CN111953442A - 一种快速高精度时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速高精度时间同步系统，包括NTP和PTP协议，NTP为适应Internet的层次结构采用层次氏时间分布模型、包括主时间服务器、从时间服务器及客户与节点间的传输路径，主时间服务器与高精度同步时钟源，从时间服务器经由主服务器或从其它服务器获得同步。本发明可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间的时间同步，其直接建立在ISO七层通信模型的物理层上的链路层，与上层协议无关，且对于上层协议是透明的，当系统网络的物理层连接的同时就能迅速同步两个或者多个设备之间的时间，精度可根据通信方式、通信速率和实现成本来调整，最高可达到纳秒级别，具有精度高、成本低、设备布置灵活。

Description

一种快速高精度时间同步系统

技术领域

本发明涉及网络时间技术领域，具体为一种快速高精度时间同步系统。

背景技术

目前广泛使用的时间同步方式(协议)有网络时间协议NTP(Network TimeProtocol)，但其同步准确度只能达到1ms左右，LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒；另外网络精密时钟同步委员推出的IEEE1588标准即精确时间协议PTP(Precision TimeProtocol)，PTP可以以纯软件的方式实现，也可以用能够提供更精确的时间同步的专门的硬件实现，时间的精度和不确定性一般在几十纳秒到几十亚微秒间，但是这两种方式均是在以太网的IP层上实现，要实现系统的时间同步首先实现以太网的IP通信功能，并且需要同步双方都至少需要发送和接收到两个报文才能实现，因此同步时间长，结构复杂，实现难度大，成本较高；另外上述时间同步方式对于一些非以太网通信的系统，如水下通信，战术无线电通信、红外点对点通信等情况下也不是很适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速高精度时间同步系统，具备可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间时间同步的优点，其直接建立在ISO七层通信模型的物理层上的链路层，与上层协议无关，且对于上层协议是透明的，当系统网络的物理层连接的同时就能迅速同步两个或者多个设备之间的时间，精度可根据通信方式、通信速率和实现成本来调整，最高可达到纳秒级别，具有精度高、成本低、设备布置灵活。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种快速高精度时间同步系统，包括NTP和PTP协议，NTP为适应Internet的层次结构采用层次氏时间分布模型、包括主时间服务器、从时间服务器及客户与节点间的传输路径，主时间服务器与高精度同步时钟源，从时间服务器经由主服务器或从其它服务器获得同步，在正常情况下节点(包括从时间服务器及客户)只用最可靠、最准确的服务器及传输路径来进行同步，因此通常的同步路径呈现为一个层次结构，在该层次结构中，主服务器位于根节点，而其它服务器随同步精度的增加而位于逐渐靠近叶子节点的层上，NTP将传输路径区分为主动同步路径(ActiveSynchronization Paths)与备份同步路径(Backup Synchronization Paths)两者都进行时间消息包的传输，但节点只用主动同步路径的数据进行同步处理，NTP对时间的处理主要包括以下部分；

一：针对一个时间服务器的数据过滤处理，这种处理的目的是改善通过一个时间服务器获得的网络延迟和时钟偏差的估计精确度；

二：针对多个时间服务器的对等选择与组合处理，NTP是通过利用多个服务器及多条网络路径来获得高准确度与可靠性；

三：本地时钟校正，为维持时钟的单调性，NTP并不将前两步处理得到的时钟偏差直接用来调整本地时钟，而是通过一个环路滤波器转换为一个对可变频率振荡器的控制量，来控制振荡器的振荡频率，间接调整系统时钟。

PTP协议也是通过以太网同步各设备的时钟，可以提供亚微妙级的对时精度，其对时过程包含两步：

第一步：通过最佳主时钟(Best Master Clock)算法确定网络中最精确的时钟，作为主时钟master，其余所有时钟都作为slave，并与master同步；

第二步：通过计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟，同步的过程中需要计算主从时间差异，其中包含主从钟的偏移量和网络传输时延，因此从时钟的修正也包含偏移量的修正和传输延时的修正；

主从设备主要通过消息交换，完成对时，为保持长期一致，需要不断对时，消息交换模式如图1所示：

a、主节点发送一个Sync消息到从节点，并记住消息发送时间t1；

b、从端接收Sync消息，并记下接收时间t2；

c、主端通过把t1嵌入到Sync消息中或随后的Follow_Up消息中，将时间戳t1发送给从端；

d、从端发送Delay_Req消息给主端，并记录发送时间t3；

e、主端接收Delay_Req消息并记下接收时间t4；

f、主通过把时间戳t4嵌入Delay_Resp消息发送给从端。

消息交换结束后，从端拥有了所有4个时间戳，用它们可以计算主从端时间差和平均消息传输延时：

Tmsd＝t2+Tms–t1

Tsmd＝t4–(Tms+t3)

由于通信路径的对称性，

路径延时Td＝Tmsd＝Tsmd＝1/2*(t2–t1+t4–t3)

主从时差Tms＝1/2*(t2–t1+t4-t3)

如果时间差Tms过大，则应用绝对时间调整，从设备时钟要加上时间差以调整绝对时间，使其时间在此刻与主时钟时间完全一致。

优选的，如果时间差Tms较小，则使从时钟的频率改变某一百分比，从时钟设备需要调整各自的时钟频率，与主时钟频率保持一致，由于普通计算机和设备没有专用硬件支持，只能通过设置系统时间来调整主从时间差，但不能调整时钟的频率，同步精度只能达到亚毫秒级，如果有专用硬件支持时，则同步精度可达到亚微妙级。

优选的，一种快速高精度时间同步系统的原理，两个设备在物理层通信建立后，等待接收消息，如果在规定时间内没有收到消息，则发送一个消息，然后重复上述过程，以图2为例，说明设备一和设备二时间同步的过程:

1)设备一在自身的t0时刻发送一个带有该t0时刻并且延迟时间为未知的消息；

2)设备二在自身的t1时刻收到该消息，由于消息的延迟时间为未知，所以立刻将自身的时间设置为t0；

3)设备二在设置好自身时间之后的t2，发送一个包含t2时刻和延迟时间为未知的消息；

4)设备一在t3时刻收到该消息，计算出dt＝(t3-t2)/2；

5)设备一在t4时刻发送包含t4和dt的消息；

6)设备二在t5时刻收到消息，验证t5＝t4，然后把自身时刻设置为t4+dt，这样使得两个设备时间同步；

7)在后续的通信过程中，两个设备均会在链路层带上发送时刻和延迟，当任一设备发现发送时刻加延迟不等于接收时刻时，重复上述过程的消息交换来完成对时，通过设备间的消息交换，可不断对时，使系统的时间保持长期一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间的时间同步，其直接建立在ISO七层通信模型的物理层上的链路层，与上层协议无关，且对于上层协议是透明的，当系统网络的物理层连接的同时就能迅速同步两个或者多个设备之间的时间，精度可根据通信方式、通信速率和实现成本来调整，最高可达到纳秒级别，具有精度高、成本低、设备布置灵活。

附图说明

图1为本发明PTP主从消息交换流程示意图；

图2为本发明原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种快速高精度时间同步系统，包括NTP和PTP协议，NTP为适应Internet的层次结构采用层次氏时间分布模型、包括主时间服务器、从时间服务器及客户与节点间的传输路径，主时间服务器与高精度同步时钟源，从时间服务器经由主服务器或从其它服务器获得同步，在正常情况下节点(包括从时间服务器及客户)只用最可靠、最准确的服务器及传输路径来进行同步，因此通常的同步路径呈现为一个层次结构，在该层次结构中，主服务器位于根节点，而其它服务器随同步精度的增加而位于逐渐靠近叶子节点的层上，NTP将传输路径区分为主动同步路径(Active Synchronization Paths)与备份同步路径(Backup Synchronization Paths)两者都进行时间消息包的传输，但节点只用主动同步路径的数据进行同步处理，NTP对时间的处理主要包括以下部分；

一：针对一个时间服务器的数据过滤处理，这种处理的目的是改善通过一个时间服务器获得的网络延迟和时钟偏差的估计精确度；

二：针对多个时间服务器的对等选择与组合处理，NTP是通过利用多个服务器及多条网络路径来获得高准确度与可靠性；

三：本地时钟校正，为维持时钟的单调性，NTP并不将前两步处理得到的时钟偏差直接用来调整本地时钟，而是通过一个环路滤波器转换为一个对可变频率振荡器的控制量，来控制振荡器的振荡频率，间接调整系统时钟。

PTP协议也是通过以太网同步各设备的时钟，可以提供亚微妙级的对时精度，其对时过程包含两步：

第一步：通过最佳主时钟(Best Master Clock)算法确定网络中最精确的时钟，作为主时钟master，其余所有时钟都作为slave，并与master同步。

第二步：通过计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟，同步的过程中需要计算主从时间差异，其中包含主从钟的偏移量和网络传输时延，因此从时钟的修正也包含偏移量的修正和传输延时的修正；

主从设备主要通过消息交换，完成对时，为保持长期一致，需要不断对时，消息交换模式如图1所示：

a、主节点发送一个Sync消息到从节点，并记住消息发送时间t1；

b、从端接收Sync消息，并记下接收时间t2；

c、主端通过把t1嵌入到Sync消息中或随后的Follow_Up消息中，将时间戳t1发送给从端；

d、从端发送Delay_Req消息给主端，并记录发送时间t3；

e、主端接收Delay_Req消息并记下接收时间t4；

f、主通过把时间戳t4嵌入Delay_Resp消息发送给从端。

消息交换结束后，从端拥有了所有4个时间戳，用它们可以计算主从端时间差和平均消息传输延时：

Tmsd＝t2+Tms–t1

Tsmd＝t4–(Tms+t3)

由于通信路径的对称性，

路径延时Td＝Tmsd＝Tsmd＝1/2*(t2–t1+t4–t3)

主从时差Tms＝1/2*(t2–t1+t4-t3)

如果时间差Tms过大，则应用绝对时间调整，从设备时钟要加上时间差以调整绝对时间，使其时间在此刻与主时钟时间完全一致；

如果时间差Tms较小，则使从时钟的频率改变某一百分比，从时钟设备需要调整各自的时钟频率，与主时钟频率保持一致，由于普通计算机和设备没有专用硬件支持，只能通过设置系统时间来调整主从时间差，但不能调整时钟的频率，同步精度只能达到亚毫秒级，如果有专用硬件支持时，则同步精度可达到亚微妙级；

一种快速高精度时间同步系统的原理，两个设备在物理层通信建立后，等待接收消息，如果在规定时间内没有收到消息，则发送一个消息，然后重复上述过程，以图2为例，说明设备一和设备二时间同步的过程:

1)设备一在自身的t0时刻发送一个带有该t0时刻并且延迟时间为未知的消息；

2)设备二在自身的t1时刻收到该消息，由于消息的延迟时间为未知，所以立刻将自身的时间设置为t0；

3)设备二在设置好自身时间之后的t2，发送一个包含t2时刻和延迟时间为未知的消息；

4)设备一在t3时刻收到该消息，计算出dt＝(t3-t2)/2；

5)设备一在t4时刻发送包含t4和dt的消息；

6)设备二在t5时刻收到消息，验证t5＝t4，然后把自身时刻设置为t4+dt，这样使得两个设备时间同步；

7)在后续的通信过程中，两个设备均会在链路层带上发送时刻和延迟，当任一设备发现发送时刻加延迟不等于接收时刻时，重复上述过程的消息交换来完成对时，通过设备间的消息交换，可不断对时，使系统的时间保持长期一致，本发明可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间的时间同步，其直接建立在ISO七层通信模型的物理层上的链路层，与上层协议无关，且对于上层协议是透明的，当系统网络的物理层连接的同时就能迅速同步两个或者多个设备之间的时间，精度可根据通信方式、通信速率和实现成本来调整，最高可达到纳秒级别，具有精度高、成本低、设备布置灵活。

本发明设备没有主从的分别，系统根据设备接入系统的次序自动产生一个设备的时钟作为系统时钟，所有时钟均会同步到该时钟，可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间的时间同步；两步快速同步方法，两个设备间只各需要两个步骤，共发送三个数据包即可实现时钟同步。

综上所述：该快速高精度时间同步系统，可用于无线、有线通信两个或者多个设备之间的时间同步，其直接建立在ISO七层通信模型的物理层上的链路层，与上层协议无关，且对于上层协议是透明的，当系统网络的物理层连接的同时就能迅速同步两个或者多个设备之间的时间，精度可根据通信方式、通信速率和实现成本来调整，最高可达到纳秒级别，具有精度高、成本低、设备布置灵活。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种快速高精度时间同步系统，包括NTP和PTP协议，其特征在于：NTP为适应Internet的层次结构采用层次氏时间分布模型、包括主时间服务器、从时间服务器及客户与节点间的传输路径，主时间服务器与高精度同步时钟源，从时间服务器经由主服务器或从其它服务器获得同步，在正常情况下节点(包括从时间服务器及客户)只用最可靠、最准确的服务器及传输路径来进行同步，因此通常的同步路径呈现为一个层次结构，在该层次结构中，主服务器位于根节点，而其它服务器随同步精度的增加而位于逐渐靠近叶子节点的层上，NTP将传输路径区分为主动同步路径(Active Synchronization Paths)与备份同步路径(Backup Synchronization Paths)两者都进行时间消息包的传输，但节点只用主动同步路径的数据进行同步处理，NTP对时间的处理主要包括以下部分；

一：针对一个时间服务器的数据过滤处理，这种处理的目的是改善通过一个时间服务器获得的网络延迟和时钟偏差的估计精确度；

二：针对多个时间服务器的对等选择与组合处理，NTP是通过利用多个服务器及多条网络路径来获得高准确度与可靠性；

三：本地时钟校正，为维持时钟的单调性，NTP并不将前两步处理得到的时钟偏差直接用来调整本地时钟，而是通过一个环路滤波器转换为一个对可变频率振荡器的控制量，来控制振荡器的振荡频率，间接调整系统时钟。

PTP协议也是通过以太网同步各设备的时钟，可以提供亚微妙级的对时精度，其对时过程包含两步：

第一步：通过最佳主时钟(Best Master Clock)算法确定网络中最精确的时钟，作为主时钟master，其余所有时钟都作为slave，并与master同步；

第二步：通过计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟，同步的过程中需要计算主从时间差异，其中包含主从钟的偏移量和网络传输时延，因此从时钟的修正也包含偏移量的修正和传输延时的修正；

主从设备主要通过消息交换，完成对时，为保持长期一致，需要不断对时，消息交换模式如图1所示：

a、主节点发送一个Sync消息到从节点，并记住消息发送时间t1；

b、从端接收Sync消息，并记下接收时间t2；

c、主端通过把t1嵌入到Sync消息中或随后的Follow_Up消息中，将时间戳t1发送给从端；

d、从端发送Delay_Req消息给主端，并记录发送时间t3；

e、主端接收Delay_Req消息并记下接收时间t4；

f、主通过把时间戳t4嵌入Delay_Resp消息发送给从端。

消息交换结束后，从端拥有了所有4个时间戳，用它们可以计算主从端时间差和平均消息传输延时：

Tmsd＝t2+Tms–t1

Tsmd＝t4–(Tms+t3)

由于通信路径的对称性，

路径延时Td＝Tmsd＝Tsmd＝1/2*(t2–t1+t4–t3)

主从时差Tms＝1/2*(t2–t1+t4-t3)

如果时间差Tms过大，则应用绝对时间调整，从设备时钟要加上时间差以调整绝对时间，使其时间在此刻与主时钟时间完全一致。

2.根据权利要求1所述的一种快速高精度时间同步系统，其特征在于：如果时间差Tms较小，则使从时钟的频率改变某一百分比，从时钟设备需要调整各自的时钟频率，与主时钟频率保持一致，由于普通计算机和设备没有专用硬件支持，只能通过设置系统时间来调整主从时间差，但不能调整时钟的频率，同步精度只能达到亚毫秒级，如果有专用硬件支持时，则同步精度可达到亚微妙级。

3.根据权利要求1-2所述任意项的一项的一种快速高精度时间同步系统的原理，其特征在于：两个设备在物理层通信建立后，等待接收消息，如果在规定时间内没有收到消息，则发送一个消息，然后重复上述过程，以图2为例，说明设备一和设备二时间同步的过程:

1)设备一在自身的t0时刻发送一个带有该t0时刻并且延迟时间为未知的消息；

2)设备二在自身的t1时刻收到该消息，由于消息的延迟时间为未知，所以立刻将自身的时间设置为t0；

3)设备二在设置好自身时间之后的t2，发送一个包含t2时刻和延迟时间为未知的消息；

4)设备一在t3时刻收到该消息，计算出dt＝(t3-t2)/2；

5)设备一在t4时刻发送包含t4和dt的消息；

6)设备二在t5时刻收到消息，验证t5＝t4，然后把自身时刻设置为t4+dt，这样使得两个设备时间同步；

7)在后续的通信过程中，两个设备均会在链路层带上发送时刻和延迟，当任一设备发现发送时刻加延迟不等于接收时刻时，重复上述过程的消息交换来完成对时，通过设备间的消息交换，可不断对时，使系统的时间保持长期一致。

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