

图8(a)为应答式时间戳提取过程的示意图。

图8(b)为广播式时间戳提取过程的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明针对网络的各个节点物理上通过有线进行连接，节点间的通讯可采用RS485、RS422、RS232、CAN总线等方式(以下以RS485/422/232方式为例进行阐述，实际上也可以其它类型的通讯方式)，设计了两种时钟同步机制。一种机制是应答式，主节点发送同步报文给从节点，同步报文中包含主节点的当前时间信息，这种同步方式不仅可以实现主从节点的时间同步，还可以实现主节点对从节点进行授时，主节点分别和各个从节点对时应答，从节点测量并计算出与主节点与各个从节点之间的时间偏移和传输时延，再将时间偏移和传输时延补偿回去达到精确时钟同步。另一种机制是广播式，可将应答式方法简化，只进行主从节点广播授时，主节点将时间同步信号以广播的形式发送给每个从节点，从节点接收到后直接授时(对表)并调整时钟；或者主节点在约定间隔时间(比如整秒、整分、整时等)的时刻对所有从节点广播一段连续的同步脉冲信号，从节点确认收到同步脉冲后，将本地对应的时间(比如整秒、整分、整时等)时钟和主节点对齐，实现时间/时钟同步。

网络中各个节点的时钟同步部分可采用由FPGA和MCU组合实现，节点间采用总线连接，如果只存在一主一从两节点情况下则简化为点对点的连接方式。

图1为主从结构网络的典型应用场景示意图，主节点并不是固定的某一个节点，可以根据不同时间、阶段或场景的需要来设定主节点。以上的场景中的即使主节点和各个从节点在刚开始工作的时候完全对齐时钟，在一段时间之后任然会存在时间上的偏差，这是由于各个节点上的时钟晶振的偏差不完全一样，一段时间之后会出现不同的累积误差，因此需要一定时间内进行一次时间同步。在通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机，如图1(a)所示。点对点连接属于这种总线的特殊情况，只存在一个主一个从，如图1(b)所示。

(1)当对时间同步精度要求高的情况下可采取应答式同步机制。应答式同步机制中，主从节点可参照IEEEI588标准通过4种同步报文：①同步(Sync)报文；②同步跟随(Follow_Up)报文；③延时测量请求(Delay_Req)报文；④延时测量响应(Delay_Resp)报文；(Sync、Follow_up、Delay_Req和Delay_Resp)进行握手通信。由于FPGA可以精确采样时钟变化时刻，利用FPGA对报文的发送、接收时间进行标记打上时间戳进行计算，得出从时钟相对于主时钟的时间误差，以及报文的传输时延。其中报文①～④直接参加主从节点间时钟误差和网络传输延时的测量。

同步过程可分为发送同步报文和传输延时测量两个阶段。第一个阶段：主节点周期性地广播发出时钟同步报文Sync。主节点监听并记录该报文实际离开本节点的准确时刻TM1；从节点也监测记录该报文到达本节点的准确时刻TS1。主节点将监测到的Sync报文离开的准确时刻TM1在随后发出的Follow_Up报文中广播发给网络巾的各个从节点。第二个阶段：从节点向主节点以点对点的方式发出传输延时测量请求报文Delay_Req。从节点监听并记录该报文实际离开本节点的准确时刻TS2；主节点也监测记录该数据帧到达本节点的准确时刻TM2。主节点在Delay_Resp报文中将时刻TM2发回，不断重复上述测量过程，并根据测得的四个时刻从节点可推算出主从节点间的时间差和频率差，即可完成时钟同步。

本发明算法适用于隶属于普通时钟和边界时钟的主从时钟的同步，涉及到四类报文：Sync，Follow_up，Delay_Req和Delay_Resp。四种同步报文帧格式如图2所示，图中帧的各个字段是否需要可根据实际应用自行选择和定义。

图3所示了应答式同步的实现过程，当报文交换完成时，从时钟拥有四个时间戳：TM1、TS1、TS2和TM2，一次握手通信完成。从节点处理所有四个时间戳，用来计算从时钟相对于主时钟的偏移和两节点间报文的平均传播时间。公式是：

T_m2s＝TS1-TM1＝D_DL+Offset

T_s2m＝TM2-TS2＝D_UL-Offset

假设上下行的链路时延相等，Delay＝D_DL＝D_UL

平均时延：Delay＝0.5(D_DL+D_UL)＝0.5(TS1-TM1+TM2-TS2)

偏移：Offset＝TS1-TM1-Delay＝0.5(TS1-TM1-TM2+TS2)

从偏移的计算公式假设主到从和从到主的传播时间相等。计算从偏移时，任何传播时间上的非对称都将引入误差。

(2)当对时间同步精度要求不高的情况下可采取广播式同步机制，是通过主节点向从节点定时广播同步信号进行同步。以下列举了几种典型的广播式同步方式。

2.1可将应答式同步方式简化，只进行主从节点广播授时，主节点通过将时间同步信号以广播的形式发送给每个从节点，从节点接收到后直接授时(对表)。

图4所示了广播式授时同步的实现过程，开始由主节点先发一条同步指令或者Sync同步报文(其格式可以参照应答式同步方式的同步报文格式)，并记录这条信息离开主节点的时间TM1，从节点在确认收到主节点的同步报文的时候也同样记录其到达时间TS1，主节点在发送Sync同步报文之后再发一条Follow_up跟随报文，将上调同步报文的发送时间TM1发送给从节点，从节点在接收到跟随报文的同时也记录其到达时间。

T_m2s＝TS1-TM1＝D_DL+Offset

Offset＝TS1-TM1

上式中T_m2s为主从节点的同步时间差，D_DL为单向链路的传输时延，Offset为时钟偏差。

当D_DL可以忽略时，此时可以认为主从时间同步差就是主从时钟的偏差，将主从时钟偏差补偿并周期性的执行此过程就能实现较为可观的授时时间同步。

当主节点FPGA发送帧的生成时间和D_DL可以忽略时，主节点可以只周期性的广播同步信号，同步信号可以参照应答式方式的同步报文，但是需要FPGA在发送信号时候去读取FPGA时钟并将读取的时间值替换同步报文中的同步指令，周期性的执行此操作可以简单的实现授时时间同步；广播同步信号的帧格式如图5所示。

2.2当线路的传输时延相比时钟要求精度可以忽略时，广播式同步还可以通过主节点广播周期的同步脉冲来实现，即主节点在约定间隔时间(比如整秒、整分、整时等)的时刻对所有从节点广播一段连续的同步脉冲信号，从节点收到同步脉冲后，将本地对应的时间(比如整秒、整分、整时等)时钟和主节点对齐，周期性的执行此过程可实现时间同步。

图6所示了主节点只广播同步脉冲信号(脉冲宽度选择非通讯波特率的时间即可，作为时间同步标志，而且不影响节点间正常的数据包通讯)的实现过程，此方式只能实现整秒、分、时等约定间隔的时间同步。要注意主节点同步信号脉冲宽度要大于采样时钟脉冲宽度。

图6中主节点在t₀(可选任意时刻，只需要约定好固定的同步脉冲发送间隔T，方便起见最好选取整秒、整分、整时等)时刻广播发出同步信号，从节点在t₁时刻确认收到主节点同步脉冲直接对从节点时钟进行同步控制，周期性的执行此操作可以实现简单的时间同步。

各个节点由MCU和FPGA构成来实现。FPGA对上述的时钟同步报文或脉冲进行采样，能高精度获取同步信号发送、接收的准确时刻。MCU或FPGA通过各个报文发送、接收时刻计算出传输时延或主从时间偏移来完成主从节点时钟同步。

图7为节点的两种典型实现方式示意图，图中两种主从结构网络中虚线部分表示可选项。第一种如图7(a)所示，将总线链接物理模块(如：RS485/422/232/CAN总线电平转换模块等)、FPGA模块和MCU(为选择项)模块串联起来，通过FPGA收发报文并在收发报文时候读取本地时钟并标记上收发的时间戳，同时FPGA在收到信号后解调信号组成信号帧并进行延迟解算和对系统时钟进行调整控制，或将收发获取的时间戳发送给MCU，由它来进行时间偏差和传输延迟解算处理，并进行系统时钟调整。第二种如图7(b)所示，FPGA监听MCU的收发报文，只提取报文收发的时间戳并发送给MCU，MCU模块负责用于数据的收发组帧，通过读取FPGA提取的时间戳解算出时间偏差并本地时钟进行调整控制。本地时钟的调整控制分为两种方式：一种为时钟调整，不仅对系统时间调整，并且对系统时钟的频率和相位进行修正，实现全过程高精度同步；另一种为时间调整，只在固定同步周期内对系统时间进行修正，对系统运行中的精确时钟节拍同步不做要求。

图8所示了FPGA采用应答式和广播式对收发信号或脉冲的时间戳提取过程，FPGA模块负责各个节点信号帧的收发并记录各个信号帧的离开或到达时刻。在应答式同步机制中，如图8(a)所示，FPGA在t₀时刻确认检测到数据包起始位的下降沿，则FPGA立刻获取并记录时间戳。同理图8(b)中的同步脉冲时间戳的提取和图8(a)类似，FPGA在检测到一个同步脉冲上升沿的时候立刻获取并记录时间戳。FPGA可以准确的读出每条信息的收发时间，其精度取决于FPGA内部的时钟晶振的精度，晶振精度越高，FPGA读取的收发时间戳越精确。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种主从结构多节点网络的时间同步方法，其特征在于：

在考虑传输时延的情况下，通过应答式同步机制采样获取主从节点在各自时钟下关于同步报文的发送时刻和接收时刻以及关于传输时延测量请求报文的发送时刻和接收时刻，并对这些时刻标记上不同的时间戳以解算出主从节点之间的同步时延；根据所述的同步时延对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位进行调控，以实现网络中所有节点高精度的时间同步；

在不考虑传输时延的情况下即传输时延相比时钟精度要求可以忽略时，通过广播式同步机制采样获取主节点在本地时钟下关于同步报文的发送时刻以及从节点在本地时钟下关于同步报文的接收时刻，并对这些时刻标记上不同的时间戳以解算出主从节点之间的同步时延；根据所述的同步时延对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位进行调控，以实现网络中所有节点高精度的时间同步；或者通过周期性广播同步脉冲来实现，即主从节点约定好同步脉冲的发送间隔，从节点每次收到主节点发送的同步脉冲后将本地时钟与主节点时钟对齐，周期性地执行此过程以实现网络中所有节点高精度的时间同步。

2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：在考虑传输时延的情况下，主从节点之间的同步时延包括传输时延、发送响应时延、接收响应时延以及主从节点之间的时钟偏差；在不考虑传输时延的情况下，主从节点之间的同步时延即为主从节点之间的时钟偏差。

3.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：所述同步脉冲的发送间隔为整秒、整分、整时或其他约定间隔。

4.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：采用FPGA来实现对主从节点关于同步报文发送时刻和接收时刻的采样工作、关于传输时延测量请求报文发送时刻和接收时刻的采样工作以及不同时间戳的标记工作；采用FPGA或MCU来实现同步时延的解算工作以及对主从节点各自时钟的时刻、频率以及相位的调控工作。

5.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：在考虑传输时延的情况下，通过以下算式解算主从节点之间的同步时延：

T_m2s＝Delay+Offset

Delay＝0.5(TS1-TM1+TM2-TS2)

Offset＝0.5(TS1-TM1-TM2+TS2)

其中：T_m2s为主从节点之间的同步时延，Offset为从节点时钟相对于主节点时钟的偏移量，Delay为主从节点之间上下行的链路平均时延，TM1为主节点时钟下同步报文发送时刻对应的时间戳，TS1为从节点时钟下同步报文接收时刻对应的时间戳，TS2为从节点时钟下传输时延测量请求报文发送时刻对应的时间戳，TM2为主节点时钟下传输时延测量请求报文接收时刻对应的时间戳。

6.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于：在不考虑传输时延的情况下，通过以下算式解算主从节点之间的同步时延：

T_m2s＝Offset＝TS1-TM1

其中：T_m2s为主从节点之间的同步时延，Offset为从节点时钟相对于主节点时钟的偏移量，TM1为主节点时钟下同步报文发送时刻对应的时间戳，TS1为从节点时钟下同步报文接收时刻对应的时间戳。