CN113489563A - 一种虚拟机的时钟同步方法和云平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟机的时钟同步方法和云平台。虚拟机的时钟同步方法包括：节点服务器的PTP物理网卡收到PTP协议报文后，SDN控制器解析该PTP协议报文；所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息，下发openflow流表规则，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡；所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，并将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间。本发明提供的虚拟机的时钟同步方法和云平台通过接受PTP协议报文，下发openflow流表规则将该PTP协议报文转发至虚拟机以实现虚拟机的时间同步，由于采用PTP协议作为高精度时钟同步的传输协议，授时精度可达亚微秒需求，无需额为增加外置硬件时统卡，减少硬件成本。

Description

一种虚拟机的时钟同步方法和云平台

技术领域

本发明属于云计算虚拟化技术领域，特别是涉及一种虚拟机的时钟同步方法和云平台。

背景技术

IEEE1588协议，又称PTP(precise time protocol，精确时间协议)，可以达到亚微秒级别时间同步精度，在测量、控制系统、工业自动化、边缘计算、工业仿真等领域应用广泛，PTP最常用的方式是在数据链路层网络中进行PTP协议报文广播，减少网络协议栈中网络层、传输层的留驻时间，提高时间同步的精确度。相较于传统基于NTP的方式，PTP网络守时精度更高，NTP授时精度在毫秒级而PTP授时精度可达亚微秒级。此外在授时精度要求更高的场景下，有基于硬件时统卡的方式，但是时统卡的成本较高，并且在虚拟化场景下，无法满足多虚拟机高精度授时要求。在云计算领域，尤其是边缘云平台作为多租户的边缘设备接入与统一管控载体，逐渐发展起来，PTP时钟同步也需要往云服务化、多租户化的方向发展。在虚拟化场景下，KVM下多虚拟机时间同步业界普遍采用的方式有以下两种：

方法一：Pcie网卡KVM直通透传

利用CPU的VT-D技术，将带有PTP硬件驱动的物理网卡通过PCIE的方式直接透传到KVM虚拟机，虚拟机通过PTP协议同步PTP时钟源服务器的PTP协议报文获取高精度时间。然而，该方法使用单台物理服务器的虚拟化比例受限于物理服务器的网卡数量，严重影响云平台的资源利用率。而且，物理网卡的成本较高导致虚拟机成本上升。进一步，由于PTP采用二层网络广播的方式，难以满足多PTP时钟源的场景，通过调整物理组网逻辑方式实现会带来负责的维护问题，并且灵活性较差。

方法二：物理主机系统时间KVM同步

物理主机先通过硬件PTP对时获取高精度时钟，物理主机的操作系统通过kvm内核驱动模块将系统时间同步到虚拟机的ptp_kvm驱动，ptp_kvm实现网卡ptp硬件驱动接口，最后多个虚拟机通过chronyd同步软件和系统调用方式同步物理主机获取高精度时钟。然而，该方法由于虚拟机的时钟同步依赖于物理服务器的操作系统，若物理服务器的操作系统被恶意修改，该节点所有的虚拟机时间错误，引起单点故障。而且，由于物理服务器的系统时间只能同步一个固定的时钟源，如云平台有多种PTP时钟源服务，如北斗时钟源服务、伽利略时钟源服务，虚拟机无法选择指定时钟源服务，灵活性不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种虚拟机的时钟同步方法和云平台，无需额外增加外置硬件时间同步卡以减少硬件成本。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

依据本发明提出的一种虚拟机的时钟同步方法，包括：

节点服务器的PTP物理网卡收到PTP协议报文后，SDN控制器解析该PTP协议报文以提取该PTP协议报文的PTP域；

所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息，下发openflow流表规则，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡；

所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，并将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，在获取PTP协议报文之前，还包括：

至少一个PTP时钟源服务器采用主从模式，以所述PTP域作为唯一标识注册至云平台；

所述云平台通过所述PTP时钟源服务记录表记录所述PTP时钟服务器的信息。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，在获取PTP协议报文之前，还包括：

所述虚拟机在所述云平台指定所述PTP时钟源服务器，云平台将虚拟机指定的PTP时钟源服务器的PTP服务信息记录到该虚拟机的PTP服务关联信息表，使得所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息下发openflow流表规则。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，所述节点服务器为所述虚拟机所在的服务器。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，在所述SDN控制器下发openflow流表规则之前还包括：所述SDN控制器通过PTP协议报文的特征预先下发劫持该PTP协议报文。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，SDN控制器解析该PTP协议报文中的PTP域包括：

所述SDN控制器接收到PTP协议报文后，解析PTP协议报文头以提取该PTP协议报文的domain Number值为domain Numer N，根据domain Number N查询该节点服务器上关联的虚拟机。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，下发openflow流表规则，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡包括：

所述SDN控制器扩展openflow协议以支持通过流表匹配PTP协议报文头的domainNumber字段；

所述SDN控制器根据关联虚拟机信息获取虚拟机网卡的端口号；

SDN控制器根据该端口号生成openflow流表规则以匹配PTP协议报文特征，其中，匹配domain Number字段为domain Numer N；

SDN控制器下发openflow流表规则至虚拟交换机。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡还包括：

虚拟交换机根据流表规则将ptp报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡。

根据本发明实施例的虚拟机的时钟同步方法，所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，并将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间包括：

所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，通过chronyd时间同步软件将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间。

依据本发明提出的一种云平台，包括一个或者多个PTP时钟源服务器、物理交换机、节点服务器，所述节点服务器关联一个或者多个虚拟机，并设有虚拟交换机和SDN控制器，所示PTP时钟源服务器与所述物理交换机连接以传输PTP协议报文，所述物理交换机与所述虚拟交换机连接，以在所述SDN控制器的控制下向所述虚拟机传输PTP协议报文；所述云平台通过执行所述的虚拟机的时钟同步方法以同步所述虚拟机的系统时间。

借由上述技术方案，本发明具有如下优点和有益技术效果：

本发明提供的虚拟机的时钟同步方法和云平台通过接受PTP协议报文，然后解析该PTP协议报文后，下发openflow流表规则将该PTP协议报文转发至虚拟机以实现虚拟机的时间同步，由于采用PTP协议作为高精度时钟同步的传输协议，授时精度可达亚微秒需求，无需额为增加外置硬件时统卡，减少硬件成本。

进一步，本发明利用IEEE 1588 PTP协议的domain number字段，通过SDN控制器的报文识别与控制转发，实现多时钟源服务多虚拟机的ptp时钟同步。针对多时钟源服务器的场景可灵活按需配置虚拟机的时钟源服务器。通过domain number识别方式，支持主从模式的时钟源，不依赖于服务器的系统时间，虚拟机的时钟同步更为可靠精确。

附图说明

图1是云平台的结构示意图。

图2是虚拟机的时间同步方法的流程图。

具体实施方式

图1是云平台的结构示意图。如图1所示，该云平台包括多个PTP时钟源服务器(例如PTP时钟源服务器1、时钟源服务器2和时钟源服务器3)、物理交换机、节点服务器(即图1中示出的物理主机)和物理机。所述节点服务器设有虚拟交换机和SDN控制器。所示PTP时钟源服务器与所述物理交换机连接以传输PTP协议报文，所述物理交换机与所述虚拟交换机连接，以在所述SDN控制器的控制下向所述物理机的虚拟机传输PTP协议报文。

图2是虚拟机的时间同步方法的流程图。以下结合图2，详细描述上述云平台使用虚拟机的时间同步方法实现虚拟的时间同步功能。如图2所示，该虚拟机的时间同步方法包括步骤S201-S208。

步骤S201：利用IEEE 1588 PTP协议中的PTP域号(即domain number)作为PTP时钟服务的唯一标识。PTP时钟源服务可以采用主从模式，主从模式下的PTP时钟源服务器采用相同的domain number，实现主从模式的PTP时钟源服务兼容。其中，Domain number是PTP协议定义的一个报文字段，又称PTP域，PTP域的作用在于在同一PTP域内有且只有一个同步时钟，相同PTP域内的所有设备都与该时钟保持同步。

步骤S202：PTP时钟源服务器将domain number、服务名称等相关信息注册到云平台，云平台通过PTP时钟源服务记录表记录PTP时钟服务器相关信息。其中，PTP时钟源服务器在云平台注册时，通过domain number作为唯一标识注册至云平台，云平台通过所述PTP时钟源服务记录表记录所述PTP时钟服务器的信息。

步骤S203：虚拟机可以在云平台指定PTP时钟源服务器，云平台将虚拟机指定的PTP时钟源服务器的PTP服务信息记录到该虚拟机的PTP服务关联信息表，使得所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息下发openflow流表规则。

步骤S204：当PTP时钟源服务发送PTP协议报文到达节点服务器(虚拟机所在服务器)，节点服务器的PTP物理网卡接收到PTP协议报文后，SDN控制器通过PTP协议报文特征(PTP协议报文特征有两种，一种是UDP报文特征为端口为319/320,另外一种的以太报文特征为以太网帧类型值为0x88F7)预先下发劫持PTP协议报文，并通过openflow流表规则转发至SDN控制器。这样，通过openflow流程转发PTP协议报文，可以有效区分不同PTP时钟源服务器，虚拟机可指定不同的PTP时钟源服务器(如北斗时钟源、伽利略时钟源)，SDN控制器可以根据虚拟机的PTP时钟源服务器指定注册信息，将报文转发至指定的虚拟机。

步骤S205：SDN接收到PTP协议报文，解析PTP协议报文头，提取domain Number(即PTP域)值为domain Numer N，根据domain Number N查询节点服务器上关联的虚拟机，根据虚拟机的时钟源服务器注册信息获取该虚拟机对应的时钟源服务器。

步骤S206：SDN控制器扩展openflow协议以支持通过流表匹配PTP协议报文头的domain Number字段，根据关联虚拟机的信息获取虚拟机网卡的端口号(port number)，根据该端口号生成openflow流表规则以匹配PTP协议报文特征(PTP协议报文特征有两种，一种是UDP报文特征为端口为319/320,另外一种的以太报文特征为以太网帧类型值为0x88F7)。其中，匹配domain Number字段为domain Numer N，执行动作下发openflow流表规则至openvswitch虚拟交换机，以转发到相应的虚拟机的虚拟网卡。

步骤S207：虚拟交换机根据流表规则将ptp报文转发至虚拟机网卡，本发明在KVM虚拟机vnet网卡上，模拟硬件网卡PTP协议实现过程，实现支持PTP协议的虚拟网卡，并完全兼容硬件PTP硬件网卡的驱动接口，建立虚拟机与PTP时钟源的PTP网络协议通讯。在模拟硬件网卡PTP协议实现过程中，由于PTP协议的交互处理流程是基于IEEE1588PTP协议的标准流程，本领域技术人员可以根据PTP协议标准流程在KVM虚拟网卡的驱动中实现PTP协议的网卡处理过程。

步骤S208：虚拟机通过Linux操作系统通内置的PTP网卡驱动以及开源的chronyd时间同步软件获取精确的系统时间。由于PTP协议报文记录的PTP时间属于硬件时间，该硬件时间的时间戳保存在一个独立的内存空间内，因此，通过开源的chronyd时间同步软件可以将该硬件时间同步到虚拟机的操作系统的系统时间。

本发明提供的虚拟机的时钟同步方法和云平台通过接受PTP协议报文，然后解析该PTP协议报文后，下发openflow流表规则将该PTP协议报文转发至虚拟机以实现虚拟机的时间同步，由于采用PTP协议作为高精度时钟同步的传输协议，授时精度可达亚微秒需求，无需额为增加外置硬件时统卡，减少硬件成本。

进一步，本发明利用IEEE 1588PTP协议的domain number字段，通过SDN控制器的报文识别与控制转发，实现多时钟源服务多虚拟机的ptp时钟同步。针对多时钟源服务器的场景可灵活按需配置虚拟机的时钟源服务器。通过domain number识别方式，支持主从模式的时钟源，不依赖于服务器的系统时间，虚拟机的时钟同步更为可靠精确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，包括：

节点服务器的PTP物理网卡收到PTP协议报文后，SDN控制器解析该PTP协议报文以提取该PTP协议报文的PTP域；

所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息，下发openflow流表规则，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡；

所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，并将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间。

2.如权利要求1所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，在获取PTP协议报文之前，还包括：

至少一个PTP时钟源服务器采用主从模式，以所述PTP域作为唯一标识注册至云平台；

所述云平台通过所述PTP时钟源服务记录表记录所述PTP时钟服务器的信息。

3.如权利要求2所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，在获取PTP协议报文之前，还包括：

所述虚拟机在所述云平台指定所述PTP时钟源服务器，云平台将虚拟机指定的PTP时钟源服务器的PTP服务信息记录到该虚拟机的PTP服务关联信息表，使得所述SDN控制器根据所述PTP域和虚拟机的时钟源服务器注册信息下发openflow流表规则。

4.如权利要求3所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，所述节点服务器为所述虚拟机所在的服务器。

5.如权利要求4所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，在所述SDN控制器下发openflow流表规则之前还包括：所述SDN控制器通过PTP协议报文的特征预先下发劫持该PTP协议报文。

6.如权利要求5所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，SDN控制器解析该PTP协议报文中的PTP域包括：

所述SDN控制器接收到PTP协议报文后，解析PTP协议报文头以提取该PTP协议报文的domain Number值为domain Numer N，根据domain Number N查询该节点服务器上关联的虚拟机。

7.如权利要求6所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，下发openflow流表规则，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡包括：

所述SDN控制器扩展openflow协议以支持通过流表匹配PTP协议报文头的domainNumber字段；

所述SDN控制器根据关联虚拟机信息获取虚拟机网卡的端口号；

SDN控制器根据该端口号生成openflow流表规则以匹配PTP协议报文特征，其中，匹配domain Number字段为domain Numer N；

SDN控制器下发openflow流表规则至虚拟交换机。

8.如权利要求7所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，将该PTP协议报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡还包括：

虚拟交换机根据流表规则将ptp报文转发至与该PTP域对应的虚拟机的虚拟网卡。

9.如权利要求8所述的虚拟机的时钟同步方法，其特征在于，所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，并将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间包括：

所述虚拟机的虚拟网卡模拟所述PTP协议报文以获取时间戳，通过chronyd时间同步软件将该时间戳同步至所述虚拟机的系统时间。

10.一种云平台，其特征在于，包括一个或者多个PTP时钟源服务器、物理交换机、节点服务器，所述节点服务器关联一个或者多个虚拟机，并设有虚拟交换机和SDN控制器，所示PTP时钟源服务器与所述物理交换机连接以传输PTP协议报文，所述物理交换机与所述虚拟交换机连接，以在所述SDN控制器的控制下向所述虚拟机传输PTP协议报文；所述云平台通过执行如权利要求1-9任一项所述的虚拟机的时钟同步方法以同步所述虚拟机的系统时间。

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