CN109756290A - 一种基于ieee 1588协议的信号系统精确时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明城市轨道交通信号技术领域，具体涉及一种基于IEEE 1588协议的信号系统精确时间同步方法，对于任意两个信号系统，通过开放或者封闭的以太网相连接；在信号系统上运行IEEE1588同步协议，完成同步。是一种对时间同步进行有效性检查的方法，可添加在任何以通信为基础的时间同步方案上，检测出链路上的偶发延时和硬件失效导致的时间同步失败；通过加密检查帧，不改变IEEE 1588协议，增加了对恶意攻击的防护，完成对未加密同步信息的攻击防范，可在广域网或非封闭网络上安全运行。

Description

一种基于IEEE 1588协议的信号系统精确时间同步方法

技术领域

本发明城市轨道交通信号技术领域，具体涉及一种基于IEEE 1588协议的信 号系统精确时间同步方法。

背景技术

理想情况下，信号系统的时钟应该定义为c(t)＝t，其中t代表参考时间。 然而由于时钟震荡器的缺陷，信号系统的实际时钟函数模型为：

c_i(t)＝φ_i+ω_it+ε_i

其中：参数φ_i和ω_i分别代表相偏和时钟频偏，ε_i代表随机噪声。

忽略随机噪声影响，两个信号系统间的时钟关系可以表示为

c₁(t)＝φ₁₂+ω₁₂c₂(t)

其中φ₁₂和ω₁₂分别为信号系统A和信号系统B的相对时钟相偏和频偏。当 c₁(t)＝c₂(t)时两个时钟完全同步，此时有φ₁₂＝0和ω₁₂＝1。

两个信号系统进行一次双向信息交换，以此计算时钟相位偏差a。

如图1所示，信号系统A发送校时请求，校时请求帧中添加发送时间T₁，首 端收到校时请求后，在响应帧中发送请求帧发送时间T₁、收到请求帧的时间t₂， 以及响应帧发送时间t₃，尾端收到响应帧时记录时间T₄。忽略校时帧发送过程中， 两个时钟形成的偏差，则校时前尾端首端相位偏差偏差a满足C₂(t)＝C₁(t)+a， 则有t_i＝T_i+a.

定义时间差如下：

由图可得如下表示：

t₂＝T₁+a+m₁ (1)

T₄＝t₃-a+m₂ (2)

(1)-(2)可得：

假设发送接收延迟对称，则有

在实际情况下，链路延迟非对称，如图2和图3所示，由此造成的时间同 步误差最大值发生在上行延时等于0或下行延时等于0时：

由对称性假设造成的误差为

在上述描述的基本方案之上又发展出各种时间同步的方法：

NTP是网络时间协议(Network Time Protocol)，它是用来同步网络中各个 计算机的时间的协议。NTP使用纯软件实现，能实现百毫秒到十毫秒的同步精度， 受网络负载影响较大。不能满足信号系统等硬实时系统的对时间同步的精度要 求。

IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，通 过硬件和软件将网络设备的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立 时间小于10微秒的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1000微秒相 比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。

卫星授时精度较高，精度可达几十纳秒到一微秒之间。但要求必须使用接 收机接收卫星信号，不适用于信号系统多隧道乃至全地下的运行环境。

NTP/SNTP，在应用层进行时间测量，通信上下行延迟收系统负载影响大，精度 较低。使用IEEE1588协议精度较高，但是如果硬件失效，在数据包中插入错误 的时间戳，软件协议栈无法检出。并且同步数据均为明文传输，无法抵御帧篡 改，帧伪装等恶意攻击。

相关术语

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：现有NTP不能满足信号系统等硬实时系统的对 时间同步的精度要求。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于IEEE 1588协议的信号系统精 确时间同步方法，包括

S1，对于任意两个信号系统，通过开放或者封闭的以太网相连接；

S2，在信号系统上运行IEEE1588同步协议，完成同步；

IEEE1588的主时钟和从时钟校准流程如下：

从时钟先通过报文传输的往返迭代得出路径延时delay,然后计算出主、从 时钟的时间偏移(ffset,最后对从时钟进行调节同步。

1)从时钟在tC2时刻收到主时钟发送的Sync广播报文；

2)在tC3时刻,从时钟收到主时钟发送的携带同一回合Sync报文发送时间 tM1的FollowUp报文,从时钟与主时钟的时间偏移toffset为:

toffset＝tC2-tM1-τ；

式中:τ为线路延时。

3)从时钟在tC4时刻向主时钟发送DelayReq报文；

4)在tC5时刻,从时钟收到主时钟发送的与同一回合的DelayReq报文相对应 的DelayResp报文,其包含了主时钟收到DelayReq的时刻tM4,其延时τ为:

τ＝(tC2-tM1+tM4-tC4)/2；

将延时τ代入式toffset＝tC2-tM1-τ可以得出toffset,进而可以对从时 钟进行调节。

进一步，在前述时间校正的基础上添加独立的双边延迟检测；主时钟和从 时钟的交互流程如下：

S1，从时钟从一次双边延迟交互中可以获得时间戳timeC1,timeM1, timeM2,timeC2.使用这四个时间戳计算接受阈值：

max_offset＝max(timeM1–timeC1,timeM2–timeC2)

S2,如果toffset<＝max_offset，则认为IEEE1588同步结果可以接受，进行 校正；

如果toffset>max_offset或者因为解密失败未计算出有效的max_offset， 则拒绝IEEE1588同步结果，校正失败。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

本发明所述信号系统精确时间同步方法是一种对时间同步进行有效性检查 的方法，可添加在任何以通信为基础的时间同步方案上，检测出链路上的偶发 延时和硬件失效导致的时间同步失败；通过加密检查帧，不改变IEEE 1588协议， 增加了对恶意攻击的防护，完成对未加密同步信息的攻击防范，可在广域网或 非封闭网络上安全运行。

附图说明

图1为两个信号系统进行一次双向信息交换示意图。

图2为双向信息交换时上行延时等于0示意图。

图3为双向信息交换时下行延时等于0时示意图。

图4为信号系统网络组网示意图。

图5为信号系统网络组网简图。

图6为同步流程中主时钟、从始终关系图。

图7为校验流程中主时钟、从始终关系图。

图8为校验流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对 本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

典型的信号系统网络组网如图4所示，各个信号子系统均接入ATC 网络。对于任意两个信号系统，均可以简化为如图5所示的连接。两 个信号系统通过开放或者封闭的以太网相连接。在信号系统上运行 IEEE 1588同步协议和双边延时检测软件就可以完成对应的同步功能。

同步流程：

IEEE1588的主时钟和从时钟校准流程如图6所示：

从时钟先通过报文传输的往返迭代得出路径延时delay,然后计算出主、从 时钟的时间偏移(ffset,最后对从时钟进行调节同步。

1)从时钟在tC2时刻收到主时钟发送的Sync广播报文；

2)在tC3时刻,从时钟收到主时钟发送的携带同一回合Sync报文发送时间 tM1的FollowUp报文,从时钟与主时钟的时间偏移toffset为:

toffset＝tC2-tM1-τ；

式中:τ为线路延时。

3)从时钟在tC4时刻向主时钟发送DelayReq报文；

4)在tC5时刻,从时钟收到主时钟发送的与同一回合的DelayReq报文相对应 的DelayResp报文,其包含了主时钟收到DelayReq的时刻tM4,其延时τ为:

τ＝(tC2-tM1+tM4-tC4)/2；

将延时τ代入式toffset＝tC2-tM1-τ可以得出toffset,进而可以对从时 钟进行调节。

校验流程：

在前述时间校正的基础上添加独立的双边延迟检测；主时钟和从时钟的交 互流程如图7所示：

S1，从时钟从一次双边延迟交互中可以获得时间戳timeC1,timeM1, timeM2,timeC2.使用这四个时间戳计算接受阈值：

max_offset＝max(timeM1–timeC1,timeM2–timeC2)

S2,如果toffset<＝max_offset，则认为IEEE1588同步结果可以接受，进行 校正；

如果toffset>max_offset或者因为解密失败未计算出有效的max_offset， 则拒绝IEEE1588同步结果，校正失败，如图8所示。

Claims (2)

1.一种基于IEEE 1588协议的信号系统精确时间同步方法，其特征在于，包括

S1，对于任意两个信号系统，通过开放或者封闭的以太网相连接；

S2，在信号系统上运行IEEE1588同步协议，完成同步；

IEEE1588的主时钟和从时钟校准流程如下：

从时钟先通过报文传输的往返迭代得出路径延时delay,然后计算出主、从时钟的时间偏移(ffset,最后对从时钟进行调节同步。

1)从时钟在tC2时刻收到主时钟发送的Sync广播报文；

2)在tC3时刻,从时钟收到主时钟发送的携带同一回合Sync报文发送时间tM1的FollowUp报文,从时钟与主时钟的时间偏移toffset为:

toffset＝tC2-tM1-τ；

式中:τ为线路延时。

3)从时钟在tC4时刻向主时钟发送DelayReq报文；

4)在tC5时刻,从时钟收到主时钟发送的与同一回合的DelayReq报文相对应的DelayResp报文,其包含了主时钟收到DelayReq的时刻tM4,其延时τ为:

τ＝(tC2-tM1+tM4-tC4)/2；

将延时τ代入式toffset＝tC2-tM1-τ可以得出toffset,进而可以对从时钟进行调节。

2.根据权利要求1所述基于IEEE 1588协议的信号系统精确时间同步方法，其特征在于，在前述时间校正的基础上添加独立的双边延迟检测；主时钟和从时钟的交互流程如下：

S1，从时钟从一次双边延迟交互中可以获得时间戳timeC1,timeM1,timeM2,timeC2.使用这四个时间戳计算接受阈值：

max_offset＝max(timeM1–timeC1,timeM2–timeC2)

S2,如果toffset<＝max_offset，则认为IEEE1588同步结果可以接受，进行校正；

如果toffset>max_offset或者因为解密失败未计算出有效的max_offset，则拒绝IEEE1588同步结果，校正失败。