CN110492961B - 高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统，该方法，包括以下步骤：A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据；B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合出最佳值C；C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync_time，对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值Cdvaue；D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switch_time＝sync_time+C+Cdvaue。本发明有效解决了网卡缓存效应和操作系统响应因素对系统时间同步的影响。

Description

高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统

技术领域

本发明涉及智能变电站领域，特别涉及一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统。

背景技术

在智能变电站系统中，通常存在一个对时同步机制，用来确定各个系统中各种事件发生的先后、协调各种消息的传输等。尤其是在智能变电站中的过程层以太网交换机，作为智能变电站系统的核心装置，当变电站产生突发事件时，报文首先经过过程层以太网交换机再发往其他保护测控等装置，而保证整个交换机系统的时间统一能更加准确定位突发事件发生时间，因此，如何在交换机系统上获得准确可靠的系统时间成为一项重要课题。

但在实际的智能变电站系统应用中，尤其是网络中采用传统对时报文进行同步时，过程层以太网交换机系统时钟同步并不能达到亚毫秒的时钟精度。导致过程层以太网交换机系统时间同步精度不高的原因主要有两个方面，一方面是由于交换机的网卡缓存效应，交换机在缓存众多所接收的对时信息中，交换机无法准确地采用哪一帧对时信息进行交换机系统时间同步，因此这就直接导致了信息接收时间测量的不准确，造成交换机系统时间同步失效。而另一方面是因为操作系统进程调度响应时间的影响，由于交换机操作系统采用时间片轮转机制，通过系统中断进程进行调度，使得无法控制时间同步进程在何时被调度，何时停止，因此，造成了软件延时的不可预测。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种有效地消除不确定性因素的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法。

本发明的另一目的在于提供一种有效地消除不确定性因素的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统。

本发明的目的之一可以这样实现，设计一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，包括以下步骤：

A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；报文数据采集时，根据进入交换机网卡缓存区的任意两帧对时报文的计数器差值算出接收这两帧报文的时间差△t1；与此同时，由于这两帧报文中都带有精确的时间信息，两帧报文中时间值的差值记为△t2；选取进入网卡缓存区这两帧对时报文的△t1和△t2，它们的差值记为一组数据Tdvalue；在1min以内，选取N组数据；

B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合得出最佳值C；多重数据处理方法表述为，这N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C；

C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync_time，并对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值Cdvaue；软件响应偏差计算方法表述为，当交换机上电时，硬件数据链路层的硬件计数器会不断增加；而操作系统时刻准备调取两个寄存器来存储硬件计数的两个关键位置；一个位置是当该帧对时报文首次进入数据链路层硬件时戳处理模块时，寄存器reg1记录存储此时的硬件的计数count1；另一个位置是当软件应用轮寻函数调用时间同步进程获取网卡缓存区该帧对时报文中的时间信息时，寄存器reg2记录存储此时的硬件计数count2；硬件计数器颗粒度β根据芯片的晶振频率而定，而这两者的差值Cdvaue，也是这两个关键位置的时间差值，表征数据从数据链路层到应用层的总的系统响应时间；具体计算公式为Cdvaue＝(count2-count1)*βns；

D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switch_time＝sync_time+C+Cdvaue。

进一步地，N组Tdvalue数据记为Data[N]，Data[M]为过滤后的数据，过滤处理过程可按如下公式进行；

Data[M]＝fm,n(Data[N])

fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于0.8*middle_value的值，最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除；

对数据进行均值处理，进行最小二乘直线拟合，拟合可按如下公式进行；

C＝1/M*∑Data[M]；其中，M＝N-m-n。

更进一步地，硬件计数器颗粒度β为8ns。

进一步地，系统应用层调用时间同步进程进行交换机系统时间设置时，需要通过读取对时报文中的时间报文信息sync_time，加上网卡缓存效应的误差值C 和操作系统响应不确定的时延误差Cdvaue。

本发明的另一目的可以这样实现，设计一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统，包括时钟源模块、从钟模块、硬件时戳处理模块、SWITCH 模块、CPU操作系统模块和本地时钟处理模块，时钟源模块输出端与硬件时戳处理模块输入端相连，硬件时戳处理模块输出端与SWITCH模块相连，SWITCH 模块与CPU操作系统模块相连，CPU操作系统模块与本地时钟处理模块相连，硬件时戳处理模块中的寄存器与CPU操作系统模块相连；对时报文在SWITCH 模块中缓存之后再次转发出来经过硬件时戳处理模块，最后从硬件时戳处理模块中出来到达从钟模块；

时钟源模块主要产生对时报文，对时报文中带有精确的时间信息；

从钟模块，用于经过处理的对时报文的接收；

硬件时戳处理模块，用于处理对时报文，包括打上时戳标志、存储记录硬件计数器和硬件寄存器的值；

SWITCH模块，用于报文的存储转发，缓存对时报文；

CPU操作系统模块，用于相关时间同步进程调用，读取缓存报文信息；

本地时钟处理模块，用于对报文的对时信息进行算法处理，采用上述的交换机系统时间同步方法计算出准确的交换机系统同步时间，并同步到交换机系统中；

以太网对时报文通过硬件时戳处理模块后，报文中的对时信息首先送到交换机本地网卡模块的缓存区，并在CPU操作系统模块系统空闲时通过调度时间同步进程读取缓存的报文的对时信息，之后根据本地处理时钟模块对报文的对时信息进行算法处理，最后产生交换机系统对时的参考输入时钟。

本发明采用多重数据处理以及软件响应偏差计算方法对交换机同步时间信息进行处理，产生交换机系统同步对时的参考输入时钟，从而有效解决了网卡缓存效应和操作系统响应因素对过程层以太网交换机系统时间同步的影响。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的示意图；

图2是本发明较佳实施例之流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，包括以下步骤：

A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为 10≤N≤20；

报文数据采集时，任意选取两帧对时报文，根据进入交换机网卡缓存区的任意两帧对时报文的计数器差值算出接收这两帧报文的时间差△t1；与此同时，由于这两帧报文中都带有精确的时间信息，两帧报文中时间值的差值记为△t2；选取进入网卡缓存区这两帧对时报文的△t1和△t2，它们的差值记为一组数据 Tdvalue1；在1min以内，选取N组数据。

B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合得出最佳值C；多重数据处理方法表述为，首先这些N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C。

为了从这N组数据中获取有效的数据，需要对数据进行处理，由于这些数据中存在一些差异较大的值，需要找到这部分数据予以过滤消除影响。另外，为了使剩余数据的方差最小，还需要对这些数据进行拟合。

假设N组Tdvalue数据记为Data[N]，Data[M]为过滤后的数据，过滤处理过程可按如下公式进行

Data[M]＝fm,n(Data[N])

其中，M＝N-m-n；fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于 0.8*middle_value的值。最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除。

由于数据Data[M]趋向于一条水平直线，可利用直线y＝C对数据进行最小二乘直线拟合。在这里即对这些数据进行均值处理，拟合可按如下公式进行

C＝1/M*∑Data[M]

这样即可从N组Tdvalue数据中拟合出最佳值C。而该最佳值也作为准确计算网卡缓存效应误差的参考值，在进行交换机系统时间同步时需要加上该值。

C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync_time，并对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值 Cdvaue；

软件响应偏差计算方法表述为：当交换机上电时，硬件数据链路层的硬件计数器会不断增加；而操作系统时刻准备调取两个寄存器来存储硬件计数的两个关键位置；一个位置是当该帧对时报文首次进入数据链路层硬件时戳处理模块时，寄存器reg1记录存储此时的硬件的计数count1；另一个位置是当软件应用轮寻函数调用时间同步进程获取网卡缓存区该帧对时报文中的时间信息时，寄存器reg2记录存储此时的硬件计数count2；硬件计数器颗粒度为8ns(该值可根据芯片的晶振频率具体而定，本文中最佳值是8ns)，而这两者的差值Cdvaue，也是这两个关键位置的时间差值，表征数据从数据链路层到应用层的总的系统响应时间；具体计算公式为Cdvaue＝(count2-count1)*8ns。

D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switch_time＝sync_time+C+Cdvaue；其中，sync_time为对时报文中的时间报文信息，C为网卡缓存效应的误差值；Cdvaue为操作系统响应不确定的时延误差。

系统应用层调用时间同步进程进行交换机系统时间设置时，需要通过读取对时报文中的时间报文信息sync_time，加上网卡缓存效应的误差值C和操作系统响应不确定的时延误差Cdvaue。

本实施例中，如图2所示，以IEEE1588精确网络时钟同步协议的同步对时报文为例，具体流程如下所示：

S1：时钟源模块发送对时报文，在一段时间内，随机获取两帧对时报文。

S2：由于两帧对时报文进入硬件时戳处理模块的瞬间都有计数器对其计数，计算这两帧报文计数器的时间差值△t1。

S3：同时，由于两帧对时报文中都带有各自的时间信息，计算这两帧报文中对时信息的时间差值△t2。

S4：计算△t1和△t2的差值Tdvalue1，记录为一组数据，Tdvalue1＝△t1- △t2；重复步骤1到步骤3，直到获取N组这样的数据，10≤N≤20。

经过上述计算选取了13组数据，具体的数据结果为{35940ns，36580ns， 42670ns，101302ns，28032ns，33560ns，13208ns，38503ns，36120ns，22130ns， 98430ns，35320ns,29042ns}，这13组数据的单位均为纳秒。

S5：通过采集多重数据处理方法，对N组数据过滤和拟合出最佳差值C。

首先这些N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C。

过滤处理过程可按如下公式进行

Data[M]＝fm,n(Data[N])

其中，M＝N-m-n；fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于 0.8*middle_value的值。最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除。

经过上述方法过滤后，13组数据中的中值middle_value为35940ns，因此过滤的m个数据为{101302ns，98430ns}；过滤的n个数据为{28032ns，22130ns， 13208ns}。最后剩下8组有效的数据，即M为8。

由于数据Data[M]趋向于一条水平直线，可利用直线y＝C对数据进行最小二乘直线拟合。在这里即对这些数据进行均值处理，拟合可按如下公式进行

C＝1/M*∑Data[M]

这样即可从N组Tdvalue数据中拟合出最佳值C。而该最佳值也作为准确计算网卡缓存效应误差的参考值，在进行交换机系统时间同步时需要加上该值。通过上述方法的计算，剩下的8组数据的最佳拟合值C为35966ns。

S6：当软件应用轮寻进程启动相关时间同步程序时，再次选取任意一帧对时报文，并记录报文中的对时时间信息，记为sync_time。

S7：硬件寄存器reg1记录该帧报文进入硬件时戳处理模块的瞬时计数 count1。

S8：硬件寄存器reg2记录时间同步进程调用网卡缓存区该帧报文时的瞬时计数count2。

S9：计算count1和count2,的时间差值Cdvalue，单位为ns。

Cdvaue＝(count2-count1)*8ns；

例如任意选取的一帧1588对时报文中的sync_time时间信息为1547708688秒，15425876纳秒(此处的时间是相对于1970年1月1日的偏移时间)。经过读取硬件的计数，以及软件响应偏差计算后，Cdvalue值为14302ns。

S10：计算并设置交换机系统时间Switch_time＝sync_time+C+Cdvaue，其中，sync_time为对时报文中的时间报文信息，C为网卡缓存效应的误差值；Cdvaue 为操作系统响应不确定的时延误差。

因此，将上述sync_time、最佳拟合值C和Cdvaue值相加后，最终的交换机系统同步设置时间应为1547708688秒，15514871纳秒(此处的时间是相对于1970年1月1日的偏移时间)。

如图1所示，一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统，包括时钟源模块1、从钟模块2、硬件时戳处理模块3、SWITCH模块4、CPU操作系统模块5和本地时钟处理模块6，时钟源模块1输出端与硬件时戳处理模块3 输入端相连，硬件时戳处理模块3输出端与SWITCH模块4相连，SWITCH模块4 与CPU操作系统模块5相连，CPU操作系统模块5与本地时钟处理模块6相连，硬件时戳处理模块3中的寄存器31与CPU操作系统模块5相连；对时报文在SWITCH模块4中缓存之后再次转发出来经过硬件时戳处理模块3，最后从硬件时戳处理模块3中出来到达从钟模块2；

时钟源模块1主要产生对时报文，对时报文中带有精确的时间信息；

从钟模块2，用于经过处理的对时报文的接收；

硬件时戳处理模块3，用于处理对时报文，包括打上时戳标志、存储记录硬件计数器32和硬件寄存器31的值；

SWITCH模块4，用于报文的存储转发，缓存对时报文；

CPU操作系统模块5，用于相关时间同步进程调用，读取缓存报文信息；

本地时钟处理模块6，用于对报文的对时信息进行算法处理，采用上述的交换机系统时间同步方法计算出准确的交换机系统同步时间，并同步到交换机系统中；

以太网对时报文通过硬件时戳处理模块3后，报文中的对时信息首先送到交换机本地网卡模块的缓存区，并在CPU操作系统模块5系统空闲时通过调度时间同步进程读取缓存的报文的对时信息，之后根据本地处理时钟模块6对报文的对时信息进行算法处理，最后产生交换机系统对时的参考输入时钟。

相较于传统的交换机系统时间同步，本发明通过硬件多重数据处理以及软件响应偏差计算方法对交换机同步时间信息进行处理，能让交换机系统时间同步更加精确，有效解决了网卡缓存效应和操作系统响应因素对过程层以太网交换机系统时间同步的影响。

Claims (5)

1.一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；报文数据采集时，根据进入交换机网卡缓存区的任意两帧对时报文的计数器差值算出接收这两帧报文的时间差△t1；与此同时，由于这两帧报文中都带有精确的时间信息，两帧报文中时间值的差值记为△t2；选取进入网卡缓存区这两帧对时报文的△t1和△t2，它们的差值记为一组数据Tdvalue；在1min以内，选取N组数据；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；

B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合得出最佳值C；多重数据处理方法表述为，这N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C；

C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync_time，并对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值Cdvaue；软件响应偏差计算方法表述为，当交换机上电时，硬件数据链路层的硬件计数器会不断增加；而操作系统时刻准备调取两个寄存器来存储硬件计数的两个关键位置；一个位置是当该帧对时报文首次进入数据链路层硬件时戳处理模块时，寄存器reg1记录存储此时的硬件的计数count1；另一个位置是当软件应用轮寻函数调用时间同步进程获取网卡缓存区该帧对时报文中的时间信息时，寄存器reg2记录存储此时的硬件计数count2；硬件计数器颗粒度β根据芯片的晶振频率而定，而这两者的差值Cdvaue，也是这两个关键位置的时间差值，表征数据从数据链路层到应用层的总的系统响应时间；具体计算公式为Cdvaue＝(count2-count1)*βns；

D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switch_time＝sync_time+C+Cdvaue。

2.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：N组Tdvalue数据记为Data[N]，Data[M]为过滤后的数据，过滤处理过程可按如下公式进行；

Data[M]＝fm,n(Data[N])

fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于0.8*middle_value的值，最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除；

对数据进行均值处理，进行最小二乘直线拟合，拟合可按如下公式进行；

C＝1/M*∑Data[M]；其中，M＝N-m-n。

3.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：系统应用层调用时间同步进程进行交换机系统时间设置时，需要通过读取对时报文中的时间报文信息sync_time，加上网卡缓存效应的误差值C和操作系统响应不确定的时延误差Cdvaue。

4.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：硬件计数器颗粒度β为8ns。

5.一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统，其特征在于：包括时钟源模块、从钟模块、硬件时戳处理模块、SWITCH模块、CPU操作系统模块和本地时钟处理模块，时钟源模块输出端与硬件时戳处理模块输入端相连，硬件时戳处理模块输出端与SWITCH模块相连，SWITCH模块与CPU操作系统模块相连，CPU操作系统模块与本地时钟处理模块相连，硬件时戳处理模块中的寄存器与CPU操作系统模块相连；对时报文在SWITCH模块中缓存之后再次转发出来经过硬件时戳处理模块，最后从硬件时戳处理模块中出来到达从钟模块；

时钟源模块主要产生对时报文，对时报文中带有精确的时间信息；

从钟模块，用于经过处理的对时报文的接收；

硬件时戳处理模块，用于处理对时报文，包括打上时戳标志、存储记录硬件计数器和硬件寄存器的值；

SWITCH模块，用于报文的存储转发，缓存对时报文；

CPU操作系统模块，用于相关时间同步进程调用，读取缓存报文信息；

本地时钟处理模块，用于对报文的对时信息进行算法处理，采用如权利要求1-4任一所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法计算出准确的交换机系统同步时间，并同步到交换机系统中；

以太网对时报文通过硬件时戳处理模块后，报文中的对时信息首先送到交换机本地网卡模块的缓存区，并在CPU操作系统模块系统空闲时通过调度时间同步进程读取缓存的报文的对时信息，之后根据本地处理时钟模块对报文的对时信息进行算法处理，最后产生交换机系统对时的参考输入时钟。

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