CN114244466B - RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法，属于分布式实时计算和RapidIO技术领域。该技术方案采用维护读事件测定系统的传输延迟，以广播方式发送同步时间信息，各端节点根据传输延迟、接收到的时间信息以及本地时间信息，计算端节点的时间漂移值，并以此调整本地时钟计时频率，实现分布式系统的全局时间同步。本发明通过RapidIO协议的维护读和广播功能获取系统同步时间信息，采用分布式无主控的内时钟同步机制实现全局时间同步，该方式无需更改RapidIO协议的底层结构，实现方式简单可靠，具备一定的拜占庭错误容忍能力。

Description

RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法及系统

技术领域

本发明属于分布式实时计算和RapidIO技术领域，尤其涉及一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法及系统。

背景技术

RapidIO是一种具备高带宽、低延时及高可靠特征的通信网络，在分布式计算机系统中有广泛的应用。近年来，分布式计算机系统的实时性得到越来越多的关注，同步的全局时间是保证系统实时性的基本条件。这就要求RapidIO网络提供准确的全局同步时间，而RapidIO本身作为异步通信网络，主要的通信方式是事件触发，缺乏全局时间同步的功能。

现有网络系统时间同步机制有多种，如IEEE1588时间同步协议或者时间触发协议TTP等，通过在网络系统中定制若干的时钟服务器，并执行相应的时间同步算法，提供相对准确的全局同步时钟。此类时间同步机制，均要求各网络节点从物理层开始实现时钟同步协议，实现难度大、成本高。同时，其设计重点为保证通信协议的可靠性、容错能力和同步精度，会极大的降低RapidIO网络的传输效率，难以直接应用到RapidIO网络系统。

在分布式嵌入式计算系统中，也有采用授时的方法实现时间同步。通过专门的时间网关周期性的从外部时间源（如GPS或原子钟等）获取外部系统时间，并由时间网关向系统内的其他组件进行广播，以此实现全局时间同步。这种单向非对称的外时钟同步方法，依赖于外部时间源以及时间网关，且难以解决分布式系统内节点间的时间漂移的问题。

RapidIO网络系统的时间同步问题，也有人提出相应的解决方案，其方案采用集中式主控的同步方式，从外部时钟源获取全局时钟或由某一主控单元发起系统时钟同步，且采用状态校正的方式直接修改本地时间，容易造成时间上的不连续点，甚至是时间倒退的情况。

综上所述，针对RapidIO网络系统的分布式无主控的内时钟同步机制的问题，尚未提出有效的解决方案。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法，解决现有的方法各个端节点时钟同步效率低的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：

提供一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法，所述RapidIO网络系统包含若干RapidIO交换机及n个端节点，且，端节点n≥4，每个端节点包含1个时间同步端口，所述RapidIO网络系统的时间同步周期为T，所述方法包括：

S101:在RapidIO网络完成系统初始化后，每个所述端节点通过自己的时间同步端口，广播所述时间同步端口的ID号；每个端节点获取其他端节点的RapidIO网络ID号后，按照ID号从小到大的方式排列为的端节点集合；

各端节点从RapidIO网络系统内的端节点获取时间信息，记为，并进行本地节点的时间同步，记为/>；

S102:本地节点j向端节点i发起维护读事件，读取所述端节点i的ID号，并记录维护读事件发起的时刻，获得端节点i的ID号的时刻为/>，计算本地节点j到端节点i的传输延时，即为，/>，若i=j时，/>，标记/>；

S103:每个所述端节点按照同步周期T，广播自己的时间信息，广播包的负载中包含当前时刻的时间信息，所述本地节点j接收到其他端节点i的时间信息时，并标记为，接收到时间信息广播包的本地时刻为/>，若i=j时，标记/>；

计算本地节点j相对端节点i的漂移时间，即为，，

当时，即为，所述本地节点j时间相对端节点i时间快；

当时，说明本地节点/>时间相对端节点/>时间慢；

当时，/>；

S104: 确定所述本地节点j的平均漂移时间，，/>，L是/>为最大值对应的端节点的标号，M是/>为最小值对应的端节点的标号，其中，和/>为/>中的最大值和最小值，即为，当/>，所述本地节点j的系统时间较快，需要调慢；当/>，即为所述本地节点j的系统时间较慢，需要调快；

S105:采用速率校正法调整所述本地节点j的计时频率，使RapidIO网络系统的时间同步，且所述本地节点j原计时频率为，调整后计时频率为/>，频率调整满足：。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

本案所提供方法，在不改变RapidIO协议结构的基础上，提供一种不依赖于外部时钟源的内时钟同步机制，采用分布式无主控的同步方式实现系统的全局时间同步，考虑数据传输的延时，且具备一定的拜占庭错误容忍能力，且采用速率校正调整本地时间，时间连续性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种RapidIO网络系统组成图；

图2为本发明实施例的一种分布式时间同步方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所述的RapidIO网络系统组成图，RapidIO网络系统包括3个RapidIO交换机SW1、SW2和SW3组成的交换结构，以及n（n≥4）个连接到RapidIO交换结构上的端节点。该实施例中RapidIO网络采用小地址模式，最多可以有256个端节点，即。该实施例中端节点包括CPU、DSP或FPGA中的一种或多种，端节点都至少具备1个RapidIO端口，且具备对时间同步信息进行存储和计算的能力。该实施例中每个端节点具备1个RapidIO端口，该RapidIO端口作为端节点的时间同步接口，用于接收-发送系统的时间同步消息。

如图2所示为本发明实施例的一种分布式时间同步方法流程图。该实施例中使用该分布式时间同步方法流程，对图1所描述的RapidIO网络系统进行时间同步。该实施例中时间同步周期为T，计时精度为1μs，同步方法具体如下：

步骤1：RapidIO网络完成系统初始化后，包括完成链路配置、路由配置、系统初始时间t0或系统零时刻的配置等，初始化方式可以是基于配置蓝图的静态配置或者是动态配置方法。各端节点通过自己的时间同步端口，广播时间同步端口的ID号。各端节点获取其他端节点的RapidIO网络ID号后，按照ID（包含自己的ID号）从小到大的方式排列为的端节点集合。各端节点以此顺序进行从RapidIO网络系统内的端节点（描述为端节点/>)）获取时间信息，并进行本地（描述为本地节点/>)）的时间同步。

步骤2：本地节点j向端节点i发起维护读事件，读取端节点i的ID号，并记录维护读事件发起的时刻，获得端节点i的ID号的时刻为/>，计算本地节点j到端节点i的传输延时。若/>时，/>，标记/>。实施例中仅在RapidIO网络系统完成初始化之后获取一次传输延迟/>，后续同步周期内不再执行。

步骤3：每个端节点按照同步周期T，广播自己的时间信息，广播包的负载中包含当前时刻的时间信息，时间信息字段为5字节，可以提供300天的计时长度，可满足大多数分布式计算系统。端节点广播时间信息的方式采用NWRITE事务，为防止广播时造成系统拥塞，各端节点i在同步周期的时刻广播自己的时间信息。本地节点j接收到其他端节点i的时间信息，标记为/>，接收到时间信息广播包的本地时刻为/>。若/>时，标记/>。

步骤4：计算本地节点j相对端节点i的漂移时间，具体的：

在CPU或DSP等类型的端节点在时间同步周期内采用轮询的方式获取和/>采用软件进行计算，在FPGA类型的端节点中需要设计端门的逻辑功能单元进行计算。当/>，说明本地节点/>时间相对端节点/>时间快；当/>，说明本地节点j时间相对端节点i时间慢；当/>时，/>。

步骤5：计算本地节点j的平均漂移时间，，/>，其中，/>和/>为/>中的最大值和最小值，L是/>为最大值对应的端节点的标号，M是/>为最小值对应的端节点的标号，即为，取出最大值和最小后进行加权平均，目的：可以容忍其中一个节点出现拜占庭错误。进而当/>，说明该本地节点j的系统时间较快，需要调慢；当/>，说明本地节点/>的系统时间较慢，需要调快。

步骤6：确定调整频率的方法，如，采用速率校正的方式调整本地节点j的计时频率，实现RapidIO网络系统的时间同步，本地节点j原计时频率为，调整后计时频率为/>，频率调整公式为/>。(快、慢通用)CPU或DSP等类型端节点采用内部定时器timer进行计时，在进行速率校正时需要按照同步结果修订定时器timer的分频配置参数；FPGA等类型端节点提供对外部晶振进行分频的方式产生内部微节拍进行计时，在进行速率校正时需要按照同步结果修订分频参数，调整微节拍的频率。

本发明提供一种RapidIO网络系统的分布式时间同步方法，采用维护读事件测定系统的传输延迟，以广播方式发送同步时间信息，各端节点根据传输延迟、接收到的时间信息以及本地时间信息，计算端节点的时间漂移值，并以此调整本地时钟计时频率，实现分布式系统的全局时间同步。通过RapidIO协议的维护读和广播功能获取系统同步时间信息，采用分布式无主控的内时钟同步机制实现全局时间同步，该方式无需更改RapidIO协议的底层结构，实现方式简单可靠，具备一定的拜占庭错误容忍能力。

另一方面提供一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的系统，RapidIO网络系统包含若干RapidIO交换机及n个端节点，且，端节点n≥4，每个端节点包含1个时间同步端口，RapidIO网络系统的时间同步周期为T，系统包括：

获取模块，其用于在RapidIO网络完成系统初始化后，每个，端节点通过自己的时间同步端口，广播，时间同步端口的ID号；每个端节点获取其他端节点的RapidIO网络ID号后，按照ID号从小到大的方式排列为的端节点集合；

各端节点从RapidIO网络系统内的端节点获取时间信息，记端节点为i，，并进行本地节点的时间同步，记本地节点为j，/>；

计算模块，其用于在，本地节点j向端节点i发起维护读事件，读取，端节点i的ID号，并记录维护读事件发起的时刻，获得端节点i的ID号的时刻为/>，计算本地节点j到端节点i的传输延时，即为，/>，若i=j时，/>，标记/>；

每个，端节点按照同步周期T，广播自己的时间信息，广播包的负载中包含当前时刻的时间信息，本地节点j接收到其他端节点i的时间信息时，并标记为，接收到时间信息广播包的本地时刻为/>，若i=j时，标记/>；

计算本地节点j相对端节点i的漂移时间，即为，，

当时，即为，本地节点j时间相对端节点i时间快；

当时，说明本地节点/>时间相对端节点/>时间慢；

当时，/>；

确定本地节点j的平均漂移时间，，/>，其中，/>和/>为/>中的最大值和最小值，当/>，即为，本地节点j的系统时间较快，需要调慢；当/>，即为，本地节点j的系统时间较慢，需要调快；

采用速率校正法调整，本地节点j的计时频率，使RapidIO网络系统的时间同步，且，本地节点j原计时频率为，调整后计时频率为/>，频率调整满足：/>。

上述的，端节点为RapidIO网络系统中具备计时功能和计算功能的处理器节点，处理器至少包括CPU和DSP，并且，时间同步接口为端节点接收发送时间同步消息的RapidIO端口，若端节点具备多个RapidIO端口，则任选一个作为时间同步端口。

以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的方法，其特征在于，所述RapidIO网络系统包含若干RapidIO交换机及n个端节点，且，端节点n≥4，每个端节点包含1个时间同步端口，所述RapidIO网络系统的时间同步周期为T，所述方法包括：

S101:在RapidIO网络完成系统初始化后，每个所述端节点通过自己的时间同步端口，广播所述时间同步端口的ID号；每个端节点获取其他端节点的RapidIO网络ID号后，按照ID号从小到大的方式排列为的端节点集合；

各端节点从RapidIO网络系统内的端节点获取时间信息，记端节点为i，，并进行本地节点的时间同步，记本地节点为j，/>；

S102:本地节点j向端节点i发起维护读事件，读取所述端节点i的ID号，并记录维护读事件发起的时刻，获得端节点i的ID号的时刻为/>，计算本地节点j到端节点i的传输延时/>，即为，/>，若i=j时，/>，标记/>；

S103:每个所述端节点按照同步周期T，广播自己的时间信息，广播包的负载中包含当前时刻的时间信息，所述本地节点j接收到其他端节点i的时间信息时，并标记为，接收到时间信息广播包的本地时刻为/>，若i=j时，标记/>；

计算本地节点j相对端节点i的漂移时间，即为，，

当时，即为，所述本地节点j时间相对端节点i时间快；

当时，说明本地节点/>时间相对端节点/>时间慢；

当时，/>；

S104:确定所述本地节点j的平均漂移时间，，/>，L是/>为最大值对应的端节点的标号，M是/>为最小值对应的端节点的标号，其中，和/>为/>中的最大值和最小值，即为，当/>，所述本地节点j的系统时间较快，需要调慢；当/>，即为所述本地节点j的系统时间较慢，需要调快；

S105:采用速率校正法调整所述本地节点j的计时频率，使RapidIO网络系统的时间同步，且所述本地节点j原计时频率为，调整后计时频率为/>，频率调整满足： 。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端节点为RapidIO网络系统中具备计时功能和计算功能的处理器节点，所述处理器至少包括CPU和DSP。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间同步接口为端节点接收发送时间同步消息的RapidIO端口，若端节点具备多个RapidIO端口，则任选一个作为时间同步端口。

4.一种RapidIO网络系统的分布式时间同步的系统，其特征在于，所述RapidIO网络系统包含若干RapidIO交换机及n个端节点，且，端节点n≥4，每个端节点包含1个时间同步端口，所述RapidIO网络系统的时间同步周期为T，所述系统包括：

获取模块，其用于在RapidIO网络完成系统初始化后，每个所述端节点通过自己的时间同步端口，广播所述时间同步端口的ID号；每个端节点获取其他端节点的RapidIO网络ID号后，按照ID号从小到大的方式排列为的端节点集合；

各端节点从RapidIO网络系统内的端节点获取时间信息，记端节点为i，，并进行本地节点的时间同步，记本地节点为j，/>；

计算模块，其用于在所述本地节点j向端节点i发起维护读事件，读取所述端节点i的ID号，并记录维护读事件发起的时刻，获得端节点i的ID号的时刻为/>，计算本地节点j到端节点i的传输延时，即为，/>，若i=j时，/>，标记/>；

每个所述端节点按照同步周期T，广播自己的时间信息，广播包的负载中包含当前时刻的时间信息，所述本地节点j接收到其他端节点i的时间信息时，并标记为，接收到时间信息广播包的本地时刻为/>，若i=j时，标记/>；

计算本地节点j相对端节点i的漂移时间，即为，，其中，

当时，即为，所述本地节点j时间相对端节点i时间快；

当时，说明本地节点/>时间相对端节点/>时间慢；

当时，/>；

确定所述本地节点j的平均漂移时间，/>，其中，和/>为/>中的最大值和最小值，当/>，即为，所述本地节点j的系统时间较快，需要调慢；当/>，即为所述本地节点j的系统时间较慢，需要调快；

采用速率校正法调整所述本地节点j的计时频率，使RapidIO网络系统的时间同步，且所述本地节点j原计时频率为，调整后计时频率为/>，频率调整满足：。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述端节点为RapidIO网络系统中具备计时功能和计算功能的处理器节点，所述处理器至少包括CPU和DSP。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述时间同步接口为端节点接收发送时间同步消息的RapidIO端口，若端节点具备多个RapidIO端口，则任选一个作为时间同步端口。