CN113014344B - 一种冗余网络的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种冗余网络时间同步方法，网络节点与相邻节点进行时钟同步。当网络存在冗余链路时，具有冗余链路的节点可以通过不同链路与不同邻居之间进行时钟同步，并采用加权平均的方式计算标准时钟的估计值。其中，加权参数取决于邻居节点的时钟误差因子和与邻居节点间的链路时延；节点的时钟误差因子通过邻居节点的时钟误差因子、与邻居节点间的链路时延以及本地时钟斜率计算得出。

Description

一种冗余网络的时间同步方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，具体地说是一种冗余网络的时间同步方法。

背景技术

现代工业高速发展的背景下,电力系统、机器人控制、车间级自动化控制系统等领域工业现场对多系统协同工作要求越来越高。因此，需要一个共同的时间基准来确保系统运行可靠。

大多数以太网系统中，都采用IEEE1588定义的精准钟同步协议实现设备之间的同步。IEEE1588协议基本原理是通过硬件和软件将网络中从时钟与主时钟实现同步，同步精度最高可达到纳秒级，能适应不同的接入环境，从而可以有效的解决工业网络中的实时性问题，已经广泛用于军事领域、远程通信、电力系统和数控系统等诸多领域。

但是，在以IEEE1588为代表的典型时间同步协议中，链路时延往往对同步精度影响很大。尽管IEEE1588v2中可以对链路时延进行补偿，但是单一链路时延的不对称性仍然会对时间同步的精度造成较大影响。为解决上述问题，本发明针对具有冗余链路的网络系统，对不同链路可能造成的时间同步误差进行评估，并通过多条链路加权平均的方式，减少单一链路时延不对称性造成的同步误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种冗余网络的时间同步方法。

本发明采用如下技术方案：一种冗余网络时间同步方法，包括以下步骤：

网络中节点通过组播方式识别邻居节点，一个节点与获取其时间同步组播数据的邻居节点之间存在一条实际或虚拟链路；

对于某一节点：

通过时钟误差因子对时钟斜率和初始时钟偏移进行计算；根据补偿后时钟斜率和初始时钟偏移、以及节点的本地时钟与标准时钟之间的线性关系，得到该节点的本地时钟；

根据补偿后时钟斜率和初始时钟偏移、以及该节点的本地时钟，得到该节点同步后的标准时钟估计值，实现节点与邻居节点的时间同步。

对于某节点，本地时钟与标准时钟之间采用线性关系模型：

τ(t)＝αt+β

其中τ(t)为本地时钟；t为标准时钟；α为时钟斜率；β为初始时钟偏移。

网络节点对一段时间T内的时钟斜率α进行统计，得到时钟斜率的均值和标准差。

网络中所有节点维护自身时钟误差因子Q，且时钟源误差因子Q＝0，其余节点初始误差因子Q＝∞。

网络节点只同误差因子比自身小的邻居节点进行时钟同步。

所述通过节点的时钟误差因子对时钟斜率和初始时钟偏移进行计算，具体如下：

其中，{i}表示邻居节点中，节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点集合，n表示邻居节点中节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的节点时钟误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α_i为通过邻居节点i计算的链路时钟斜率；β_i为通过邻居节点i计算的初始时钟偏移；α为时钟斜率，β为初始时钟偏移。

某节点获取与邻居节点的链路时延τ，并计算链路同步误差因子Q_L：

其中τ表示链路时延，M_τ表示链路一段时间T内链路时延的均值，S_τ表示相同时间段内链路时延的标准差。

所述邻居节点的链路时延τ与时间同步算法中计算时延的方法相同。

对于网络中的某节点，该节点时钟误差因子Q计算过程为：

其中，{i}表示邻居节点中，节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点集合，n表示邻居节点中节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的节点时钟误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α为时钟斜率；M_α为一段时间T内时钟斜率的均值；S_α为一段时间T内时钟斜率的标准差。

对于某节点时间同步组播数据的邻居节点，该邻居节点的本地时钟τ(t)＝m₀，标准时钟t为：

将补偿后的时钟斜率α和初始时钟偏移β代入上式，即得到标准时钟。

本发明的有益技术效果和优点如下：

1.本发明针对具有冗余链路的网络系统，通过多条链路对节点时钟进行同步，并通过加权平均的方式计算最终同步结果，减少单一链路时延不对称等问题造成的同步误差。

2.本发明建立了不同节点的时钟同步误差模型，可以对网络任意节点潜在的时钟同步误差进行评估，为提高时钟同步精度提供依据。

附图说明

图1a为适用于本发明的一个典型网络拓扑示意图一；

图1b为适用于本发明的一个典型网络拓扑示意图二；

图2为两个节点通过单一链路进行同步补偿参数计算过程。

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。

本申请公开了一种冗余网络时间同步方法，网络节点与相邻节点进行时钟同步。当网络存在冗余链路时，具有冗余链路的节点可以通过不同链路与不同邻居之间进行时钟同步，并采用加权平均的方式计算标准时钟的估计值。其中，加权参数取决于邻居节点的时钟误差因子和与邻居节点间的链路时延；节点的时钟误差因子通过邻居节点的时钟误差因子、与邻居节点间的链路时延以及本地时钟斜率计算得出。

一种冗余网络时间同步方法，网络中节点通过组播方式识别邻居节点，一个节点同可以获取其时间同步组播数据的节点之间存在一条实际或虚拟链路；

网络节点对一段时间T内的时钟斜率α进行统计；

网络中时钟同步节点维护自身时钟误差因子Q，且时钟源误差因子Q＝0，其余节点初始误差因子Q＝∞；

网络节点只同误差因子比自身小的邻居节点进行时钟同步；

网络节点获取与邻居节点的链路时延τ，并计算链路同步误差因子Q_L：

其中τ表示链路时延，M_τ表示链路一段时间T内链路时延的均值，S_τ表示相同时间段内链路时延的标准差；

邻居节点的链路时延τ与时间同步算法(例如1588v2中时间同步算法对链路时延进行补偿时，本方法计算链路时延τ时需要以同样的方式进行补偿)中计算时延的方法一致。

补偿参数计算方法为：

其中，{i}表示邻居节点中，误差因子小于当前节点当前误差因子的节点集合，n表示邻居节点中误差因子小于当前节点当前误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的同步误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α_i为通过邻居节点i计算的链路时钟斜率；β_i为通过邻居节点i计算的初始时钟偏移；

节点时钟误差因子Q计算过程为：

其中，{i}表示邻居节点中，误差因子小于当前节点当前误差因子的节点集合，n表示邻居节点中误差因子小于当前节点当前误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的同步误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α为时钟斜率；M_α为一段时间T内时钟斜率的均值；S_α为一段时间T内时钟斜率的标准差；

对于本地时钟t＝m₀，标准时钟t为：

其中α和β分别为时钟斜率和初始时钟偏移。

1.参见图1a～图1b，四个节点A、B、C、D组成一个环形拓扑网络，节点D与E之间存在单一链路；其中节点A为时钟源，其通过AB和AC两条链路以组播的形式发送时钟信息；节点B收到A发送的同步信息后，确认A为其邻居节点，与A同步后，通过AB、BD两条链路以组播的形式发送同步后的时钟信息，而不通过链路BD发送A的组播时钟信息。节点C、D同理；

2.对于节点B而言，本地时钟与标准时钟之间采用线性关系模型：

τ(t)＝αt+β

其中τ(t)为本地时钟；t为通过时间同步获取的标准时钟；α为时钟斜率；β为初始时钟偏移；

参照图2，节点B与A经过两次时间同步消息传递，第一次节点A在本地100时刻向B发送同步报文，B在本地时钟200时刻接收到该报文，并本地时钟250时刻发送返回报文，A在本地时钟400时刻接收到该报文；第二次节点A在本地1100时刻向B发送同步报文，B在本地时钟1210时刻接收到该报文，并本地时钟1250时刻发送返回报文，A在本地时钟1400时刻接收到该报文；计算得α≈1.005，β≈-25.999；

多次同步后，可以取若干同步结果用线性回归等方式计算α和β；

3.多次时钟同步后，计算α取值有所变化，例如近5次同步结果α取值为{1.005,0.998,1.004,1.006,1.010}；

4.参照图1，节点A、B、C、D、E都有自身的时钟误差因子，A为时钟源，因此Q_A＝0，初始时B、C、D、E的时钟源误差因子均为∞；

5.参照图1a初始过程中，对于节点A和B，由于B的时钟源误差因子初始值为为∞，因此B与A进行时钟同步。同理C与A进行同步，D与B和C进行同步，E与D进行同步。参照图1b，经过一次同步后，由于AC链路时钟源误差因子过大，导致C节点的时钟源误差因子大于D节点的时钟源误差因子，此时D节点不在与C节点同步，只与B节点同步，而C节点与A和D进行同步；

6.参照图2，对于链路AB而言，由于其时延不对称性未知，只能人为A到B的时延与B到A的时延相等，对于同步后的时钟可知A到B的时延约为125，同理得出若干次A到B的链路，假设其中5次时延分别为{125,120,110,118,127}，通过公式计算计算链路AB的同步误差因子Q_AB：

其中τ表示链路时延，M_τ＝120表示链路一段时间T内链路时延的均值，S_τ＝6.67表示相同时间段内链路时延的标准差；

7.链路AB的时延和时间同步过程中时延的计算方法是一致的。

8.参见图2，对于节点B，只与节点A进行同步，因此计算

α_B和β_B分别为节点B的时钟斜率和初始时钟偏移。

参照图1a的情况，对于节点D可以计算：

其中，{i}为节点B、C的集合；n为2；Q_B为节点B的时钟误差因子；Q_DB为链路BD的时钟误差因子；Q_C为节点C的时钟误差因子；Q_DC为链路CD的时钟误差因子；α_DB为通过邻居节点B计算的链路时钟斜率；β_DB为通过邻居节点B计算的初始时钟偏移；α_DC为通过邻居节点C计算的链路时钟斜率；β_DC为通过邻居节点C计算的初始时钟偏移；

9.对于节点B，Q_AB＝6.49，根据步骤3，α取值为{1.005,0.998,1.004,1.006,1.010}，时钟误差因子自身小的邻居节点只有A，且Q_A＝0，根据公式计算

其中，{i}表示邻居节点中，误差因子小于当前节点当前误差因子的节点集合，即节点A；n表示邻居节点中误差因子小于当前节点当前误差因子的节点数量，为1；Q_i表示邻居节点i的同步误差因子，Q_A＝0；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子，Q_AB＝6.49；α_B为时钟斜率；M_αB为节点B一段时间T内时钟斜率的均值，M_αB＝1.046；S_αB为节点B一段时间T内时钟斜率的标准差S_αB＝0.043；

参照图1a的情况，对于节点D可以计算：

其中，{i}为节点B、C的集合；n为2；Q_B为节点B的时钟误差因子；Q_DB为链路BD的时钟误差因子；Q_C为节点C的时钟误差因子；Q_DC为链路CD的时钟误差因子；α_D为D的时钟斜率；M_αD为节点D一段时间T内时钟斜率的均值；S_αD为节点D一段时间T内时钟斜率的标准差；

10.参照图2，对于节点B，本地时钟为1210时刻，标准时钟为：

参照图1a的情况，对于节点D可以计算本地时钟为m₀时刻，标准时钟为：

其中α_D和β_D分别为D的时钟斜率和初始时钟偏移。

Claims (10)

1.一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

网络中节点通过组播方式识别邻居节点，一个节点与获取其时间同步组播数据的邻居节点之间存在一条实际或虚拟链路；

对于某一节点：

通过时钟误差因子对时钟斜率和初始时钟偏移进行计算；根据补偿后时钟斜率和初始时钟偏移、以及节点的本地时钟与标准时钟之间的线性关系，得到该节点的本地时钟；

或者：

根据补偿后时钟斜率和初始时钟偏移、以及该节点的本地时钟，得到该节点同步后的标准时钟估计值，实现节点与邻居节点的时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，对于某节点，本地时钟与标准时钟之间采用线性关系模型：

τ(t)＝αt+β

其中τ(t)为本地时钟；t为标准时钟；α为时钟斜率；β为初始时钟偏移。

3.根据权利要求1所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，网络节点对一段时间T内的时钟斜率α进行统计，得到时钟斜率的均值和标准差。

4.根据权利要求1所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，网络中所有节点维护自身时钟误差因子Q，且时钟源误差因子Q＝0，其余节点初始误差因子Q＝∞。

5.根据权利要求4所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，网络节点只同误差因子比自身小的邻居节点进行时钟同步。

6.根据权利要求1所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，所述通过节点的时钟误差因子对时钟斜率和初始时钟偏移进行计算，具体如下：

其中，{i}表示邻居节点中，节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点集合，n表示邻居节点中节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的节点时钟误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α_i为通过邻居节点i计算的链路时钟斜率；β_i为通过邻居节点i计算的初始时钟偏移；α为时钟斜率，β为初始时钟偏移。

7.根据权利要求6所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，某节点获取与邻居节点的链路时延τ，并计算链路同步误差因子Q_L：

其中τ表示链路时延，M_τ表示链路一段时间T内链路时延的均值，S_τ表示相同时间段内链路时延的标准差。

8.根据权利要求7所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，所述邻居节点的链路时延τ与时间同步算法中计算时延的方法相同。

9.根据权利要求4或6所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，对于网络中的某节点，该节点时钟误差因子Q计算过程为：

其中，{i}表示邻居节点中，节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点集合，n表示邻居节点中节点时钟误差因子小于当前节点当前节点时钟误差因子的节点数量；Q_i表示邻居节点i的节点时钟误差因子；Q_Li表示与邻居节点i之间的链路同步误差因子；α为时钟斜率；M_α为一段时间T内时钟斜率的均值；S_α为一段时间T内时钟斜率的标准差。

10.根据权利要求1所述的一种冗余网络时间同步方法，其特征在于，对于某节点时间同步组播数据的邻居节点，该邻居节点的本地时钟τ(t)＝m₀，标准时钟t为：

将补偿后的时钟斜率α和初始时钟偏移β代入上式，即得到标准时钟。

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