CN116388912B - 工业异构网络混合关键性时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络通信领域，具体地说是工业异构网络混合关键性时间同步方法。本发明基于网络设备的晶振特性计算同步频率与同步误差间的对应关系，并结合网络数据包大小为其计算最小同步频率，基于最小同步频率，根据数据的混合关键性级别，采用循环机制细粒度调整同步频率，形成工业异构网络中考虑混合关键性需求的同步方法。本发明平衡了同步精度与同步包引入的负载，实现了同步精度与传输延时的一体化建模，在资源贫瘠网络中优先保证高关键性控制数据的按时传输，实用性强。

Description

工业异构网络混合关键性时间同步方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，具体的说是一种工业异构网络混合关键性时间同步方法。

背景技术

大规模工业系统中包含多种异构网络。异构网络间通过网关相连，实现工业信息化下端到端的信息交互和设备管控。异构网络必须时间同步才能够使所有网络具有统一的时间维度，从而支撑整体系统的全局交互和管控。大规模的工业系统中存在一个主时钟，与该主时钟邻近的网络直接与其进行同步。无法与主时钟直接同步的网络，与邻近的异构网络进行时间同步。网络中的数据传输会跨越多个异构网络，同步误差会随着传输范围的增加而逐渐累计。对于高速、高精度的工业管控，必须有高精度的时间同步作为支撑，但高精度的时间同步需要网络节点间频繁的交互同步信息，所带来的网络负载对于传输资源贫瘠的工业网络来说无法忽略。因此，高频率的同步信息交互，虽然能够为异构网络端到端传输提供高精度的时间维度统一度量，但过高的网络负载会导致端到端数据传输缺少可用的网络资源，反而增加传输延时。

混合关键性理论是工业网络中应对资源贫瘠的一种方法体系。工业系统中的数据具有不同的关键性，多种关键性数据在网络中混合传输。控制相关数据直接影响生产过程，因此具有最高的关键性；环境监测和系统日志并不直接参与生产，因此具有最低的关键性。在传输资源不足以按时完成所有数据的传输时，优先保证高关键性的数据能够正常传输。因此，基于混合关键性理论，在有限网络资源中，高关键性数据的时间同步精度应首先被满足。

传统网络的时间同步方法并不区分数据的关键性，所有数据具有相同的同步精度。这导致当网络资源无法支撑大规模网络高精度时间同步时，所有数据的同步精度都要降低，不利于高关键性的工业控制数据的有效传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业异构网络混合关键性时间同步方法，提高工业系统中控制相关数据的传输时效性。

为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：一种工业异构网络混合关键性时间同步方法，为多个异构网络计算同步频率，并发送至异构网络中的所有网络节点和网关，以实现同步，包括以下步骤：

计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系；

为每个网络配置可使用的最小同步频率；

根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，发送至每个网络中的所有网络节点和网关，以实现多个异构网络的同步。

所述计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系，包括以下步骤：

获取网络n_i的网络节点和网关中的晶振频率h_i、初始时钟偏移so_i、每个时钟节拍的时钟偏移sp_i；i≤N

当同步频率为r_i时，同步误差e_i为

所述为每个网络配置可使用的最小同步频率，具体如下：对于网络n_i，初始同步频率为其中size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽，h_i表示网络节点和网关的晶振频率、so_i表示网络节点和网关的初始时钟偏移、sp_i表示网络节点和网关的每个时钟节拍的时钟偏移。

所述根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，包括以下步骤：

1)获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y；

2)对于每个网络n_i，假设同步频率r_i增加1计算得加权延时和y’，差值y_i＝y-y’；

3)若不存在正数的y_i，则调整结束，此时的同步频率r_i即为当前网络的同步频率；

若存在正数的y_i，在多种正数y_i中，查找具有最大y_i的网络，记为n_k，并将该网络的同步频率r_k增加1，返回步骤1)。

所述获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y，包括以下步骤：

计算第j个数据流f_j在网络n_i中的延时d_ij=Delay(r_i,f_j)+p_ij×e_i；

其中，1≤j≤M，M为数据流个数，i为网络序号，1≤i≤N，N为异构网络个数，Delay(r_i,f_j)表示数据流f_j在n_i网络中，当同步频率是r_i时的传输延时，Delay(r_i,f_j)为考虑同步数据包引入的传输负载、并通过网络演算计算获得f_j的传输延时，p_ij表示f_j在n_i网络中的传输跳数；e_i为同步误差；

计算数据流端到端的归一化延时表达d_j：

其中，N_j表示f_j端到端传输所经过的异构网络集合；size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽

计算加权延时和y如下：

其中，w_j表示关键性敏感的权重，用于表征关键性越高的数据流被赋予越大的权重。

一种工业异构网络混合关键性时间同步系统，包括：

同步管理节点，用于为多个异构网络计算同步频率，并发送至异构网络中的所有设备，以实现同步；

网络节点，用于根据同步管理节点计算的同步频率进行同步

网关，用于根据同步管理节点计算的同步频率进行同步。

所述同步管理节点执行以下步骤：

计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系；

为每个网络配置可使用的最小同步频率；

根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，发送至每个网络中的所有设备，以实现多个异构网络的同步。

一种工业异构网络混合关键性时间同步装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的一种工业异构网络混合关键性时间同步方法。

一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种工业异构网络混合关键性时间同步方法。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明基于混合关键性方法体系，能够在资源贫瘠网络中优先保证高关键性控制数据的按时传输；

2.本发明将同步精度与传输延时进行一体化建模，便于传输性能的精准优化；

3.本发明提出细粒度地循环增加同步频率的方法，平衡了同步精度与同步包引入的负载的同时，精简的调整步骤实用性强。

附图说明

图1是本发明异构网络架构示意图；

图2是本发明工业异构网络混合关键性时间同步方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作详细叙述。

本发明提供工业异构网络混合关键性时间同步方法，通过同步管理节点实现，包括以下步骤：

1)计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系；

2)为每个网络设定可使用的最小同步频率；

3)根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，提升网络传输的时效性。

所述计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系，包括以下步骤：

N个异构网络，获取第i个异构网络n_i(1≤i≤N)的设备中的晶振频率h_i、初始时钟偏移so_i、每个时钟节拍的时钟偏移sp_i；

当同步频率为r_i时，同步误差e_i为

所述为每个网络设定可使用的最小同步频率是指对于网络n_i，为其指定初始同步频率为其中size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽。初始同步频率的设定，防止时钟偏移过大导致的数据包无法区分。

所述的根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，包括以下步骤：

计算所有异构网络中所有数据流的加权延时和y；

对于每个网络n_i，假设r_i增加1计算得加权延时和y’，y与y’的差为y_i；

若不存在正数的y_i，则调整结束；

若存在正数y_i，在多种正数y_i中，查找具有最大y_i的网络，记为n_k，将r_k增加1，继续计算所有数据流在所有网络中的加权延时和，重复以上步骤。

所述的计算异构网络中所有数据流的加权延时和y，包括以下步骤：

M个数据流，计算第j个数据流f_j(1≤j≤M)在网络n_i中的延时d_ij=Delay(r_i,f_j)+p_ij×e_i，其中Delay(r_i,f_j)表示数据流f_j在n_i网络中，当同步频率是r_i时的传输延时，Delay(r_i,f_j)采用网络演算的方法，考虑同步数据包引入的传输负载，通过网络演算计算获得f_j的传输延时，p_ij表示f_j在n_i网络中的传输跳数；

计算数据流端到端的归一化延时表达d_j，如下：

其中N_j表示f_j端到端传输所经过的异构网络集合；

计算加权延时和y，如下：

其中w_j表示关键性敏感的权重，关键性越高的数据流被赋予越大的权重。

如图1所示，本发明应用场景为异构网络，每个异构网络包含多个网络节点，异构网络之间通过网关相连。数据流首先在一个异构网络内传输，之后经过网关传输到另一个异构网络。多个异构网络共用一个与同步管理节点相连的时钟源，同步管理节点为所有异构网络计算同步频率，并告知所有异构网络中的所有网络节点和网关。所有网络节点和网关收到同步频率后按照同步频率进行同步。

如图2所示，本发明首先通过设备手册以及晶振手册，获取网络设备的晶振频率、初始时钟偏移、每个时钟节拍的时钟偏移。之后基于获取到的数据，同步管理节点为每个异构网络计算相邻两次同步间可能出现的最大的同步误差

对于每个异构网络n_i，同步管理节点为其指定最小同步频率最小同步频率基于网络的最小数据包大小计算，避免同步误差较大导致的数据包占用其它数据包的时间。

在同步管理节点调整同步频率的过程中，以加权延时和y作为调整衡量指标。其中加权指数据流的关键性，越高的关键性具有越大的权重w_j。如此可使调整策略优先满足高关键性数据的同步要求和传输时效性。加权延时y通过计算得到，其中以及d_ij=Delay(r_i,f_j)+p_ij×e_i。d_j中采用网络中的传输延时对d_j进行归一化，使所有网络的延时可能缩减到同一范围内进行协同调整。Delay(r_i,f_j)基于网络演算的方法，考虑当同步频率是r_i时，同步数据包引入的传输负载，通过网络演算计算可返回f_j的传输延时。

在各个网络最小同步频率的基础上，同步管理节点对同步频率进行增加，直至加权延时和不再减小为止。依次遍历所有网络，对于每个网络n_i，假设r_i增加1，并计算新的加权延时和y’，与y相比，y’减小了y_i。若所有y_i都小于等于0，则调整结束；否则查找最大的y_i，并将r_i增加1。至此一次调整结束。基于当前的r_i值，计算加权延时和y，并再次寻找最大的y_i进行调整，循环该调整过程直至没有y_i大于0为止。此时所有网络对应的r_i即为最终的同步频率。

Claims (6)

1.工业异构网络混合关键性时间同步方法，其特征在于，为多个异构网络计算同步频率，并发送至异构网络中的所有网络节点和网关，以实现同步，包括以下步骤：

计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系；

为每个网络配置可使用的最小同步频率；

根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，发送至每个网络中的所有网络节点和网关，以实现多个异构网络的同步；

所述根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，包括以下步骤：

1)获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y；

2)对于每个网络n_i，假设同步频率r_i增加1计算得加权延时和y’，差值y_i＝y-y’；

3)若不存在正数的y_i，则调整结束，此时的同步频率r_i即为当前网络的同步频率；

若存在正数的y_i，在多种正数y_i中，查找具有最大y_i的网络，记为n_k，并将该网络的同步频率r_k增加1，返回步骤1)；

所述获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y，包括以下步骤：

计算第j个数据流f_j在网络n_i中的延时d_ij＝Delay(r_i,f_j)+p_ij×e_i；

其中，1≤j≤M，M为数据流个数，i为网络序号，1≤i≤N，N为异构网络个数，Delay(r_i,f_j)表示数据流f_j在n_i网络中，当同步频率是r_i时的传输延时，Delay(r_i,f_j)为考虑同步数据包引入的传输负载、并通过网络演算计算获得f_j的传输延时，p_ij表示f_j在n_i网络中的传输跳数；e_i为同步误差；

计算数据流端到端的归一化延时表达d_j：

其中，N_j表示f_j端到端传输所经过的异构网络集合；size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽；

计算加权延时和y如下：

其中，w_j表示关键性敏感的权重，用于表征关键性越高的数据流被赋予越大的权重。

2.根据权利要求1所述的工业异构网络混合关键性时间同步方法，其特征在于，所述计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系，包括以下步骤：

获取网络n_i的网络节点和网关中的晶振频率h_i、初始时钟偏移so_i、每个时钟节拍的时钟偏移sp_i；i≤N

当同步频率为r_i时，同步误差e_i为

3.根据权利要求1所述的工业异构网络混合关键性时间同步方法，其特征在于，所述为每个网络配置可使用的最小同步频率，具体如下：对于网络n_i，初始同步频率为其中size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽，h_i表示网络节点和网关的晶振频率、so_i表示网络节点和网关的初始时钟偏移、sp_i表示网络节点和网关的每个时钟节拍的时钟偏移。

4.工业异构网络混合关键性时间同步系统，其特征在于，包括：

同步管理节点，用于为多个异构网络计算同步频率，并发送至异构网络中的所有设备，以实现同步；

网络节点，用于根据同步管理节点计算的同步频率进行同步网关，用于根据同步管理节点计算的同步频率进行同步；

所述同步管理节点执行以下步骤：

计算每个网络中同步频率与同步误差间的对应关系；

为每个网络配置可使用的最小同步频率；

根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，发送至每个网络中的所有设备，以实现多个异构网络的同步；

所述根据数据的混合关键性级别调整每个网络的同步频率，包括以下步骤：

1)获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y；

2)对于每个网络n_i，假设同步频率r_i增加1计算得加权延时和y’，差值y_i＝y-y’；

3)若不存在正数的y_i，则调整结束，此时的同步频率r_i即为当前网络的同步频率；

若存在正数的y_i，在多种正数y_i中，查找具有最大y_i的网络，记为n_k，并将该网络的同步频率r_k增加1，返回步骤1)；

所述获取所有异构网络中所有数据流的加权延时和y，包括以下步骤：

计算第j个数据流f_j在网络n_i中的延时d_ij＝Delay(r_i,f_j)+p_ij×e_i；

其中，1≤j≤M，M为数据流个数，i为网络序号，1≤i≤N，N为异构网络个数，Delay(r_i,f_j)表示数据流f_j在n_i网络中，当同步频率是r_i时的传输延时，Delay(r_i,f_j)为考虑同步数据包引入的传输负载、并通过网络演算计算获得f_j的传输延时，p_ij表示f_j在n_i网络中的传输跳数；e_i为同步误差；

计算数据流端到端的归一化延时表达d_j：

其中，N_j表示f_j端到端传输所经过的异构网络集合；size_i表示网络n_i中可传输的最小的数据包大小，bandwidth_i表示网络n_i中链路的带宽计算加权延时和y如下：

其中，w_j表示关键性敏感的权重，用于表征关键性越高的数据流被赋予越大的权重。

5.工业异构网络混合关键性时间同步装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-3任一项所述的工业异构网络混合关键性时间同步方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的工业异构网络混合关键性时间同步方法。