CN112260791A - 一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的时间同步超主时钟热备份方法，属于通信网络技术领域。该方法在原有热备份时钟思想的基础上，通过一种新的子域划分和冗余超主时钟选取的办法，对时间同步网络内发生的异常进行快速甄别和处理。本发明的方法基于IEEE802.1AS‑Rev中热备份方法的备份时钟选取办法，用于改善由于网络拓扑变动而引发的时钟抖动，可以用来减小因网络内拓扑改变超主时钟重新选取而产生的时钟震荡。

Description

一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，具体地，涉及一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法。

背景技术

工业网络与传统互联网相比，对网络确定性和稳定性的要求更高。IEEE802.1AS协议标准规定了TSN网络中的时间同步方式——通过在网络中选举一个超主时钟，其他设备都与该时钟时间对齐，来保证整个网络的时间误差。这种方式可以将两个相邻的时间感知系统误差控制在ns级别。

IEEE802.1AS中规定了网络中超主时钟的选取规则，即BMCA算法，BMCA算法的优势在于：

1.算法灵活，可以应对各种网络拓扑变更；

2.算法不需要预先人工干预。

但由于BMCA算法需要询问网络中的所有设备进行时钟对比，拓扑变更后，系统需要经历一定时间的震荡才能获取到超主时钟。这段时间内的时钟同步劣化带来的系统不稳定可能是工业网络所无法容忍的。

为解决这一问题，IEEE802.1AS-Rev中时间同步可支持多域，即可采用热备份方式改善网络变更带来的时钟不稳定。但目前IEEE802.1AS-Rev中没有规定针对具体网络的特定子域划分方法和冗余时钟选取办法，预先规定的冗余时钟仍旧存在无法应对复杂网络变动的问题，且热备份算法复杂度（即冗余时钟，冗余链路的个数）和系统的稳定性无法同时满足。

发明内容

本发明的目的在于，为提高工业互联网时间同步的稳定性和可靠性，在网络内超主时钟不可用的异常情况下，使用冗余时钟的热备份方法，解决传统网络内其他时间感知系统由于重新选举超主时钟而导致的时钟震荡问题。因此，本发明提出了一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法。

为实现此目的，本发明采用如下技术方案：一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法，具体包括以下步骤：

步骤一：根据超主时钟所在网络的规模和特征，按照时间感知系统与超主时钟的距离，将时间同步网络划分成p个子域：

其中，system用于表示除超主时钟以外的时间感知系统； d代表system与所述超主时钟的距离，用跳数表示；

为其余各子域宽度，

为

的整数；

为第一子域大小的宽度，

为

的整数，GM代表超主时钟；

表示向上取整；

当所述超主时钟所在网络发生异常时，各子域对时间同步报文的超时判定满足：

其中，

为子域i的超时判定,i的取值为1~p；

步骤二：根据时钟资质选取每个子域备份的超主时钟源，所述时钟资质为：时钟源种类、时钟id或者预先设置的优先级顺序。

步骤三：当超主时钟所在网络发生异常时，当前超主时钟所在的部分网络失去连接时，网络中第一个感知到超主故障的子域，选举本区域内的冗余超主时钟作为新的网络内超主时钟；若本区域内的冗余时钟未响应，则等待下一个区域的判定超时；直至某一子域内的冗余时钟被推举为超主时钟为止。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、在部分网络异常条件下，本发明的方法通过选择距离原超主时钟最近的冗余时钟，使得同步报文转发路径最大程度得到保留，在保证新的超主时钟时钟源精度的条件下，对整体网络影响小。

2、与传统BMCA算法相比，本发明提前划分子域并选举出冗余时钟，在原超主时钟失效情况下，能够缩短重新选举所需时间；同时划分的多个子域可以应对各种网络拓扑异常导致的超主时钟不可用。在缩小链路震荡时间的同时，保留应对复杂网络拓扑变动的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的子域数为3的子域划分示意图；其中，第一子域宽度为2，其余子域宽度为1；

图2为本发明提供的子域数为2且各子域宽度均为2时的子域划分示意图。

具体实施方式

本发明针对TSN网络变动后时钟同步的稳定性问题，提出了一种新的子域划分和冗余超主时钟选取的热备份办法。本发明的方法通过在无拓扑探测的网络内，提供一整套超主时钟失效检测和热备份时钟选取与激活的方案实现，具体步骤为：

步骤一：在网络第一次到达稳定后，拥有超主时钟资质的时间感知系统获取本系统到超主时钟的步长，如果网络中使能BMCA算法，即可通过获取系统端口中最小的stepsRemoved作为步长参与算法。

并根据网络规模和特征，给出新的子域划分方法，根据时间感知系统与超主时钟的距离，当时间感知系统与超主时钟的距离满足如下公式时：

其中，system用于表示除超主时钟以外的时间感知系统； d代表system与所述超主时钟的距离，用跳数表示；

为其余各子域宽度，

为

的整数；

为第一子域大小的宽度，

为

的整数，GM代表超主时钟；

表示向上取整；

因此，划分子域的数目p中的任意一个子域i满足：

如图1为本发明提供的一种子域划分示意图，此时

，除第一子域外其余子域宽度均为1，即将距离超主时钟相同跳数的终端放入同一区域。该情况适用于：

1.网络规模不大的情况下，由于网络规模较小，可适当减小子域宽度，来获取更多备份主时钟；

2.网络可靠性要求苛刻场景，更小的子域宽度，意味着更多子域和备份主时钟，当网络出现时间同步问题时，可用于恢复的备份主时钟也就更多。

相反，随着网络规模的增大，此时若子域宽度仍为1，则网络中的冗余备份时钟过多，同步恢复的流程就更加复杂，因此过多的备份也是不必要的。此时可以适当增大

的取值。如图2所示，

时的分区结果，冗余的备份时钟数目减少，复杂度降低。该种情况也可用于对时间同步故障恢复时间要求不苛刻的场景。

由于超主时钟会定时发送用于时间同步的sync消息到其他时间感知系统，其他从时钟所在系统就可以通过判断是否接收到时间同步报文来确定能否与超主时钟完成同步。若从时钟所在系统在一定时间未收到来自超主时钟的同步信息，即判定无法连接到超主时钟。因此，为各个子域添加不同的网络异常敏感度特性，即：每个子区域的超时条件不同，当所述超主时钟所在网络发生异常时，各子域对时间同步报文的超时判定满足：

其中，

为子域i的超时判定,i的取值为1~p。

因此，当超主时钟所在网络出现异常，导致网络内部分时间感知系统无法收到时间同步消息时，距离原超主时钟最近的子域首先响应该异常。此外，由于时间同步消息总是从低序列子区域传播向高序列子区域，低序列的子区域总会更早察觉到超主时钟的通信异常。

步骤二：当子域觉察到超主时钟断连后，需要启用本子域内备份好的冗余时钟。因此，本发明将根据时钟资质选取每个子域备份的超主时钟源，所述时钟资质为：时钟源种类、时钟id或者预先设置的优先级顺序。至此，异常发生前的热备份工作已经完成。

步骤三：当超主时钟所在网络发生异常时，当前超主时钟所在的部分网络失去连接时，网络中第一个感知到超主故障的子域，选举本区域内的冗余超主时钟作为新的网络内超主时钟；若本区域内的冗余时钟未响应，则等待下一个区域的判定超时；直至某一子域内的冗余时钟被推举为超主时钟为止。

图2中“x”描述上述网络中链路异常情况，在该条件下，子域一首先触发同步信息超时，若此时子域一中存在热备份的冗余超主时钟，则使能该时钟；若此时钟不是备份的冗余时钟，则等待子域二中同步信息超时并选举子域内冗余时钟为新的超主时钟。该网络异常条件下，选举与超主时钟最相似的冗余时钟，超主时钟选举时间满足：

其中

，

分别为对应子域一和子域二的同步报文超时时间，且可保证后续时间同步报文路径与原报文转发路径基本一致。

综上所述，本发明公开的基于IEEE802.1AS-Rev改进的超主时钟热备份方法，主要解决在网络内超主时钟不可用的异常情况下，网络内其他系统由于重新选举超主时钟而导致的时钟震荡问题。本发明在原有BMCA算法和热备份思想的基础上，进一步确定冗余时钟的选取个数和选取办法，提出了一种发现超主时钟异常并迅速替换超主时钟的方案，有效缩短网络异常后的时钟同步迭代时间，增强系统稳定性。

Claims (1)

1.一种改进的时钟同步超主时钟热备份方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：根据超主时钟所在网络的规模和特征，按照时间感知系统与超主时钟的距离，将时间同步网络划分成p个子域：

其中，system用于表示除超主时钟以外的时间感知系统； d代表system与所述超主时钟的距离，用跳数表示；

为其余各子域宽度，

为

的整数；

为第一子域大小的宽度，

为

的整数，GM代表超主时钟；

表示向上取整；

当所述超主时钟所在网络发生异常时，各子域对时间同步报文的超时判定满足：

其中，

为子域i的超时判定,i的取值为1~p；

步骤二：根据时钟资质选取每个子域备份的超主时钟源，所述时钟资质为：时钟源种类、时钟id或者预先设置的优先级顺序；

步骤三：当超主时钟所在网络发生异常时，当前超主时钟所在的部分网络失去连接时，网络中第一个感知到超主故障的子域，选举本区域内的冗余超主时钟作为新的网络内超主时钟；若本区域内的冗余时钟未响应，则等待下一个区域的判定超时；直至某一子域内的冗余时钟被推举为超主时钟为止。

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