CN110289929B - 一种网络同步方法 - Google Patents

Abstract

发明提供了一种网络时间同步方法，针对实时以太网中各通信节点因为各种问题存在的时间不一致问题，通过对各个通信节点进行相位修正和速率修正，从而使得以太网中各通信节点的时间可以得到实时的同步。

Description

一种网络同步方法

技术领域

本发明属于以太网应用技术领域，涉及一种网络时间同步方法。

背景技术

经典以太网(Ethernet)诞生至今已有四十多年的历史，是目前应用最为广泛的局域网通信技术。以太网具有成本低、传输速率高、支持多种传输介质以及扩展性强等众多优势。但是现有的以太网技术使用的载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的方法，通过在发送信息之前先进行载波监听、边发送边监听、强化冲突和冲突退避算法来消解冲突。只有在不发生冲突的情况下，这种方法才能通过总线(通信通道)成功地发送信息。在负载的高峰期会造成报文的较大延迟，甚至影响关键设备信息的及时传送。因此实时以太网(RTEthernet)的提出提供了一种可以解决数据传输实时性的以太网。但是实时以太网中，每个节点都有自己的时钟。环境温度的变化、电压的波动等因素会使时钟源(如晶振)产生偏差。即便所有节点的内部时基最初是同步的，经过一段时间的运行后，不同节点的内部时基一定会出现偏离。

然而，所有时间触发控制类系统的一个最基本前提条件为：一个簇中的每个节点具有大致相同的全局时间(global time)，即任意两个节点的全局时间之差都在规定的偏差范围内。因此，实时以太网全局时间同步方法的出现是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是为了在以太网中实现实时网络时间同步，提供一种网络时间同步方法。

本发明提供了一种网络时间同步方法包括：

确定网络中参与时间同步的通信节点；

针对参与时间同步的第m个通信节点，执行以下步骤：

对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量，获得相位差异值和速率差异值；

利用所述相位差异值和速率差异值，计算并获得相位修正值和速率修正值；

利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正，其中，m为大于0的自然数；

针对参与时间同步的第m个通信节点的时间同步是在一系列的通信循环轮次中实现的，所述通信循环包括：静态段、动态段和网络空闲时间；

对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量是在所述静态段进行的；

利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正是在所述网络空闲时间进行的。

优选的，在上述的网络时间同步方法中，所述一系列的通信循环轮次中的每轮的时间长度相同，包括K个宏时隙，

L＝K*ng，

其中，L为时间长度，K为大于0的自然数，ng为宏时隙。

优选的，在上述的网络时间同步方法中，针对参与时间同步的第m个通信节点，

ng＝MPM_m*nl_m，

其中，nl_m表示第m个通信节点的微时隙，MPM_m表示一个宏时隙包含的第m个通信节点的微时隙的数量。

本发明提供的网络时间同步方法，针对实时以太网中各通信节点因为各种问题存在的时间不一致问题，通过对各个通信节点进行相位修正和速率修正，从而使得以太网中各通信节点的时间可以得到实时的同步。

附图说明

图1为本发明一实施例中网络时间同步方法的流程图；

图2为本发明一实施例中通信循环的结构示意图；

图3为本发明一实施例中宏时隙与微时隙的关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种网络时间同步方法，具体的，如图1所示，图1为本发明一实施例中网络时间同步方法的流程图，包括以下步骤：确定网络中参与时间同步的通信节点，如图1中的步骤S101；针对参与时间同步的第m个通信节点，执行以下步骤：对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量，获得相位差异值和速率差异值，m为大于0的自然数，如图1中的步骤S103；利用所述相位差异值和速率差异值，计算并获得相位修正值和速率修正值，如图1中的步骤S105；利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正，如图1中的步骤S107。

具体的，步骤S101，确定网络中参与时间同步的通信节点。

针对参与时间同步的各个通信节点是通过通信循环来实现时间同步到，进一步的，每一个通信循环是包括静态段、动态段和网络空闲时间(NIT)。所述静态段包括多个静态微时隙，所述动态段包括多个动态微时隙，所述网络空闲时间包括多个网络空闲微时隙。如图2所示，图2为本发明一实施例中通信循环的结构示意图。

以太网中凡希望参与网络时间同步的通信节点均在其各自的静态段中发送同步帧。

在本发明的一实施例中，以太网中的各个通信节点通过所述通信通信循环的方式进行通信，同时支持传输时间触发性数据和事件触发性数据。具体的，所述通信循环位于OSI/ISO参考模型的会话层(第5层)。

步骤S103，针对参与时间同步的第m个通信节点，执行以下步骤：对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量，获得相位差异值和速率差异值。

具体的，在分布式系统中，每个处理器拥有相应的晶振作为定时器，由定时器作为基准的时间就称为本地时间(H_pi)，晶振以一定的频率周期性的振荡产生节拍，该节拍称为微节拍(ut)，相邻两个微节拍间的间隔长度称为微时隙(nl_k)，第k个节点的微时隙为：

其中

表示k节点第i次的微节拍。

为了解决分布式系统中各节点不同步的问题，引入了一个逻辑时间体系——参考时间tg。全局时间是一个虚拟的时间，即逻辑时间，它的节拍称为宏节拍(mt)，对应的宏时隙ng：ng＝(mt)_i+1-(mt)_i，其中(mt)_i表示第i次的宏节拍，i为大于0的自然数。宏时隙对每个节点来说都是等长的，由各个节点的微时隙组成，但由于每个节点的微时隙长度不一定相同，因此引入一个变量MPM_k，表示在单位宏时隙内，节点k包含的微时隙的个数。如图3所示，图3为本发明一实施例中宏时隙与微时隙的关系示意图。

图3中可见全局时间与本地时间，宏时隙与微时隙的关系，宏时隙ng也可以表示为：ng＝MPM_k·nl_k。其中，k为大于0的自然数。

针对所述第m个通信节点，对其本地观测只能通过该通信节点的本地时钟来进行，且这些观测只能在所述静态段进行。各个通信节点需要根据应该发生事件的期望时刻和事件的实际发生时刻得出自己的结论，以便建立与其他通信节点之间联系。当所有通信节点处于相同的速度时，需要使得各个通信节点的全部帧传输在争取的时刻开始。

一般而言，本地节点通过测量这些帧传输的时间开始时刻，并将这些时刻与它所期望的开始时刻相比较，即可直接得到自身的相对偏差。

本地节点还需要测量自己的传输速率和其他通信节点的传输速率之间的差异，本地节点通过观察其他通信节点的传输速率，并与自己的传输速率进行比较，可以对自己的传输速率差异进行自我修正。

换言之，在静态段期间，每个节点根据自己的时间窗观察和测量其他节点的动作。每个节点的观测只能通过本地时钟来进行。在具体的观测过程中，各个节点精确地了解本地时钟的特性及参数值，能够以本地微节拍为量化所有时间差异。

另外，在静态段进行观测时，一方面，处于观测状态的节点希望预定的事件发生在期望时刻，而该时刻基于本地时钟；另一方面，处于观测状态的节点参照自己的时钟，在暂存器中记录期望事件的实际发生时刻。

接下来，每个节点需要根据应该发生事件的期望时刻和事件的实际发生时刻得出自己的结论，一边建立与同伴之间的联系。

步骤S105，利用所述相位差异值和速率差异值，计算并获得相位修正值和速率修正值。

为了修正偏差和传输速率，参与同步序列的每个通信节点要运用某种收敛函数，处理不一致的信息，限制由不一致性引入的错误，计算并推断出偏差和循环持续时间的修正值。在本发明的一实施例中，该过程可以使用容错评价(FTA)算法或容错中值(FTM)算法构造收敛函数进行。

步骤S107，利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正。

偏差修正的目的是为了减小相同频率的振荡器之间可能出现的相位误差。在第二个通信循环(奇数)开始时，每个通信节点利用计算所得的相位修正值，从自己的视角调整(向上或向下)全局时间。偏差修正要想正常发挥作用，各个通信节点的传输速率一定要非常接近。很显然，只靠相位修正是不够的，还必须考虑实施传输速率修正。速率修正的原理同偏差修正。

一般而言，所有的相位和速率测量只能在确定性通信期间进行，即只能在静态段进行。所有与相位和速率相关的参数都存储在微控制器的寄存器中，这些参数的调整只可在下一个通信循环来临之前的平静时刻尽快进行，即在NIT期间进行。

具体的，在本发明的一实施例中，实时以太网采用“偶/奇”循环进行工作，相位修正只能在奇数循环的NIT期间启动、执行和起作用。根据规定，每个循环所包含的宏节拍(mt)数量一旦被确定之后，就始终保持不变。因此，只能通过延长或缩短网络空闲时间段所包含mt的持续时间将新通信循环的起始位置调整(向前或向后)到网络全局时间。

频率/传输速率修正是通过调整(延长或缩短)节点本地的通信循环持续时间来实现的。在本发明的一实施例中，每个通信循环所包含的mt数量始终恒定不变。节点要想修改其本地通信循环的持续时间值，只有改变形成通信循环mt的持续时间。经过两个修正动作之后，簇中所有参与者(所有通信节点)的传输速率和相位被“同步”了，全部节点一起为整个网络虚构了一个用于接下来的两个通信循环的“统一的全局时间”。很显然，反复进行这些操作，网络会不断地被同步。

在本发明一实施例中，时钟同步算法在一系列轮次中进行，每轮的时间长度恒定，用L表示，由k个宏时隙组成，其中k>0。即L＝k·ng。

在NIT段内，节点执行逻辑时间状态修正与速率修正，因此在该时间段内通常不执行任何事件。逻辑时钟修正后的值＝逻辑时钟修正前的值+逻辑时钟修正值，即：tlogic’_k＝tlogic_k+Δlogic_k，其中Δlogic_k是根据收敛函数得出的节点k的状态修正值，tlogic’_k为逻辑时钟修正后的值，tlogic_k为逻辑时钟修正前的值。

逻辑时钟的最小单位是宏时隙，同时每轮同步修正过程仅发生在NIT段，因此k节点修正后NIT段内宏时隙数＝修正前NIT段内宏时隙数+逻辑时钟修正值，即：N’(ng)＝N(ng)+Δlogick，其中N’(ng)_k与N(ng)_k分别表示节点修正后与修正前NIT段内宏时隙个数。

宏时隙与各个通信节点的微时隙之间的关系，可用下式表示：

即：

其中N’(nl)_k与N(nl)_k分别表示节点k修正后与修正前NIT段内微时隙个数。设L_NIT表示NIT段的长度。则可得：

其中nl’_k，nl_k分别表示修改后与修改前节点k的单位微时隙长度，它们只与节点的漂移率有关，而与是否修正无关。转换可得：

在奇数轮次，通过收敛函数计算得出的状态修正值得出需要修改的单位宏时隙内微时隙的个数MPM’_k来进行状态修正，在NIT段结束时，将修改的MPM’_k改回原MPM。在偶数轮次，进行速率修正，过程跟状态修正一致，和状态修正的区别在于NIT段结束时，不需要将MPM’_k改回原MPM。

综上，在本申请一实施例所提供的网络时间同步方法中，针对实时以太网中各通信节点因为各种问题存在的时间不一致问题，通过对各个通信节点进行相位修正和速率修正，从而使得以太网中各通信节点的时间可以得到实时的同步。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种网络时间同步方法，其特征在于，包括：

确定网络中参与时间同步的通信节点；

针对参与时间同步的第m个通信节点，执行以下步骤：

对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量，获得相位差异值和速率差异值；

利用所述相位差异值和速率差异值，计算并获得相位修正值和速率修正值；

利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正；其中，m为大于0的自然数；

针对参与时间同步的第m个通信节点的时间同步是在一系列的通信循环轮次中实现的，所述通信循环包括：静态段、动态段和网络空闲时间；

对第m个通信节点进行相位差异测量和速率差异测量是在所述静态段进行的；

利用所述相位修正值和速率修正值对所述第m个通信节点进行修正是在所述网络空闲时间进行的；

所述一系列的通信循环轮次中的每轮的时间长度相同，包括K个宏时隙，L=K*ng，其中，L为时间长度，K为大于0的自然数，ng为宏时隙;

针对参与时间同步的第m个通信节点，

ng=MPMm*nlm，其中，nlm表示第m个通信节点的微时隙，MPMm表示一个宏时隙包含的第m个通信节点的微时隙的数量。

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