CN116232513A - 基于ieee 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法及系统，方法具体步骤如下：步骤一，从节点1到从节点n‑1接受来自主节点的PTP报文，转发PTP报文至下一级；步骤二，从节点1到从节点n‑1接受来自从节点n的PTP报文，转发PTP报文至上一级；步骤三，从节点1到从节点n对往返时间取平均值得到平均链路延时；步骤四，根据平均传输延时计算主从时钟偏移；步骤五，进行动态频率补偿计算。本发明在线性拓扑结构的分布式系统中能够使系统的同步精度增加，同时有效降低各节点之间的时钟偏差。
Description
技术领域
本发明属于高速工业以太网总线技术领域，具体涉及一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法及系统。
背景技术
随着分布式网络应用范围及应用规模的不断增大，分布式系统内各分散节点时钟的一致性变得越来越重要，精确的时间同步技术在分布式系统中占据着越来越重要的地位，尤其是在线性拓扑结构的分布式系统中，其拓扑结构可参见图2所示。时钟同步问题产生的原因主要由于延时以及频率问题。延时问题主要包括链路延时以及内部处理延时，链路延时是由于数据从主节点传输到从节点，以及从节点传输到从节点需要一定时间；内部处理延时主要是由于数据在主从节点处理需要一定时间，并且不同从节点的内部处理延时不相等，同一从节点，不同时刻的处理延时也会有波动。频率问题是由于主节点和各个从节点都依靠自己的本地晶振来产生脉冲，计数器依靠这些脉冲来触发计数，虽然这些本地晶振理论上具有相同的频率，但在实际中，这些独立的晶振是在理论值的微小范围内进行波动，这会导致随着系统运行时间的变长，各个节点之间的时间偏差会逐渐发散。这两种问题产生的后果可能使数据延迟，从而造成实时控制和实时测量的功能造成更大误差。
传统的时钟同步方法主要有IRIG-B码、网络时间协议(NTP)、全球定位系统(GPS)等。IRIG-B码分为秒冲对时和串口对时，脉冲对时精度高但无法直接提供时间信息，串口对时同步精度不如脉冲对时。而对于NTP，同步精度只有毫秒级，只能应用于对同步精度不高的场合。GPS的同步精度能够达到微秒级，但需要GPS接收机这样的特殊设备，不仅成本高，而且实现难度较高。因此需要一种低成本，高精度的时钟同步方法。
发明内容
本发明的目的是为解决线性拓扑结构的分布式系统时钟同步问题，进而提出一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法及系统。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，具体步骤如下：
步骤一，从节点1到从节点n-1接受来自主节点的PTP报文，转发PTP报文至下一级。
步骤二，从节点1到从节点n-1接受来自从节点n的PTP报文，转发PTP报文至上一级。
步骤三，从节点1到从节点n对往返时间取平均值得到平均链路延时。
步骤四，根据平均传输延时计算出主从时钟偏移。
步骤五，进行动态频率补偿计算。
进一步，步骤一和步骤二中，从节点1到从节点n-1的数据转发模块，具有相同的内部处理延时。
进一步，步骤三中，计算主从平均链路延时公式为：
公式(1)中，Mean_delay 1表示第一个从节点与主节点的平均链路延时，公式(2)中，Mean_delay 2表示第二个从节点与主节点的平均链路延时，公式(3)中，Mean_delay n表示第n个从节点与主节点的平均链路延时。T1表示主节点设备发送Sync报文的时间戳，Tn2为第n个从节点接收到Sync报文的时间戳，Tn3为第n个从节点发送Delay_req报文的时间戳，T4为主节点设备接收到Delay_req报文的时间戳。
进一步，步骤四中，计算时钟偏移的公式为：
Offset＝Tn2-T1-Mean_delay n (4)
公式(4)中，Tn2为第n个从节点接收到Sync报文的时间戳，T1表示主节点设备发送Sync报文的时间戳，Mean_delay n表示第n个从节点的平均链路传输延时。
进一步，步骤五，根据步骤三得到的时间戳进行动态频率补偿计算。
进一步，步骤五中，动态频率补偿计算公式为：
MCC＝T2M1-T1M1 (5)
SCC＝T2S1-T1S1 (6)
MSC＝|MCC-SCC| (7)
γ＝SCC/MSC (8)
公式(5)中，MCC表示主时钟发送间隔，T2M1表示主时钟第n+1次发送Sync报文的时间戳，T1M1表示主时钟第n次发送Sync报文的时间戳。公式(6)中，SCC表示从时钟接收到的时间间隔，T2S1表示从时钟第n+1次接受Sync报文的时间戳，T1S1表示从时钟第n次接受Sync报文的时间戳。公式(7)中，MSC表示主从时钟发送间隔的时钟偏差，公式(8)中，γ表示主从时钟的时间比率。
进一步，判断MSC的值，若最高位为1，说明主时钟频率高于从时钟频率，则从时钟的ns计数器每增加γ值时减1，反之，ns计数器就加1。
本发明还公开了一种基于上述线性拓扑从节点同步方法的系统，其包括如下模块：
数据解析模块：用于解析PTP报文；
数据转发模块：解析PTP报文；
平均链路延时计算模块：对从节点1到从节点n往返时间取平均值得到平均链路延时；
时钟偏移计算模块：根据平均传输延时计算主从时钟偏移；
频率补偿计算模块：进行动态频率补偿计算。
本发明的有益效果是：
针对线性拓扑结构的分布式系统由于其传输延时的不确定性以及时钟偏移，本发明提供了一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，本发明能够提高分布式系统各节点的时钟同步精度，减少各节点同步输出时的同步误差。
附图说明
图1是基于IEEE 1588精密时钟协议的从时钟同步方法流程图；
图2是线性拓扑结构图；
图3是PTP传输原理图；
图4是不同从节点个数使用动态频率补偿算法性能对比图。
具体实施方式
下面结合优选实施例及附图，对本发明做进一步说明。
如图2所示，其中IEEE 1588协议通过PTP报文承载时间戳来完成，主节点代表的时钟为主时钟，从节点代表的时钟为从时钟。本实施例一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，具体步骤如下：
步骤1，主节点周期性发送Sync报文；并将发送时间戳封装进Follow_up报文发送。
步骤2，从节点1接受到Sync报文，记录接受的时间戳，通过数据转发模块发送到下一个从节点。
步骤3，从节点1接受Follow_up报文，转发并解析Sync报文的发送时间。
步骤4，按照步骤2和步骤3，直到从节点n接受Sync报文和Follow_up报文。
步骤5，从节点n生成Delay_req报文，发送到上一个从节点，并记录发送时间戳。
步骤6，从节点n-1接受Delay_req报文，并通过数据转发模块转发该报文至从节点n-2，记录发送的时间戳。
步骤7，按照步骤6，直到主节点接受到Delay_req报文，记录接受时间戳。
步骤8，主节点生成Delay_resp报文，封装Delay_req报文的接受时间戳，发送给从节点。
步骤9，各个从节点接受Delay_resp报文并通过数据转发模块进行转发，直到最后一个从节点。
步骤10，各个从节点计算平均链路延时以及时钟偏移。
Offset＝Tn2-T1-Mean_delay n (4)
步骤11，按照步骤1至步骤10循环进行，同时进行时钟偏移以及传输延时补偿。
步骤12，在第二次循环周期及以上，根据得到的时间戳进行动态频率补偿：
MCC＝T2M1-T1M1 (5)
SCC＝T2S1-T1S1 (6)
MSC＝|MCC-SCC| (7)
γ＝SCC/MSC (8)
首先判断MSC的值，若最高位为1，说明主时钟频率高于从时钟频率，则从时钟的ns计数器每增加γ值时减1，反之，ns计数器就加1。
对该发明进行测试，如表1所示，测得的第二个从节点的时间偏差分布的平均值是20.79ns，最大偏差为80ns，最小偏差为0ns。测得的第四个从节点的时间偏差分布的平均值是36.2ns，最大偏差为100ns，最小偏差为0ns。通过两个从节点平均时间偏差值可以看出，提出的方法能够对主从节点的同步精度有很大改善。
表1不同从节点个数使用动态频率补偿算法性能对比
图3为时间戳提取原理图，在一次同步过程中各个从节点的延时包括链路延时以及内部延时。内部延时包括TMSd11、TMSd21、TMSd(n-1)1、TSMd1、TSM2、TSMn-1以及TMSd12、TMSd22、TMSd(n-1)2、TMSd13、TMSd23、TMSd(n-1)3，TMSd11、TMSd21、TMSd(n-1)1分别表示第一个从节点，第二个从节点以及第n-1个从节点接受并转发Sync报文的内部延时；TMSd12、TMSd22、TMSd(n-1)2分别表示第一个从节点，第二个从节点以及第n-1个从节点接受并转发Follow_up报文的内部延时；TSMd1、TSMd2、TSMd(n-1)分别表示第一个从节点，第二个从节点以及第n-1个从节点接受并转发Delay_req报文的内部延时；TMSd13、TMSd23、TMSd(n-1)3分别表示第一个从节点，第二个从节点以及第n-1个从节点接受并转发Delay_resp报文的内部延时。链路延时包括网线传输。
本发明使用相同网线可以缓解各个从节点之间以及从节点与主节点之间的链路延时不相等问题。本发明采用数据转发与数据处理并行的方式，内部延时只由数据转发模块引起，可以消除在一次同步过程中，不同从节点之间数据转发延时不相等问题；可以消除在每次同步过程中，数据转发延时不相等问题；可以消除在每次同步过程中，数据转发延时不恒定问题。即
TMSd(n-1)1＝TMSd(n-1)2＝TSMd(n-1)＝TMSd(n-1)3
本发明采用数据转发与数据处理并行的方式，只要从节点接收到数据，就会记录接受数据的时间戳，同时进入数据转发模块以及数据解析模块。当数据解析模块解析出不是PTP报文时，丢弃记录的时间戳。
如图4所示，本发明采用动态频率补偿方法，在每一次同步过程中，通过实时获取时间戳的方法进行动态的频率补偿，每个从节点能够动态的，实时控制本地时钟与主时钟之间的时钟偏差。该设计能够解决在线性拓扑结构的分布式系统中，由于传输延时以及时钟偏移问题造成时钟同步精度不高的技术问题。
本发明实施例还公开了一种基于上述线性拓扑从节点同步方法的系统，其包括如下模块：
数据解析模块：用于解析PTP报文；
数据转发模块：转发PTP报文；
平均链路延时计算模块：对从节点1到从节点n往返时间取平均值得到平均链路延时；
时钟偏移计算模块：根据平均传输延时计算主从时钟偏移；
频率补偿计算模块：根据得到的时间戳进行动态频率补偿计算。
针对线性拓扑结构的分布式系统时钟同步存在的问题，本发明公开了一种基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法及系统，本发明能够提高分布式系统各节点的时钟同步精度，减少各节点同步输出时的同步误差。本发明主要包括主从节点之间的时间戳提取、传输延时测量、动态频率补偿以及补偿后的同步精度性能测试。所述传输延时测量，通过数据转发模块，实现每次同步过程，各个节点的内部延时相等且恒定；所述动态频率补偿，通过实时获得时间戳，动态补偿各个从节点的时钟频率。其中，IEEE 1588协议通过PTP报文承载时间戳来完成，主节点代表的时钟为主时钟，从节点代表的时钟为从时钟。本发明在线性拓扑结构的分布式系统中能够使系统的同步精度增加，同时有效降低各节点之间的时钟偏差。
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，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征是具体步骤如下：
步骤一，从节点1到从节点n-1接受来自主节点的PTP报文，转发PTP报文至下一级；
步骤二，从节点1到从节点n-1接受来自从节点n的PTP报文，转发PTP报文至上一级；
步骤三，从节点1到从节点n对往返时间取平均值得到平均链路延时；
步骤四，根据平均传输延时计算主从时钟偏移；
步骤五，进行动态频率补偿计算。
2.根据权利要求1所述的基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征在于：步骤一和步骤二中，从节点1到从节点n的数据转发，具有相同的内部处理延时。
3.根据权利要求1或2所述的基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征在于：步骤三中，计算主从平均链路延时公式为：
公式(1)中，Mean_delay 1表示第一个从节点与主节点的平均链路延时，公式(2)中，Mean_delay 2表示第二个从节点与主节点的平均链路延时，公式(3)中，Mean_delay n表示第n个从节点与主节点的平均链路延时；T1表示主节点设备发送Sync报文的时间戳，Tn2为第n个从节点接收到Sync报文的时间戳，Tn3为第n个从节点发送Delay_req报文的时间戳，T4为主节点设备接收到Delay_req报文的时间戳。
4.根据权利要求3所述的基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征在于：步骤四中，计算时钟偏移的公式为：
Offset＝Tn2-T1-Mean_delay n (4)
公式(4)中，Tn2为第n个从节点接收到Sync报文的时间戳，T1表示主节点设备发送Sync报文的时间戳，Mean_delay n表示第n个从节点的平均传输延时。
5.根据权利要求4所述的基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征在于：步骤五中，动态频率补偿计算公式为：
MCC＝T2M1-T1M1 (5)
SCC＝T2S1-T1S1 (6)
MSC＝|MCC-SCC| (7)
γ＝SCC/MSC (8)
公式(5)中，MCC表示主时钟发送间隔，T2M1表示主时钟第n+1次发送Sync报文的时间戳，T1M1表示主时钟第n次发送Sync报文的时间戳；公式(6)中，SCC表示从时钟接收到的时间间隔，T2S1表示从时钟第n+1次接受Sync报文的时间戳，T1S1表示从时钟第n次接受Sync报文的时间戳；公式(7)中，MSC表示主从时钟发送间隔的时钟偏差，公式(8)中，γ表示主从时钟的时间比率。
6.根据权利要求5所述的基于IEEE 1588精密时钟协议的线性拓扑从节点同步方法，其特征在于：判断MSC的值，若最高位为1，说明主时钟频率高于从时钟频率，则从时钟的ns计数器每增加γ值时减1，反之，ns计数器就加1。
7.基于权利要求1-6任一项所述的线性拓扑从节点同步方法的系统，其特征是包括如下模块：
数据解析模块：用于解析PTP报文；
数据转发模块：转发PTP报文；
平均链路延时计算模块：对从节点1到从节点n往返时间取平均值得到平均链路延时；
时钟偏移计算模块：根据平均传输延时计算主从时钟偏移；
频率补偿计算模块：进行动态频率补偿计算。
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