CN106789196B - 可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其包括高精度时间服务器等，高精度时间服务器上设有用于提供遵循IRIG‑B标准的时码信息的B码信号输出接口以及用于提供遵循IEEE1558v2标准的时码信息的PTP码信号输出接口，B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备都位于服务器中，B码时间同步从端设备通过B码信号输出接口与高精度时间服务器相连，形成B型网络域，PTP码时间同步从端设备通过1588型网络交换机与PTP码信号输出接口相连，形成与B型网络域物理隔绝的PTP码网络域。本发明灵活度高，稳定性高，应用范围广，适配度高，可在恶劣环境下正常工作，使用领域广。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步系统，具体地，涉及一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统。
背景技术
随着通讯技术的日益发展和网络规模的不断扩大，对于多终端的网络系统，其各个子系统、各个终端之间的同步性和实时性要求越来越严格。为了保证整个网络系统的协调工作，需要有时间统一子系统即网络时间同步设备，以负责接收通信系统传递过来的时间信息，并提供统一的时间信息和中断信号。目前常规采用的IP(网络之间互联的协议)网络定时协议由NTP(Network Timing Protocol，即网络时间同步协议)等。NTP协议时通过估算数据包在以太网网络的往返延迟使设备对服务器或时钟源同步，其时间戳处理在系统应用层，会导致NTP系统的时间误差达到几十甚至几百毫秒。针对高精度时间同步的需求，业界制定了PTP(Precision Timing Protocol，即精确时间同步协议)协议，其同步精度最大延时可达亚微秒级，具有高精度、支持多种时钟同步网络拓扑、对网络变动具有自适应性等优势。
基于PTP协议的精确时间同步系统主要由主时钟和丛端设备组成，其时间戳处理位于物理层，导致部署PTP时间同步网络需要进行一定的硬件升级。现有PTP时间同步方案中，主时钟支持输出信号的格式较少，导致授时规模的扩展性不高。另外，现有时间同步系统一般采用单类型冗余方案(如双通道电源冗余)，其系统可靠性一般不高，存在一定的隐患，甚至可能造成时间同步系统失效或授时错误，从而带来无法估计的损失。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其支持硬件和软件两个层面的配置与定制，灵活度高；可同时实现PTP和B码信号的在线热备，稳定性高；可以为从时钟和边界时钟授时，应用范围广；可支持多种操作平台，适配度高；同时，还对高精度时间服务器重要器件以及B码和PTP码时间同步从端设备的表面进行涂覆三防漆处理，保障系统在恶劣环境下仍能正常工作，使用领域广。
根据本发明的一个方面，提供一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，其包括高精度时间服务器、B码时间同步从端设备、PTP码时间同步从端设备、1588型网络交换机、服务器，高精度时间服务器上设有用于提供遵循IRIG-B标准的时码信息的B码信号输出接口以及用于提供遵循IEEE1558v2标准的时码信息的PTP码信号输出接口，B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备都位于服务器中，B码时间同步从端设备通过B码信号输出接口与高精度时间服务器相连，形成B型网络域，PTP码时间同步从端设备通过1588型网络交换机与PTP码信号输出接口相连，形成与B型网络域物理隔绝的PTP码网络域。
优选地，所述高精度时间服务器支持双钟冗余。
优选地，所述高精度时间服务器具备双电源冗余，双电源之间实现无缝切换。
优选地，所述高精度时间服务器通过更换插件板进行功能和接口的灵活配置，所述插件板为MCP插件板或光纤B码插件板或直流电B码插件板或PPS+TOD插件板和PTP插件板。
优选地，所述B码时间同步从端设备上设有两个B码时间输入端口，两个B码时间输入端口分别连接一台互为冗余的高精度时间服务器。
优选地，所述两个B码时间输入端口上分别配备一个信号有效指示灯和一个同步有效指示灯。
优选地，所述B码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于10μs。
优选地，所述PTP码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于200ns，在五跳的情况下小于500ns。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
一、本发明可灵活配置；可灵活配置性主要体现两个方面，一是高精度时间服务器的功能插板采用模块化设计，可通过更换插件板实现功能和接口的灵活配置；二是高精度时间服务器的两个配置端口可通过网络界面进行配置，配置选项包括外部源输入设置、本地时钟源输出设置、系统设置以及PTP和NTP相关端口设置等；
二、本发明具有高冗余的特点；高冗余主要体现在高精度时间服务器的多时间信号源冗余、双钟冗余、双电源冗余以及包含B码时间同步从端设备、PTP时间同步从端设备、1588型网络交换机在内的系统级冗余和在线热备，从而使整个系统具备多维度多重冗余的特性；
三、本发明具有高精度的特点；本发明的精度与现有的相关系统的精度相比明显提高，高精度主要体现在高精度时间服务器对B码时间同步从端设备和PTP时间同步从端设备的告授时精度以及B码时间同步从端设备和PTP时间同步从端设备自身的频率脉冲中断误差、绝对时符合中断误差、相对时符合中断误差较小等方面；
四、本发明适用范围广且使用领域广；适用范围广主要体现在该系统拓扑清晰，结构简单，使用者可根据实际需求自由选择其中的部分或完整结构进行实施；使用领域广主要体现在对高精度时间服务器的重要器件以及B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备的表面进行涂覆三防漆处理，保障系统在恶劣环境下仍能正常工作，使其不但可以用在金融、证券、政府等普通环境，还可以用于海上、船上等恶劣环境。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明是为保证信息系统具有统一的时间信息和中断信号，使其协调工作，研制出一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，该系统通过更换系统硬件模块以及进行相关软件设置修改，实现系统的灵活配置；该系统通过使用多时间源冗余、双时间服务器(主时钟)冗余、双电源冗余以及独立的B码网络域和PTP(精确时间同步协议)码网络域冗余，实现系统多维度多重冗余功能；采用基于PTP的通讯协议，实现高精度的时间同步性能；配备B码、PTP软时统(软件时间戳)以及PTP硬时统(硬件时间戳)，可满足多种用户对不同时间同步精度的需求。
如图1所示，本发明可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统包括高精度时间服务器、B码时间同步从端设备、PTP码时间同步从端设备、1588型网络交换机、服务器，高精度时间服务器上设有用于提供遵循IRIG-B(靶场间仪器组B)标准的时码信息的B码信号输出接口以及用于提供遵循IEEE1558v2(一种电气电子方面的标准)标准的时码信息的PTP码信号输出接口，B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备都位于服务器中，B码时间同步从端设备通过B码信号输出接口与高精度时间服务器相连，形成B型网络域，PTP码时间同步从端设备通过1588型网络交换机与PTP码信号输出接口相连，形成与B型网络域物理隔绝的PTP码网络域，所述B码时间同步从端设备以B码时间信息作为时间基准，通过PCIe(串行总线)接口为计算机传递时间信息或定时中断信号，实现计算机软硬件系统时间与所述B码时间同步从端设备的时间基准保持同步。
所述高精度时间服务器支持双钟冗余，冗余主时钟实时与外部GPS/BD(基于北斗卫星的全球定位系统)卫星或者外部同源B码信号同步，同时通过1PPS+TOD(一种时间信号的输出规定)为主时钟输入冗余时间信号。当主时钟发现输入的GPS/BD信号及B码均不正常时，切换至与冗余主时钟输出的1PPS+TOD信号同步。
所述高精度时间服务器具备双电源冗余，双电源之间实现无缝切换，所述高精度时间服务器具备高稳铷原子钟作为自身频率源，当外部时间源均失效时，可使用自身频率源进行守时，守时性能优于1us/天，当多个外部信号源间进行切换时，高稳频率源保证稳定平滑切换。
所述高精度时间服务器通过更换插件板进行功能和接口的灵活配置，所述插件板为MCP(主板芯片)插件板或光纤B码插件板或直流电B码插件板或PPS(秒脉冲)+TOD(天时间)插件板和PTP插件板。
所述B码时间同步从端设备上设有两个B码时间输入端口，两个B码时间输入端口分别连接一台互为冗余的高精度时间服务器，这样可用性高，所述B码时间同步从端设备具有主备切换控制逻辑，可根据当前状态选择工作模式，具体工作过程如下：
只有一路B码有效时选择该路作为参考源，所述B码时间同步从端设备时间同步到该B码；
主从B码均有效时优先同步到主B码；
主B码出现异常而从B码有效时，所述B码时间同步从端设备自动切换并同步到从B码；
当前参考源为从B码，检测到主B码有效时，所述B码时间同步从端设备可通过用户配置自定义选择切换到主B码或不做切换操作；
两路B码均无效时，所述B码时间同步从端设备进入保持状态，由高稳晶振提供参考时钟进行精确走时。
所述两个B码时间输入端口上分别配备一个信号有效指示灯和一个同步有效指示灯，这样显示直观。
所述B码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于10μs，这样精度高。
所述PTP码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于200ns，在五跳的情况下小于500ns，这样精度高。
高精度时间服务器可同时为上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准。在同步精度要求不高时，所述PTP码时间同步从端设备可以用服务器自带支持PTP协议的网卡配合时统软件来替代以节约成本，利用操作系统的相关机制实现脉冲信号与定时器功能，在保证精度的同时提高了灵活性，减少设备维护量。所述1588型网络交换机可更换为普通千兆网交换机，这样传输速度快。本发明可通过设置两台高精度时间服务器和多台B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备，实现时间源、主端设备、从端设备和整个系统的多维度多重冗余；此外，系统拓扑清晰，结构简单，应用范围广，使用者可根据实际需求自由求自由选择其中的部分(如B码、PTP码)或完整结构进行实施。
本发明可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统包括以下施例：
实施例一：
本发明提供的一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其包括两台高精度时间服务器、至少一块B码时间同步从端设备、至少一块PTP码时间同步从端设备、至少一台1588型网络交换机、至少一台PC(个人计算机)机或服务器；
所述高精度时间服务器同时具有B码信号输出接口和PTP码信号输出接口，可分别提供遵循IRIG-B和IEEE 1588v2标准的时码信息。B码时间同步从端设备与所述高精度时间同步服务器直接连接，形成B码网络域；PTP码时间同步从端设备通过所述1588型网络交换机与所述高精度时间同步服务器相连，形成与B码网络域物理隔离的PTP码网络域。B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备安装在所述PC机或服务器中，通过PCIe接口为计算机传递时间信息或定时中断信号，实现计算机软硬件系统时间与所述B码时间同步从端设备的时间基准保持同步。
高精度时间服务器可通过更换插件板进行功能和接口的灵活配置，插件板可选MCP插件板、光纤B码插件板、直流电B码插件板、PPS+TOD插件板和PTP插件板等。
此外，高精度时间服务器可通过网络界面进行配置，配置选项包括外部源输入设置、本地时钟源输出设置、系统设置以及PTP和NTP(网络时间协议)相关端口设置等。
该高精度时间服务器使用多时间源冗余，支持卫星信号时间源、B码时间源、1PPS+TOD时间源以及自身守时频率源之间互为冗余。该高精度时间服务器支持双钟冗余，冗余主时钟实时与外部GPS/BD卫星或者外部同源B码信号同步，同时通过1PPS+TOD为主时钟输入冗余时间信号。当主时钟发现输入的GPS/BD信号及B码均不正常时，切换至于与冗余钟输出的1PPS+TOD信号同步。
该高精度时间服务器具备双电源冗余，双电源间实现无缝切换。另外，该高精度时间服务器具备自身高稳频率源守时冗余，其自身频率源为高稳铷原子钟。当外部时间源均失效时，可使用自身频率源进行守时，守时性能优于1us/天。当多个外部信号源间进行切换时，高稳频率源保证稳定平滑切换。
B码时间同步从端设备具有两个B码时间输入端口，可分别连接两台互为冗余的高精度时间服务器。B码时间同步从端设备具有主备切换控制逻辑的功能，可根据当前状态选择工作模式：
只有一路B码有效时选择该路作为参考源，B码时间同步从端设备时间同步到该B码；
主从B码均有效时优先同步到主B码；
主B码出现异常而从B码有效时，B码时间同步从端设备自动切换并同步到从B码；
当前参考源为从B码，检测到主B码有效时，B码时间同步从端设备可通过设置选择切换到主B码或不做切换操作；
两路B码均无效时，B码时间同步从端设备进入保持状态，由高稳晶振提供参考时钟进行精确走时。
B码时间同步从端设备具有较高精度，其同步精度可在背靠背情况下小于10us。
PTP码时间同步从端设备具有较高精度，其同步精度可在背靠背情况下小于200ns，五跳情况下小于500ns。
另外，本发明所述的时间同步系统中，1588型网络交换机可更换为普通千兆网交换机，且支持PTP软时统取代PTP时间同步从端设备。
本发明中，高精度时间服务器即主时钟支持同时接收GPS(全球定位系统)信号、北斗信号或B码信号，实际工作时高精度时间服务器的输入可为上级时间同步系统传过来的多路直流B码信号。如在某一具体使用环境中，本系统输入时钟源为三路B码时间信号，则其中两路可分别接主备两台高精度时间服务器，另外一路备用。
在本实施例中，高精度时间服务器配备一块MCP主控板和一块直流电B码插件板。其中MCP主控板为系统核心控制板，它控制整个装置的运行，包含接口如下：
两路GPS/BD双模输入接口：都采用标准SMA(无线电天线接口)接口，接标准的GPS/BD双模外置天线；
一路B码输入接口：采用单模光纤接口；
一路TOD接口：可配置输入或者输出，采用标准的RJ45(一种用于传输数据的接头类型)接口，通过网页手动配置成输入或者输出接口，遵循NMEA0183/CCSA(美国国家海洋电子协会/中国通信标准化协议)行业标准通信协议；
一路1PPS秒脉冲输出接口：采用标准SMA接口，稳定上升沿时间小于50ns，脉宽可调；
两路PTP/NTP授时网口，都采用100M与1000M自适应以太网接口，支持IEEE802.3的标准，采用RJ45的电接口；
两路管理网口，都采用RJ45的电接口；
一路RS232(一种个人计算机上的通讯接口)调试口，波特率为115200，采用USB-A(一种通用串行总线接口)接口，用于系统调试。
需要特别指出的是，两路PTP/NTP授时网口物理上独立，每路可为多达上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准，可通过连接多台1588型网络交换机或千兆网交换机并将其级联进行接口扩展；两路管理网口都用于登录高精度时间服务器的网络管理界面对其功能进行配置，同时还可查看设备各种运行状态。
直流电B码插件板用于扩展直流B码时钟接口，共十六路接口，包括十四路为直流B码输出接口和两路直流B码输入接口，均支持混合搭配的电平。
各个需要进行PTP授时服务的服务器，需要部署PTP码时间同步从端设备即PTP同步板卡或支持PTP功能的专用网卡。运行相应程序后，可通过局域网与主时钟的PTP授时接口进行交互，从而实现PTP同步板卡或者专业PTP网卡与主时钟直接的时间同步，进一步通过PCIe总线实现计算机时间同步。
各个需要进行B码授时服务的服务器，需要部署PTP码时间同步从端设备即B码授时板卡进行B码授时，传输信号为直流IRIG-B。
计算机或服务器通过PCIe总线从B码授时板卡或PTP同步板卡获得当前被同步时间，从而实现多服务器或计算机之间的同步。同时，授时板卡还可为系统提供多路中断信号，如脉冲频率中断、绝对时符合中断和相对时符合中断等。中断发生频率或发生时间可预先设定，中断时间准确度小于50us。
实施例二：
使用时统软件即软时统和支持PTP协议的网卡可代替PTP同步板卡也能够从系统中获得当前被同步时间，从而实现多服务器或计算机之间的同步。使用系统自带网卡和软时统的情况下，因其时间戳为通过软件在应用层实现，受CPU(中央处理器)频率和操作系统调度性能影响较大，同步精度要远低于使用PTP同步板卡用硬件时间戳实现的情况，其在五跳的情况下的同步精度可能由小于500ns降低到小于300us。但其优点是系统灵活性较高，设备购置和维护成本低，且设备维护方便，节省人力投入。
概括来说，软时统实施方式所带来的同步精度主要有以下几点：
局域网中出现网络堵塞(交换机)对同步精度造成影响；
计算机网口出现堵塞排队，对同步精度造成影响；
计算机CPU频率不稳，使得同步精度收到影响(较大影响)；
计算机资源被其他程序占用使得同步软件无法正常运行的风险；
不可监测，出现同步精度不佳情况下无法及时发现。
实施例三：
进一步地，在某些情况下使用PTP码时间同步从端设备，可能要兼顾时间同步系统授时精度、成本和灵活性，就需要在实施例一和实施例二之间寻找一种折中的方式。
具体来说，首先可按照重要程度将局域网中计算机分为两种类型，即重要服务器和一般计算机与服务器。然后在重要服务器上采用实施例一中的PTP同步板卡方案，板卡同步精度可到达500ns以内，计算机同步精度可以达到10us以内，同时可PTP同步精度的实时监测。接着在一般计算机与服务器上采用实施例二中的PTP软时统的方式，可使系统拓扑结构更为简单，同步精度可以达到300us以内，但无法进行同步精度检测。
需要说明的是，重要服务器使用了PCIe板卡，故实施例二中计算机CPU频率稳定性、CPU占用率及网口堵塞等问题均不会对重要服务器的同步造成影响。但因为没有使用独立的同步网络，网络中出现堵塞将依然对所有计算机及服务器造成影响，因此只能规避部分影响因素。
综上所述，本发明支持硬件和软件两个层面的配置与定制，灵活度高；可同时实现PTP和B码信号的在线热备，稳定性高；可以为从时钟和边界时钟授时，应用范围广；可支持多种操作平台，适配度高；同时，还对高精度时间服务器重要器件以及B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备的表面进行涂覆三防漆处理，保障系统在恶劣环境下仍能正常工作，使用领域广。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，其包括高精度时间服务器、B码时间同步从端设备、PTP码时间同步从端设备、1588型网络交换机、服务器，高精度时间服务器上设有用于提供遵循IRIG-B标准的时码信息的B码信号输出接口以及用于提供遵循IEEE1558v2标准的时码信息的PTP码信号输出接口，B码时间同步从端设备和PTP码时间同步从端设备都位于服务器中，B码时间同步从端设备通过B码信号输出接口与高精度时间服务器相连，形成B型网络域，PTP码时间同步从端设备通过1588型网络交换机与PTP码信号输出接口相连，形成与B型网络域物理隔绝的PTP码网络域；
所述高精度时间服务器支持双钟冗余；
所述高精度时间服务器具备双电源冗余，双电源之间实现无缝切换。
2.根据权利要求1所述的可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，所述高精度时间服务器通过更换插件板进行功能和接口的灵活配置，所述插件板为MCP插件板或光纤B码插件板或直流电B码插件板或PPS+TOD插件板和PTP插件板。
3.根据权利要求1所述的可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，所述B码时间同步从端设备上设有两个B码时间输入端口，两个B码时间输入端口分别连接一台互为冗余的高精度时间服务器。
4.根据权利要求3所述的可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，所述两个B码时间输入端口上分别配备一个信号有效指示灯和一个同步有效指示灯。
5.根据权利要求1所述的可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，所述B码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于10μs。
6.根据权利要求1所述的可灵活配置的高冗余高精度时间同步系统，其特征在于，所述PTP码时间同步从端设备的同步精度在背靠背的情况下小于200ns，在五跳的情况下小于500ns。
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