CN116232512A - 一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法 - Google Patents

一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法 Download PDF

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罗泽雄
曲国远
王智宇
严龙
孙雷
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Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，包括以主节点为根节点的网络拓扑上，从节点和/或备份主节点向主节点发送同步帧，主节点对接收到的同步帧进行固化处理，计算得到固化时刻点，将固化时刻点封装在新的同步帧中，发送新的同步帧到从节点和/或备份主节点。在建立同步阶段结束后，主节点以发回给从节点和/或备份主节点发来的第一个同步帧的固化时刻点为开启时刻，周期性的发送同步帧到从节点和/或备份主节点，该方法能够为时间同步网络提供高精度的时间同步服务和基于备份主时钟的容错时间同步服务。

Description

一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法。
背景技术
美国汽车工业协会推出的SAE AS6802标准为时间触发以太网(Time-TriggedEthernet，TTE)规定了分布式时间同步协议。SAE AS6802标准规定了3种不同的同步角色，分别是同步主控器(Synchronization Master，SM)、同步客户端(SynchronizationClient，SC)和压缩主控器(Compression Master，CM)。端系统一般配置为SM和SC，交换机一般配置为CM。同一个同步域内的相同同步优先级的同步节点(SM、SC和CM)组成一个集群(cluster)。SAE AS6802标准规定了两步时间同步方法。第一步，SM在同步周期开启时刻向集群内的CM发送协议控制帧(protocol control frame，PCF)请求同步，该PCF帧携带透明时钟信息；第二步，CM提取PCF帧的透明时钟信息，并执行固化算法得到固化时刻点，然后采用容错平均算法压缩来自本集群内的所有SM发来的PCF帧的固化时刻点，得到压缩时刻点。CM依据压缩时刻点得到派发时刻点，并在派发时刻点发送压缩后的PCF到SM和SC中。SM和SC固化CM发来的PCF帧，然后将PCF帧的固化时刻点与预期时刻点进行比较，得到本地时钟的时钟校正因子，用于调整本地时钟。CM也通过压缩时刻点与本地时钟定义的预期时刻点进行计算，并执行本地时钟校正操作，从而完成集群内所有同步节点的时间同步操作。
美国电气与电子工程师协会推出的IEEE802.1AS-2020标准为时间敏感网络(Time-Sensitive Network，TSN)提供了时间同步方法。IEEE802.1AS-2020协议规定了主从式时间同步协议。主从式时间同步协议分为两个阶段进行：时钟偏移测量阶段和路径延迟测量阶段。第一阶段测量主从时钟之间的时间偏差，称为时钟偏移测量阶段。第一步：主时钟按照预先设定的时间间隔周期性地向各个从时钟发同步帧，同步帧携带离开主时钟的时间的估计值，从时钟记录接收同步帧的准确时间为t2。第二步：主时钟广播形式发送跟随报文，此报文与同步帧相关联，且包含同步帧发送到通信路径时的精确时间戳t0，从时钟接收跟随帧并得到时间戳t0的值。同步过程的第二个阶段是延迟测量阶段，测量主从时钟之间的路径传输延迟。首先从时钟向主时钟发送延迟请求报文，并标记准确发送时间戳t4；主时钟接收延迟请求报文，标记准确的接收时间戳t5，并将该时间戳值写入之后发送的延迟应答帧中。其次，主时钟向从时钟发送延迟应答帧，从时钟接收延迟应答帧，解析获取t5的值。根据t0和t2，结合t4和t5，计算从时钟与主时钟之间的网络传输延迟。
在TTE网络中，SM的同步状态机累计有8个同步状态，而CM的同步状态机累计有6个同步状态，SC的同步状态机累计有3个同步状态。作为网络全局时钟基准的时间来源，SM的状态机过于复杂，从冷启动开始，需要与CM之间需要进行累计3轮次的同步帧交互才能进入正常同步状态，耗时较长。在TSN网络中，一个域内只有一个主时钟，主时钟周期性发送时间同步报文对从时钟进行授时，而从时钟也发送同步测量帧对路径延迟进行测量。由于往返路径延迟不对等，因而取平均值的操作会引入路径测量的不确定性，进而导致时钟精度下降。此外，网络中只有一个主时钟，当主时钟发生故障时，各个时钟执行最佳主时钟算法选取新的主时钟。将导致网络中有一段时间没有主时钟，网络同步节点丢失同步，可能导致时间关键性报文的确定性合实时性，进而导致网络出现丢包等其他类型故障。为了实现高精度的时间同步，降低网络时间同步的通信开销，同时提高时间同步的可靠性，本发明提出一种高精度主从式时间同步方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，用以解决高精度的时间同步问题，同时保证网络时间同步的可靠性，减少时间同步的复杂度。
本发明的技术方案：
一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，所述方法包括：
建立同步阶段：
步骤一，从节点和/或备份主节点在冷启动或者重新请求建立同步后，派发同步帧到网络中的主节点；
步骤二，主节点接收到从节点和/或备份主节点发来的同步帧，对该同步帧进行固化处理，然后以从节点和/或备份主节点发来的同步帧的固化时刻点作为派发时刻点，将固化时刻点作为时间戳封装到同步帧并派发到从节点和/或备份主节点中；
步骤三，从节点和/或备份主节点计算得到主校正因子和次校正因子；将两个校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟；
维持同步阶段：
步骤四：在建立同步阶段结束时，主节点以发给从节点和/或备份主节点的第一个同步帧的派发时刻作为开始时刻，每隔一个同步周期派发同步帧到从节点和/或备份主节点中；
步骤五：从节点和/或备份主节点计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)一个有能力对网络其他节点进行授时同步的高精度时钟源同步节点，作为主节点；网络中主节点按优先级次序进行划分，以当前网络中级数最高的主节点为当前主节点；在网络正常运行时，除了主节点以外的所有同步节点只接受当前主节点的时钟源信息来校正自身的本地时钟，其余主节点执行热备份的时间同步操作，作为备份主节点；
每个备份主节点只接收来自当前主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，不接收其他备份主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，如果当前主节点出现故障或不再起作用时，那么当前级数最高的备份主节点递补成为当前主节点；
(2)一个用于接收主节点发来的同步帧，依据同步帧中包含的主节点的时间同步信息进行时间同步操作的同步节点，作为从节点；
在网络正常运行时，从节点也接收来自备份主节点的同步帧，但仅采用当前主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，不采用备份主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，仅做热备份处理；如果当前主节点出现故障、或断电、或者不再起作用时，从节点将采用来自最高级数的备份主节点的同步帧的时间信息来校正本地时钟，并将同步故障信息上报给网络中的所有备份主节点。
(3)所述主节点的定时精度应高于网络内部的其余从节点的定时精度，所述主节点的总数至少为2个。
(4)根据距离主节点Mp的跳数远近来对同步节点进行网络层级Level＝{l0，l1，l2，…，lk}的划分；
将主节点作为整个交换式网络中所有同步节点的根节点，在层级上记为l0级；位于任一主节点Mp的属于lk级的同步节点SD记为
Figure BDA0003860594140000041
角标k表示层级；
每个主节点定期更新维护以自身为根节点的网络拓扑。
(5)步骤三中，
从节点和/或备份主节点提取主节点发来的同步帧中封装的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主校正因子；并对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
(6)步骤五具体为：
从节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟；如果主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在从节点设置的时间窗内，则以落在时间窗内的级数最高的主节点发来的同步帧的固化时刻点来校正本地时钟；
备份主节点对当前主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟；如果当前主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在备份主节点设置的时间窗内，则当前备份主节点向网络内级数最高的主节点请求建立同步操作。
(7)在维持同步阶段，以主节点Mp为根节点的网络拓扑中，从节点和/或备份主节点预先设置的任意一个预期固化时刻的两边各开一个观测窗口，长度为δ，形成以预期固化时刻为中心的时间窗，因此一个时间窗的长度TW＝2×δ。
本发明适用于多主时钟的时间同步网络的主从式时间同步，方法的优点在于：
(1)本发明方法充分考虑到网络时间同步特性，提供主从式的时间同步方法适用于以星形、环形等多种拓扑连接的交换式网络。
(2)本发明方法考虑到路径延迟的特征，提供的同步方法能够实现高精度的路径延迟测量，消除了同步往返路径延迟的不对等性和引入的不确定性，提高了时间同步的精度。
(3)本发明方法考虑到网络时间同步机制的复杂性，提出两步的主从式时间同步操作，简化了同步节点冷启动后建立同步操作，缩减了同步节点冷启动的时间，同时又保证主从式节点之间建立同步后本地时钟具有非常高的时间精度。
(4)本发明方法提供的两阶段主从式时间同步方法，当前主节点向所有备份主节点和从节点授时同步，提高时间同步的精确度，同时主节点采用周期性单步授时操作降低了通信开销，并采用基于备份主时钟的热备份机制提高网络从节点的时间同步机制的可靠性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的网络物理拓扑示意图；
图2是以主节点M1为根节点的树状网络拓扑；
图3是以主节点M2为根节点的树状网络拓扑；
图4是当前主节点与其他同步节点时间同步的帧交互图；
图5是备份主节点与其他从节点时间同步的帧交互图；
图6是本发明提出的一种适用于时间同步网络的基于备份主时钟的主从式时间同步方法。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
在本发明中，一个有能力对网络其他节点进行授时同步的高精度时钟源同步节点，简称为主节点。网络中主节点按优先级次序进行划分，以当前网络中级数最高的主节点为当前主节点。在网络正常运行时，除了主节点以外的所有同步节点只接受当前主节点的时钟源信息来校正自身的本地时钟。其余主节点执行热备份的时间同步操作，简称为备份主节点。
在本发明中，每个备份主节点只接收来自当前主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，不接收其他备份主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，如果当前主节点出现故障或不再起作用时，那么当前级数最高的备份主节点递补成为当前主节点。
在本发明中，一个用于接收主节点发来的同步帧，依据同步帧中包含的主节点的时间同步信息进行时间同步操作的同步节点，简称为从节点。在网络正常运行时，从节点也接收来自备份主节点的同步帧，但仅采用当前主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，不采用备份主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，仅做热备份处理。如果当前主节点出现故障、或断电、或者不再起作用时，从节点将采用来自最高级数的备份主节点的同步帧的时间信息来校正本地时钟，同时将同步故障信息上报给网络中的所有备份主节点。
在本发明中，当前主节点定期发送同步帧给所有的从节点和备份主节点，每个备份主节点定期发送同步帧给所有的从节点。例如，图1所示的是时间同步网络的物理连接拓扑。
在本发明中，所述时间同步网络中的网络节点要么是主节点，要么是从节点，即网络中所有的节点均参与时间同步操作。
在本发明中，主节点的定时精度应高于网络内部的其余从节点的定时精度，主节点的总数通常至少有2个或者2个以上。
在本发明中，在时间同步网络的物理拓扑中，包括有多个同步节点，采用集合形式记为SD＝{M1,M2,M3,...,Mp,S1,S2,S3,…,Sq}，M1表示属于SD中的第一个主节点，M2表示属于SD中的第二个主节点，M3表示属于SD中的第三个主节点，Mp表示属于SD中的最后一个主节点，角标p表示属于SD中主节点的标识号，为了方便说明，Mp也表示属于SD中的任意一个主节点；S1表示属于SD中的第一个从节点，S2表示属于SD中的第二个从节点，S3表示属于SD中的第三个从节点，Sq表示属于SD中的最后一个从节点，角标q表示属于SD中从节点的标识号，为了方便说明，Sq也表示属于SD中的任意一个从节点。
在本发明中，按照优先级次序对主节点进行标识，即M1表示属于第一级主节点，M2表示第二级主节点，M3表示第三级主节点，Mp表示最后一级主节点，角标p表示第p级主节点的标识号。在本发明中，以当前活跃的级数最高的主节点为当前主节点，其余主节点为备份主节点。
在本发明中，根据距离主节点Mp的跳数Hops远近来对同步节点进行网络层级Level＝{l0，l1，l2，…，lk}的划分。在本发明中，将主节点作为整个交换式网络中所有同步节点的根节点，在层级上记为l0级，记为
Figure BDA0003860594140000071
位于任一主节点Mp的属于lk级的同步节点SD记为/>
Figure BDA0003860594140000072
角标k表示层级，为了方便说明，lk表示任意层级。每个主节点定期更新维护以自身为根节点的网络拓扑。
如图2所示，以当前主节点M1为根节点建立树状网络拓扑，备份主节点M2、从节点S1和S2都向当前主节点M1请求时间同步，则有：
主节点M1属于l0级的网络拓扑根节点，记为
Figure BDA0003860594140000073
距离当前主节点M1单跳路径的从节点S1记为l1级的从节点
Figure BDA0003860594140000074
距离当前主节点M1的单跳路径的从节点S2记为l1级的从节点/>
Figure BDA0003860594140000081
距离当前主节点M1双跳路径的备份主节点M2记为l2级的备份主节点
Figure BDA0003860594140000082
如图3所示的是以主节点M2为根节点建立树状网络拓扑，从节点S1和S2也向备份主节点M2请求时间同步，则有：
主节点M2属于l0级的网络拓扑根节点，记为
Figure BDA0003860594140000083
距离备份主节点M2单跳路径的从节点S1记为l1级的从节点
Figure BDA0003860594140000084
距离备份主节点M2单跳路径的从节点S2记为l1级的从节点/>
Figure BDA0003860594140000085
在本发明中，当前主节点不向备份主节点请求时间同步操作。
在本发明中，时间同步周期Tsync的定义可以参照SAE AS6802标准协议的集成周期(Integration Cycle)。每个时间同步周期Tsync的0时刻记为同步周期开启时刻。在所述同步周期开启时刻，当前主节点派发同步帧给备份主节点和从节点进行授时同步操作，备份主节点派发同步帧给从节点进行授时同步操作。
在本发明中，由于每个从节点和/或备份主节点建立时间同步的时刻不一定相同，因而每个从节点和/或备份主节点的同步周期开启时刻也不一定相同。
在本发明中，参照SAE AS6802标准协议，派发时刻
Figure BDA0003860594140000086
是指一个同步节点SD向另一个同步节点派发同步帧的时刻。
在本发明中，时间同步操作分为两个阶段，第一阶段是建立同步阶段，第二阶段是维持同步阶段。
在本发明中，在建立同步阶段，每个从节点发送同步帧到所有主节点中，主节点收到同步帧后，发送新同步帧到每个从节点，每个从节点依据同步帧中的信息校正本地时钟，至此，每个从节点与各个主节点建立起同步。在建立同步阶段，每个备份主节点发送同步帧到当前主节点中，当前主节点收到同步帧后，发送新同步帧到每个备份主节点，当前主节点收到同步帧后发送新同步帧到每个备份主节点，每个备份主节点依据同步帧中的信息校正本地时钟，至此，每个备份主节点与当前主节点建立起同步。
在本发明中，在维持同步阶段，主节点以建立同步阶段发回给各个从节点的同步帧的派发时刻起，每隔一个同步周期，发送同步帧到各个从节点中；在维持同步阶段，当前主节点以建立同步阶段发回给各个备份主节点的同步帧的派发时刻起，每隔一个同步周期，发送同步帧到各个备份主节点中。
在本发明中，参照SAE AS6802标准协议，时间同步精度δ是指在一个时间同步周期里任意两个同步节点的本地时钟之间的最大差值。
在本发明中，单跳最大传输延迟SHWD的定义可以参照SAE AS6802标准协议的最大传输延迟。网络中任意一个同步节点传输同步帧到任意一个邻接节点，直到该邻接节点完成对同步帧的固化操作之后，该同步帧中透明时钟累计值的最大值，称为单跳最大传输延迟SHWD。
在本发明中，网络中的同步节点可以参照SAE AS6802标准协议对同步帧执行透明时钟机制操作。
在本发明中，参考SAE AS6802标准或者IEEE 802.1 AS-2020，同步帧
Figure BDA0003860594140000091
是指以任一主节点Mp为根节点的网络拓扑上属于lk级的同步节点
Figure BDA0003860594140000092
向该主节点Mp发送的包含透明时钟信息的数据帧。所述同步帧/>
Figure BDA0003860594140000093
中的下角标箭头之前的SD表示同步帧的发送端节点的身份标识，下角标箭头之后的SD表示同步帧的发送端同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000094
表示以主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的从节点S2向主节点M1发送的同步帧。
在本发明中，参考SAE AS6802标准或者IEEE 802.1 AS-2020，同步帧
Figure BDA0003860594140000095
是指以任一主节点Mp为根节点的网络拓扑上主节点Mp向属于lk级的同步节点/>
Figure BDA0003860594140000096
发送的包含透明时钟信息的数据帧。所述同步帧/>
Figure BDA0003860594140000101
中的下角标箭头之前的SD表示同步帧的发送端节点的身份标识，下角标箭头之后的SD表示同步帧的接收端同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000102
表示以主节点M1为根节点的网络拓扑上主节点M1向属于l1级的从节点S2发送的同步帧。
在本发明中，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上的属于lk级的任意一个从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000103
依据SAE AS6802标准对主节点Mp发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000104
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA0003860594140000105
的固化时刻记为/>
Figure BDA0003860594140000106
所述固化时刻
Figure BDA0003860594140000107
中的下角标SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000108
表示以主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的从节点S1对主节点M1发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000109
进行固化处理得到的固化时刻。
在本发明中，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上的任意一个主节点
Figure BDA00038605941400001010
依据SAE AS6802标准对属于lk级的任意一个同步节点/>
Figure BDA00038605941400001011
同步帧/>
Figure BDA00038605941400001012
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001013
的固化时刻记为/>
Figure BDA00038605941400001014
所述固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001015
中的上角标SD表示同步节点的身份标识，SD即可以是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA00038605941400001016
表示以主节点M1为根节点的网络拓扑上主节点M1对属于l1级的从节点S1发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001017
进行固化处理得到的固化时刻。
在本发明中，在建立同步阶段以主节点Mp为根节点的网络拓扑上的属于lk级的任意一个从节点和/或备份主节点
Figure BDA00038605941400001018
发送同步帧/>
Figure BDA00038605941400001019
到主节点Mp中请求时间同步，该同步帧/>
Figure BDA0003860594140000111
的预期固化时刻记为/>
Figure BDA0003860594140000112
即以任一主节点Mp为根节点的网络拓扑上属于lk级的任意一个从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000113
预先设置的向主节点Mp发送的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000114
的预期固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000115
所述预期固化时刻
Figure BDA0003860594140000116
中的上角标SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000117
表示在建立同步阶段以主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的从节点S1的本地时钟预先设置的向主节点M1发送的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000118
的预期固化时刻。
在本发明中，在建立同步阶段主节点Mp接收到
Figure BDA0003860594140000119
级的任意一个从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001110
发送的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001111
后，以该同步帧/>
Figure BDA00038605941400001112
的固化时刻点为派发时刻点，派发新的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001113
到从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001114
则从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001115
预先设置的主节点Mp发送新的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001116
的预期固化时刻记为/>
Figure BDA00038605941400001117
所述预期固化时刻
Figure BDA00038605941400001118
中的上角标SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。如果SD是备份主节点，则Mp为当前主节点。
例如，
Figure BDA00038605941400001119
表示以当前主节点M1为根节点的网络拓扑上的属于l2级的备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001120
的本地时钟设置的当前主节点M1发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000121
的预期固化时刻。
在本发明中，主校正因子
Figure BDA0003860594140000122
是指在建立同步阶段，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上的属于lk级的从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000123
(当前主节点除外)计算自身预先设置的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000124
的固化时刻与预期固化时刻的差值，即
Figure BDA0003860594140000125
所述主校正因子/>
Figure BDA0003860594140000126
中的下角标/>
Figure BDA0003860594140000127
中的SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000128
表示位于主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的从节点S2计算自身的本地时钟预先设置的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000129
的固化时刻与预先固化时刻之间的差值。
在本发明中，次校正因子
Figure BDA00038605941400001210
是指在建立同步阶段，以主节点Mp生成的网络拓扑上的属于lk级的从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001211
(主节点除外)计算自身预先设置的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001212
的固化时刻与预先固化时刻之间的差值，即
Figure BDA00038605941400001213
所述次校正因子/>
Figure BDA00038605941400001214
中的下角标/>
Figure BDA00038605941400001215
中的SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。
例如，
Figure BDA00038605941400001216
表示位于主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的从节点S1计算自身的本地时钟预先设置的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001217
的固化时刻与预先固化时刻之间的差值。
在本发明中，时间校正因子
Figure BDA00038605941400001218
是指在维持同步阶段，每隔一个时间同步周期Tsync，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上的属于lk级的从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001219
计算主节点Mp发来的同步帧的预期调度时刻/>
Figure BDA00038605941400001220
与固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000131
之间的差值，即/>
Figure BDA0003860594140000132
所述时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000133
中的下角标/>
Figure BDA0003860594140000134
中的SD表示同步节点的身份标识，SD是从节点和/或备份主节点。
例如，
Figure BDA0003860594140000135
表示以当前主节点M1为根节点的网络拓扑上属于l1级的同步节点
Figure BDA0003860594140000136
计算主节点M1发来的同步帧的预期调度时刻/>
Figure BDA0003860594140000137
与固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000138
之间的差值。
在本发明中，参考SAE AS6802标准，在维持同步阶段，以主节点Mp为根节点的网络拓扑中，从节点和/或备份主节点预先设置的任意一个预期固化时刻
Figure BDA0003860594140000139
的两边各开一个观测窗口，长度为δ，形成以预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001310
为中心的时间窗TW，因此一个时间窗的长度为2×δ，即TW＝2×δ。
本发明提出了一种适用于多主时钟的时间同步网络的主从式时间同步方法，该方法包括以主节点为根节点的网络拓扑上，从节点和/或备份主节点向主节点发送同步帧，然后主节点对接收到的同步帧进行固化处理，计算得到固化时刻点，然后将固化时刻点封装在新的同步帧中，发送新的同步帧到从节点和/或备份主节点。当发送同步帧请求同步的节点是备份主节点时，此时接收同步帧的主节点是当前主节点。至此从节点和主节点之间、备份主节点和当前主节点之间都建立同步联系。在建立同步阶段结束后，主节点以发回给从节点和/或备份主节点发来的第一个同步帧的固化时刻点为开启时刻，周期性的发送同步帧到从节点和/或备份主节点。网络保持基于备份主时钟的高精度容错主从式的时间同步。一旦有网络节点与主节点失去同步，则重新开始建立同步阶段请求同步。
参见图6所示，一个基于备份主时钟的高精度主从式时间同步方法的处理包括有下列步骤：
第一阶段：建立同步阶段
步骤一：从节点和/或备份主节点在冷启动或者重新请求建立同步后，派发同步帧到网络中的主节点；
步骤二：主节点接收到从节点和/或备份主节点发来的同步帧，对该同步帧进行固化处理，然后以从节点和/或备份主节点发来的同步帧的固化时刻点作为派发时刻点，将固化时刻点作为时间戳封装到同步帧并派发到从节点和/或备份主节点中；
步骤三：从节点和/或备份主节点提取主节点发来的同步帧中的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主时间校正因子。同时对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次时间校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
经过建立同步阶段的操作后，备份主节点与主节点建立了时间同步，从节点与主节点和备份主节点建立了时间同步。
第二阶段：维持同步阶段
步骤四：在建立同步阶段结束时，主节点以发给从节点和/或备份主节点的第一个同步帧的派发时刻作为开始时刻，每隔一个同步周期派发同步帧到从节点和/或备份主节点中；
步骤五：从节点和/或备份主节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，然后将固化时刻点与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间同步因子，用于校正本地时钟。
在本发明中，采用步骤一至步骤五对时间同步网络的所有同步节点进行时间同步，最终达到网络内所有同步节点的时间同步。
本发明提出的一种适用于基于备份主时钟的主从式时间同步方法，能够为时间同步网络提供高精度的时间同步服务。
第一阶段：建立同步阶段
步骤一：从节点和/或备份主节点在冷启动或者重新请求建立同步后，派发同步帧到网络中的当前主节点；
在本发明中，时间同步网络以已经存在的级数最高的主节点为当前主节点，其余主节点为备份主节点。在冷启动或者重新请求建立同步后，每个从节点向各个主节点发送同步帧，请求建立同步；每个备份主节点向当前主节点发送同步帧，请求建立时间同步。
具体地说，属于lk级的从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000151
在冷启动或者重新请求建立同步后，派发同步帧/>
Figure BDA0003860594140000152
到主节点中，请求建立与主节点的时间同步。例如，时间同步网络中由如图1所示的4个同步节点组成，包含2个主节点和2个从节点。由于主节点M1的优先级比主节点M2的优先级高，因此以主节点M1为网络的当前主节点，主节点M2为备份主节点。
参见图1、图2、图4所示，在冷启动或者重新请求建立同步后，以主节点M1为根节点的网络拓扑上从节点
Figure BDA0003860594140000153
向主节点/>
Figure BDA0003860594140000154
发送同步帧/>
Figure BDA0003860594140000155
从节点
Figure BDA0003860594140000156
向主节点/>
Figure BDA0003860594140000157
发送同步帧/>
Figure BDA0003860594140000158
备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000159
向主节点
Figure BDA00038605941400001510
发送同步帧/>
Figure BDA00038605941400001511
参见图1、图3、图5所示，在冷启动或者重新请求建立同步后，以主节点M2为根节点的网络拓扑上从节点
Figure BDA00038605941400001512
向主节点/>
Figure BDA00038605941400001513
发送同步帧/>
Figure BDA00038605941400001514
从节点
Figure BDA00038605941400001515
向主节点/>
Figure BDA00038605941400001516
发送同步帧/>
Figure BDA00038605941400001517
步骤二：主节点接收到从节点和/或备份主节点发来的同步帧，对该同步帧进行固化处理，然后以从节点和或备份主节点发来的同步帧的固化时刻点作为派发时刻点，将固化时刻点作为时间戳封装到同步帧并派发到从节点和/或备份主节点中；
在本发明中，主节点接收来自从节点和/或备份主节点发来的同步帧，对该同步帧进行固化处理，得到该同步帧的固化时刻。每个备份主节点都向当前主节点发送同步帧，每个从节点都向备份主节点和当前主节点发送同步帧。
步骤201：主节点对从节点和/或备份主节点发来的同步帧进行固化处理，得到该同步帧的固化时刻；
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上，主节点
Figure BDA0003860594140000161
对属于lk级的从节点和/或备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000162
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000163
进行固化处理，即主节点/>
Figure BDA0003860594140000164
提取同步帧/>
Figure BDA0003860594140000165
中携带的透明时钟信息，并依据SAEAS6802标准中的固化方法进行处理，得到该同步帧/>
Figure BDA0003860594140000166
的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000167
例如，如图1、图2、图4所示，以主节点M1生成的网络拓扑上，
主节点
Figure BDA0003860594140000168
计算从节点/>
Figure BDA0003860594140000169
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001610
对该同步帧
Figure BDA00038605941400001611
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001612
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001613
主节点
Figure BDA00038605941400001614
计算从节点/>
Figure BDA00038605941400001615
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001616
对该同步帧
Figure BDA00038605941400001617
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001618
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001619
主节点
Figure BDA00038605941400001620
计算备份主点/>
Figure BDA00038605941400001621
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001622
对该同步帧/>
Figure BDA00038605941400001623
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001624
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001625
例如，如图1、图3、图5所示，以备份主节点M2为根节点的网络拓扑上，
主节点
Figure BDA00038605941400001626
计算从节点/>
Figure BDA00038605941400001627
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001628
对该同步帧
Figure BDA00038605941400001629
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001630
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001631
主节点
Figure BDA00038605941400001632
计算从节点/>
Figure BDA00038605941400001633
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001634
对该同步帧
Figure BDA00038605941400001635
进行固化处理，得到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001636
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001637
步骤202：主节点以从节点和或备份主节点发来的同步帧的固化时刻点作为派发时刻点，将固化时刻点作为时间戳封装到同步帧并派发到从节点(或备份主节点)中；
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上，主节点
Figure BDA0003860594140000171
以属于lk级的从节点和或备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000172
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000173
的固化时刻
Figure BDA0003860594140000174
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000175
封装到同步帧/>
Figure BDA0003860594140000176
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA0003860594140000177
到从节点和或备份主节点/>
Figure BDA0003860594140000178
例如，如图1、图2、图4所示，以主节点M1为根节点的网络拓扑上，
主节点
Figure BDA0003860594140000179
以属于l1级的从节点/>
Figure BDA00038605941400001710
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001711
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001712
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001713
封装到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001714
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA00038605941400001715
到从节点/>
Figure BDA00038605941400001716
主节点
Figure BDA00038605941400001717
以属于l1级的从节点/>
Figure BDA00038605941400001718
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001719
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001720
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001721
封装到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001722
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA00038605941400001723
到从节点/>
Figure BDA00038605941400001724
当前主节点
Figure BDA00038605941400001725
以属于lk级的备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001726
发来的同步帧
Figure BDA00038605941400001727
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001728
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001729
封装到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001730
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA00038605941400001731
到备份主节点/>
Figure BDA00038605941400001732
例如，如图1、图3、图5所示，以主节点M2为根节点的网络拓扑上，
主节点
Figure BDA00038605941400001733
以属于l1级的从节点/>
Figure BDA00038605941400001734
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001735
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001736
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001737
封装到同步帧/>
Figure BDA00038605941400001738
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA00038605941400001739
到从节点/>
Figure BDA00038605941400001740
主节点
Figure BDA0003860594140000181
以属于l1级的从节点/>
Figure BDA0003860594140000182
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000183
的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000184
作为派发时刻，同时将固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000185
封装到同步帧/>
Figure BDA0003860594140000186
中，然后派发同步帧/>
Figure BDA0003860594140000187
到从节点/>
Figure BDA0003860594140000188
步骤三：从节点和/或备份主节点提取主节点发来的同步帧中的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主时间校正因子。同时对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次时间校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
在本发明中，从节点提取主节点发来的同步帧中封装的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主时间校正因子。同时对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次时间校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
在本发明中，备份主节点提取当前主节点发来的同步帧中的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主时间校正因子。同时对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次时间校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
步骤301：从节点和/或备份主节点提取主节点发来的同步帧中的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主时间校正因子；
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp产生的网络拓扑上的属于lk级的从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000189
提取主节点Mp发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001810
中封装的固化时刻点
Figure BDA00038605941400001811
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001812
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400001813
即/>
Figure BDA00038605941400001814
例如，如图1、图2、图4所示，在以主节点M1为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA0003860594140000191
提取主节点/>
Figure BDA0003860594140000192
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000193
中封装的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000194
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000195
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000196
即/>
Figure BDA0003860594140000197
从节点
Figure BDA0003860594140000198
提取主节点/>
Figure BDA0003860594140000199
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001910
中封装的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001911
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001912
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400001913
即/>
Figure BDA00038605941400001914
备份主节点
Figure BDA00038605941400001915
提取当前主节点/>
Figure BDA00038605941400001916
同步帧/>
Figure BDA00038605941400001917
中封装的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001918
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001919
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400001920
即/>
Figure BDA00038605941400001921
例如，如图1、图3、图5所示，以主节点M2为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA00038605941400001922
提取主节点/>
Figure BDA00038605941400001923
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001924
中封装的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001925
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001926
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400001927
即/>
Figure BDA00038605941400001928
从节点
Figure BDA00038605941400001929
提取主节点/>
Figure BDA00038605941400001930
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400001931
中封装的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001932
并与自身预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA00038605941400001933
进行比较，计算得到主时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400001934
即/>
Figure BDA00038605941400001935
步骤302：从节点和/或备份主节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，获得固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次时间校正因子，然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，用于校正本地时钟；
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp产生的网络拓扑上属于lk级的从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000201
对主节点Mp发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000202
进行固化处理，获得同步帧
Figure BDA0003860594140000203
的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000204
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点
Figure BDA0003860594140000205
进行比较，计算得到次时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000206
且
Figure BDA0003860594140000207
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即/>
Figure BDA0003860594140000208
用于校正本地时钟
例如，如图1、图2、图4所示，在以主节点M1为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA0003860594140000209
对主节点/>
Figure BDA00038605941400002010
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002011
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002012
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002013
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002014
之间的差值，获得次时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002015
且
Figure BDA00038605941400002016
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即
Figure BDA00038605941400002017
用于校正本地时钟；
从节点
Figure BDA00038605941400002018
对主节点/>
Figure BDA00038605941400002019
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002020
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002021
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002022
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002023
之间的差值，获得次时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002024
且
Figure BDA00038605941400002025
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即
Figure BDA00038605941400002026
用于校正本地时钟；
备份主节点
Figure BDA00038605941400002027
对当前主节点/>
Figure BDA00038605941400002028
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002029
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002030
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002031
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA0003860594140000211
之间的差值，获得次时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000212
且
Figure BDA0003860594140000213
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即
Figure BDA0003860594140000214
用于校正本地时钟；
例如，如图1、图3、图5所示，以主节点M2为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA0003860594140000215
对主节点/>
Figure BDA0003860594140000216
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000217
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA0003860594140000218
的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000219
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002110
之间的差值，获得次时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002111
且
Figure BDA00038605941400002112
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即
Figure BDA00038605941400002113
用于校正本地时钟；
从节点
Figure BDA00038605941400002114
对主节点/>
Figure BDA00038605941400002115
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002116
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002117
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002118
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002119
之间的差值，获得次时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002120
且
Figure BDA00038605941400002121
然后将主时间校正因子和次时间校正因子进行累加，即
Figure BDA00038605941400002122
用于校正本地时钟；
第二阶段：维持同步阶段
步骤四：在建立同步阶段结束时，主节点以发给从节点和/或备份主节点的第一个同步帧的派发时刻作为开始时刻，每隔一个同步周期派发同步帧到从节点和/或备份主节点中；
在本发明中，以主节点为根节点的网络拓扑上，在从节点和/或备份主节点与主节点建立同步之后，主节点以发给从节点和/或备份主节点的第一个同步帧的派发时刻作为开始时刻，每隔一个同步周期派发同步帧到从节点和/备份主节点。保证从节点与各个主节点在建立同步之后，周期性维持同步；保证备份主节点与当前主节点在建立同步之后，周期性维持同步。
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，主节点Mp以发给lk级的任一从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000221
的第一个同步帧/>
Figure BDA0003860594140000222
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到从节点和/或备份主节点中。
例如，如图1、图2和图4所示，以当前主节点M1为根节点的网络拓扑上，
以当前主节点
Figure BDA0003860594140000223
为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，当前主节点/>
Figure BDA0003860594140000224
以发给l1级的从节点/>
Figure BDA0003860594140000225
的第一个同步帧/>
Figure BDA0003860594140000226
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到从节点中。
以当前主节点
Figure BDA0003860594140000227
为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，当前主节点/>
Figure BDA0003860594140000228
以发给l1级的从节点/>
Figure BDA0003860594140000229
的第一个同步帧/>
Figure BDA00038605941400002210
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到从节点中。
以当前主节点
Figure BDA00038605941400002211
为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，当前主节点/>
Figure BDA00038605941400002212
以发给l2级的备份主节点/>
Figure BDA00038605941400002213
的第一个同步帧/>
Figure BDA00038605941400002214
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到备份主节点中。
例如，如图1、图3和图5所示，以备份主节点M2为根节点的网络拓扑上，
以备份主节点
Figure BDA00038605941400002215
为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，备份主节点/>
Figure BDA00038605941400002216
以发给l1级的从节点/>
Figure BDA00038605941400002217
的第一个同步帧/>
Figure BDA00038605941400002218
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到从节点中。
以备份主节点
Figure BDA00038605941400002219
为根节点的网络拓扑上，在建立同步阶段结束后，备份主节点/>
Figure BDA00038605941400002220
以发给l1级的从节点/>
Figure BDA00038605941400002221
的第一个同步帧/>
Figure BDA00038605941400002222
的派发时刻为开始时刻，每隔一个同步周期Tsync派发同步帧到从节点中。
步骤五：从节点和/或备份主节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，然后将固化时刻点与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间同步因子，用于校正本地时钟。
在本发明中，从节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟。如果主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在从节点设置的时间窗内，则以落在时间窗内的级数最高的主节点发来的同步帧的固化时刻点来校正本地时钟。
在本发明中，备份主节点对当前主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟。如果当前主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在备份主节点设置的时间窗内，则当前备份主节点向网络内级数最高的主节点请求建立同步操作。
具体来讲，在本发明中，以主节点Mp产生的网络拓扑上的属于lk级的从节点和/或备份主节点
Figure BDA0003860594140000231
对主节点Mp发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000232
进行固化处理，计算得到固化时刻点/>
Figure BDA0003860594140000233
并与本地时钟预先设置的预期固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000234
进行比较，计算得到时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000235
即/>
Figure BDA0003860594140000236
例如，如图1、图2、图4所示，在以主节点M1为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA0003860594140000237
对主节点/>
Figure BDA0003860594140000238
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000239
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002310
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002311
并与本地时钟预先设置的预期固化时刻点
Figure BDA00038605941400002312
之间的差值，获得时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002313
且/>
Figure BDA00038605941400002314
用于校正本地时钟；
从节点
Figure BDA0003860594140000241
对主节点/>
Figure BDA0003860594140000242
发来的同步帧/>
Figure BDA0003860594140000243
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA0003860594140000244
的固化时刻/>
Figure BDA0003860594140000245
并与本地时钟预先设置的预期固化时刻点
Figure BDA0003860594140000246
之间的差值，获得时间校正因子/>
Figure BDA0003860594140000247
即/>
Figure BDA0003860594140000248
用于校正本地时钟；
备份主节点
Figure BDA0003860594140000249
对当前主节点/>
Figure BDA00038605941400002410
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002411
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002412
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002413
并与本地时钟预先设置的固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002414
之间的差值，获得时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002415
且
Figure BDA00038605941400002416
用于校正本地时钟；
例如，如图1、图3、图5所示，以主节点M2为根节点的网络拓扑上，
从节点
Figure BDA00038605941400002417
对主节点/>
Figure BDA00038605941400002418
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002419
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002420
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002421
并与本地时钟预先设置的预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002422
之间的差值，获得时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002423
且
Figure BDA00038605941400002424
用于校正本地时钟；
从节点
Figure BDA00038605941400002425
对主节点/>
Figure BDA00038605941400002426
发来的同步帧/>
Figure BDA00038605941400002427
进行固化处理，获得同步帧/>
Figure BDA00038605941400002428
的固化时刻/>
Figure BDA00038605941400002429
并与本地时钟预先设置的第二个预期固化时刻点/>
Figure BDA00038605941400002430
之间的差值，获得时间校正因子/>
Figure BDA00038605941400002431
且
Figure BDA00038605941400002432
用于校正本地时钟。
本发明实施例提供一种适用于时间同步网络的基于备份主时钟的主从时间同步方法，该方法包括以主节点为根节点的网络拓扑上，从节点和/或备份主节点向主节点发送同步帧，然后主节点对接收到的同步帧进行固化处理，计算得到固化时刻点，然后将固化时刻点封装在新的同步帧中，发送新的同步帧到从节点和/或备份主节点。当发送同步帧请求同步的节点是备份主节点时，此时接收同步帧的主节点是当前主节点。至此从节点和主节点之间、备份主节点和当前主节点之间都建立同步联系。在建立同步阶段结束后，主节点以发回给从节点和/或备份主节点发来的第一个同步帧的固化时刻点为开启时刻，周期性的发送同步帧到从节点和/或备份主节点。网络保持基于备份主时钟的高精度容错主从式的时间同步。一旦有网络节点与主节点失去同步，则重新开始建立同步阶段请求同步；能够实现高精度的路径延迟测量，消除了同步往返路径延迟的不对等性和引入的不确定性，提高了时间同步的精度；提出两步的主从式时间同步操作，简化了同步节点冷启动后建立同步操作，缩减了同步节点冷启动的时间，同时又保证主从式节点之间建立同步后本地时钟具有非常高的时间精度。

Claims (8)

1.一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，所述方法包括：
建立同步阶段：
步骤一，从节点和/或备份主节点在冷启动或者重新请求建立同步后，派发同步帧到网络中的主节点；
步骤二，主节点接收到从节点和/或备份主节点发来的同步帧，对该同步帧进行固化处理，然后以从节点和/或备份主节点发来的同步帧的固化时刻点作为派发时刻点，将固化时刻点作为时间戳封装到同步帧并派发到从节点和/或备份主节点中；
步骤三，从节点和/或备份主节点计算得到主校正因子和次校正因子；将两个校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟；
维持同步阶段：
步骤四：在建立同步阶段结束时，主节点以发给从节点和/或备份主节点的第一个同步帧的派发时刻作为开始时刻，每隔一个同步周期派发同步帧到从节点和/或备份主节点中；
步骤五：从节点和/或备份主节点计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟。
2.根据权利要求1所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，
一个有能力对网络其他节点进行授时同步的高精度时钟源同步节点，作为主节点；网络中主节点按优先级次序进行划分，以当前网络中级数最高的主节点为当前主节点；在网络正常运行时，除了主节点以外的所有同步节点只接受当前主节点的时钟源信息来校正自身的本地时钟，其余主节点执行热备份的时间同步操作，作为备份主节点；
每个备份主节点只接收来自当前主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，不接收其他备份主节点的同步帧来校正自身的本地时钟，如果当前主节点出现故障或不再起作用时，那么当前级数最高的备份主节点递补成为当前主节点。
3.根据权利要求2所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，一个用于接收主节点发来的同步帧，依据同步帧中包含的主节点的时间同步信息进行时间同步操作的同步节点，作为从节点；
在网络正常运行时，从节点也接收来自备份主节点的同步帧，但仅采用当前主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，不采用备份主节点发来的同步帧的时间信息校正本地时钟，仅做热备份处理；如果当前主节点出现故障、或断电、或者不再起作用时，从节点将采用来自最高级数的备份主节点的同步帧的时间信息来校正本地时钟，并将同步故障信息上报给网络中的所有备份主节点。
4.根据权利要求1所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，所述主节点的定时精度应高于网络内部的其余从节点的定时精度，所述主节点的总数至少为2个。
5.根据权利要求2所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，
根据距离主节点Mp的跳数远近来对同步节点进行网络层级Level＝{l0，l1，l2，…，lk}的划分；
将主节点作为整个交换式网络中所有同步节点的根节点，在层级上记为l0级；位于任一主节点Mp的属于lk级的同步节点SD记为
Figure QLYQS_1
角标k表示层级；
每个主节点定期更新维护以自身为根节点的网络拓扑。
6.根据权利要求5所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，步骤三中，
从节点和/或备份主节点提取主节点发来的同步帧中封装的固化时刻点，与本地时钟的第一个预期固化时刻点进行比较，计算得到主校正因子；并对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的第二个预期固化时刻点进行比较，计算得到次校正因子，将两个时间校正因子进行累加，得到新的时间校正因子校正本地时钟。
7.根据权利要求6所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，步骤五具体为：
从节点对主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟；如果主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在从节点设置的时间窗内，则以落在时间窗内的级数最高的主节点发来的同步帧的固化时刻点来校正本地时钟；
备份主节点对当前主节点发来的同步帧进行固化处理，得到固化时刻点，与本地时钟的预期固化时刻点进行比较，计算得到时间校正因子，用于校正本地时钟；如果当前主节点发来的同步帧的固化时刻点没有落在备份主节点设置的时间窗内，则当前备份主节点向网络内级数最高的主节点请求建立同步操作。
8.根据权利要求7所述的一种适用于时间同步网络的高精度主从式时间同步方法，其特征在于，在维持同步阶段，以主节点Mp为根节点的网络拓扑中，从节点和/或备份主节点预先设置的任意一个预期固化时刻的两边各开一个观测窗口，长度为δ，形成以预期固化时刻为中心的时间窗，因此一个时间窗的长度TW＝2×δ。
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