CN106301953A - 适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法及系统，涉及通信网络中的时钟同步技术领域，该方法包括步骤1，当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；步骤2，在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。

Description

适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法及系统
技术领域
本发明涉及通信网络中的时钟同步技术领域，特别涉及适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法及系统。
背景技术
时间触发以太网是一种应用于现代工控、航空航天等对实时性、可靠性有极高要求的系统中的通信技术，该技术可以提供微秒级的时延抖动，同时提供百兆，甚至千兆的高带宽，是一项很有市场前景的技术。
时间触发以太网是在传统以太网的基础上增加时间触发通信机制。传统的事件触发通信机制无法避免由于竞争、拥塞造成的传输延迟不确定性，而时间触发通信机制通过时分复用方法实现全网节点无竞争通信，从而保证了强实时性，时间触发通信机制要求系统中所有部件严格按照全局时钟执行通信动作，通过对各部件合理制定时间调度表，可以保证确定的通信延迟以及时延抖动，从而满足系统的强实时性。
全局时钟是实现时间触发通信的必备条件，而在分布式通信系统中，每个节点只有各自的本地时钟，因此，需要时钟同步机制保证所有节点的本地时钟之间的误差在一定范围内，目前，时间触发以太网主要采用两种时钟同步算法：主从式时钟同步算法和集中压缩式时钟同步算法。
主从式时钟同步算法，如图1所示：IEEE 1588标准对该种时钟同步算法有详细描述，网络系统中存在一个主设备，负责定期向其他从设备发送时钟信息，而从设备根据接收到的时钟信息，对其本地时钟进行修正，从而达到全网时钟同步的功能。
集中压缩式时钟同步算法，如图2所示：SAE AS6802标准主要论述了该种时钟同步算法，在网络系统中存在三种同步角色：同步主节点(Synchronization Master，SM)、同步从节点(Synchronization Client，SC)和压缩节点(Compression Master，CM)。
同步主节点(SM)：定期向压缩节点发送本地时钟用于计算全局平均时钟；同步从节点(SC)：根据压缩节点返回的全局平均时钟，定期修正自己的本地时钟；压缩节点(CM)：收集所有同步主节点的本地时钟，计算、广播全局平均时钟。
集中压缩式时钟同步算法采用多个同步主节点作为系统时钟的维护者，过程如下：
同步主节点定期向压缩节点发送各自的时钟信息；
压缩节点根据这些时钟信息计算出同步主节点之间的时钟偏差，从而得到同步主节点的平均时钟；
压缩节点将算出的平均时钟广播至全系统；
同步主/从节点根据收到的平均时钟信息，修改本地时钟。
上述的两种时钟同步算法都存在一个重大缺陷：核心单点(主从式时钟同步算法中的主设备，集中压缩式时钟同步算法中的压缩节点)发生故障将导致整个系统的时钟崩溃，如果去除时钟同步过程中的核心单点，采用分布式时钟同步算法将会缓解上述缺陷，本发明提出的分布式时钟同步算法可以很大程度避免单点故障引起的时钟失步。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法及系统。
本发明提出一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，基于集中压缩式时钟同步算法，包括：
步骤1，当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；
步骤2，在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。
所述透明时钟值记录在所述协议帧的透明时钟域中。
所述步骤1还包括获取时钟偏差，并将所述时钟偏差记录在时钟偏差集合中。
所述步骤1还包括如果接收所述协议帧的节点为中继节点，则将所述协议帧继续转发至下一跳，在转发所述协议帧至下一跳前，测量所述协议帧在所述中继节点的驻留时间T及下一跳的链路时间。
根据所述时钟偏差集合计算所述平均偏差时钟。
本发明还提出一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，包括：
获取透明时钟值模块，用于当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；
修正模块，用于在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。
所述透明时钟值记录在所述协议帧的透明时钟域中。
所述获取透明时钟值模块还包括获取时钟偏差，并将所述时钟偏差记录在时钟偏差集合中。
所述获取透明时钟值模块还包括如果接收所述协议帧的节点为中继节点，则将所述协议帧继续转发至下一跳，在转发所述协议帧至下一跳前，测量所述协议帧在所述中继节点的驻留时间T及下一跳的链路时间。
根据所述时钟偏差集合计算所述平均偏差时钟。
由以上方案可知，本发明的优点在于：
高容错性：采用分布式容错时钟计算方法避免了由于核心节点故障导致全系统的时钟崩溃，同时采用多个同步主节点的平均时钟可以容忍几个同步主节点同时出现故障的情况。
设计简单：较SAE AS6802标准，本发明的系统去除了压缩节点，只包含一到两种同步角色，因此，可以减少系统设计、验证、测试的复杂度。
附图说明
图1为主从式时钟同步算法图；
图2为集中压缩式时钟同步算法图；
图3为时间触发交换网示意图；
图4为同步主节点向系统广播协议帧图；
图5为接收协议帧，计算时钟偏差，同时转发至下一跳图；
图6为获取时钟偏差集合图；
图7为计算平均时钟偏差值图；
图8为修正本地时钟图；
图9为容错分布式时钟同步算法图。
具体实施方式
发明人在对时钟同步算法研究时，发现现有的两种时钟同步算法由于在时钟同步过程中存在核心单点的问题，从而导致了上述缺陷，尽管集中压缩式时钟同步算法已经在主从式时钟同步算法的基础上对核心单点问题进行了保护：压缩节点将多个同步主节点的时钟进行平均计算，避免了单个同步主节点出现时钟故障从而导致整个系统时钟失步的情况，但是，压缩节点却成为了新的核心单点，为此，本发明在集中压缩式时钟同步算法的基础上，提出一种完全分布式时钟同步算法，将原本在压缩节点执行的平均时钟计算分布到系统中所有节点，从而去除了压缩节点。
以下为本发明方法的具体步骤，如下所示：
步骤一：每个同步主节点在本地时钟为零时刻的时候，向系统广播一个协议帧(在SAE AS6802中，该协议帧只会发送至压缩节点)；
步骤二：每个设备收到其他设备的协议帧时，接收该协议帧并记录其到达时刻及透明时钟值；同时根据广播协议将协议帧转发至其他设备，并且修改该协议帧的透明时钟值；
步骤三：在一个周期结束前的固定时刻，每个设备将一个周期内收到的所有协议帧进行平均偏差时钟(或称为平均时钟，下同)计算，采用容错中值法可以保证所有无故障设备的时钟维持同步状态(在SAE AS6802中，只在压缩节点进行计算，并且计算方法也比较复杂)；
步骤四：根据计算出的平均偏差时钟对本地时钟进行修正。
本发明还提出一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，包括：
获取透明时钟值模块，用于当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；
修正模块，用于在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。
所述透明时钟值记录在所述协议帧的透明时钟域中。
所述获取透明时钟值模块还包括获取时钟偏差，并将所述时钟偏差记录在时钟偏差集合中。
所述获取透明时钟值模块还包括如果接收所述协议帧的节点为中继节点，则将所述协议帧继续转发至下一跳，在转发所述协议帧至下一跳前，测量所述协议帧在所述中继节点的驻留时间T及下一跳的链路时间。
根据所述时钟偏差集合计算所述平均偏差时钟。
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的应用环境为具有时间同步机制的时间触发交换式网络，在该网络中存在两类同步角色：同步主节点SM和同步从节点SC，其中同步从节点也可以省去，图3展示了一个具有6个设备的时间触发交换式网络，其中包含四个同步主节点，两个同步从节点。本发明假设系统启动后，各个设备的时钟处于同步状态，但是随着时间推移，不同设备由于环境因素及器件工艺等原因出现了时钟偏差，本发明主要用于维持系统设备间的同步，图3中，各个设备间的时钟存在偏差，但是仍在可容忍范围内，即最大偏差值小于偏差容忍阈值θ，接下来将描述本发明的时钟同步算法。
在时间触发以太网中，一个基本的调度单位是集成周期，设备在每个集成周期的动作一致，本发明的同步算法如图9所示：
步骤一：图4中，同步主节点SM0、SM1、SM2和SM3在各自的每个集成周期的开始时刻，向系统广播协议帧PCF0、PCF1、PCF2和PCF3；
步骤二：每个节点接收到协议帧后，记录下该帧的到达时刻，图5、图6中SC0接收到PCF0，记录该帧的到达时刻Local_clockSC0＝ATPCF0_at_SC0，同时读取该帧的透明时钟值TCPCF0_at_SC0，该值记录在协议帧的透明时钟域(参考SAEAS6802标准)，该帧的到达时刻减去该帧的透明时钟值便是该帧的接收节点与该帧的发送节点之间的时钟偏差ΔSC0_SM0＝ATPCF0_at_SC0-TCPCF0_at_SC0，保存该值至时钟偏差集合Δset；
在步骤二中，如果接收节点是个中继节点(比如交换机，根据广播协议需要将接收到的协议帧转发至下一跳)，那么，该接收节点需要将该协议帧继续转发至下一跳，接收节点在发送该帧前，需要测量出该帧在本节点的驻留时间DT及下一跳的链路时间LT，计算该帧新的透明时钟值TCnew＝TCold+DT+LT，并将TCnew写入该帧的透明时钟域，替换了原始的透明时钟值。图5中，SC0测量出PCF0在SC0的驻留时间DTPCF0_at_SC0，及下一跳链路时间LTPCF0_at_SC0，从而计算出新的透明时钟值TCnew＝TCPCF0_at_SC0+DTPCF0_at_SC0+LTPCF0_at_SC0，并将TCnew写入PCF0的透明时钟域，最后将修改过的PCF0发往同步主节点SM1和同步从节点SC1。
步骤三：每个节点在各自的每个集成周期的结束前θ的时刻，根据本集成周期内接收到的所有协议帧所得到的时钟偏差集合Δset，计算平均时钟偏差Δaverage，图7中，SC0在集成周期结束前θ的时刻，根据时钟偏差集合Δset＝{ΔSC0_SM0，ΔSC0_SM1，ΔSC0_SM2，ΔSC0_SM3}，计算平均时钟偏差ΔSC0_average。平均时钟偏差计算方法(容错中值法)：
1.将Δset按数值大小升序(降序)排列为新的时钟偏差集合Δsetsort；
2.平均时钟偏差Δaverage的值为Δsetsort中第K大值和第K小值的算术平均值。
步骤四：每个节点得到平均时钟偏差后，如果平均时钟偏差大等于偏差容忍阈值θ，那么判断出该节点出现故障，系统将该节点关闭，隔离或者重启等故障管理工作；否则，在集成周期结束时，修改自己的本地时钟，即在本地时钟Local_clock减掉平均时钟偏差Δaverage，同时将平均时钟偏差归零Δaverage＝0，时钟修正完成，图8中SC0修正后的本地时钟为Local_clockSC0＝Local_clockSC0-ΔSC0_average。

Claims (10)

1.一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，基于集中压缩式时钟同步算法，其特征在于，包括：
步骤1，当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；
步骤2，在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。
2.如权利要求1所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，其特征在于，所述透明时钟值记录在所述协议帧的透明时钟域中。
3.如权利要求1所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，其特征在于，所述步骤1还包括获取时钟偏差，并将所述时钟偏差记录在时钟偏差集合中。
4.如权利要求1所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，其特征在于，所述步骤1还包括如果接收所述协议帧的节点为中继节点，则将所述协议帧继续转发至下一跳，在转发所述协议帧至下一跳前，测量所述协议帧在所述中继节点的驻留时间T及下一跳的链路时间。
5.如权利要求1或3所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步方法，其特征在于，根据所述时钟偏差集合计算所述平均偏差时钟。
6.一种适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，其特征在于，包括：
获取透明时钟值模块，用于当每个同步主节点在本地时钟为零时刻时，向系统广播协议帧，每个节点接收其他节点广播的所述协议帧并记录所述协议帧的到达时刻及透明时钟值，同时根据广播协议将所述协议帧转发至其他节点，并且修改所述协议帧的透明时钟值，其中所述节点包括所述同步主节点，或所述同步主节点与同步从节点；
修正模块，用于在一个周期结束前的固定时刻，每个节点将一个周期内收到的所有所述协议帧计算平均偏差时钟，采用容错中值法保证所有无故障节点的时钟维持同步状态，并根据计算出的平均偏差时钟对节点的本地时钟进行修正。
7.如权利要求6所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，其特征在于，所述透明时钟值记录在所述协议帧的透明时钟域中。
8.如权利要求6所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，其特征在于，所述获取透明时钟值模块还包括获取时钟偏差，并将所述时钟偏差记录在时钟偏差集合中。
9.如权利要求6所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，其特征在于，所述获取透明时钟值模块还包括如果接收所述协议帧的节点为中继节点，则将所述协议帧继续转发至下一跳，在转发所述协议帧至下一跳前，测量所述协议帧在所述中继节点的驻留时间T及下一跳的链路时间。
10.如权利要求6或8所述的适用于时间触发以太网的分布式容错时钟同步系统，其特征在于，根据所述时钟偏差集合计算所述平均偏差时钟。
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