CN117318864A - 一种物联网环境时间同步方法及系统 - Google Patents

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CN117318864A CN202311119695.0A CN202311119695A CN117318864A CN 117318864 A CN117318864 A CN 117318864A CN 202311119695 A CN202311119695 A CN 202311119695A CN 117318864 A CN117318864 A CN 117318864A
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coap
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time synchronization
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赵泽钧
袁苇
张宏辉
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Abstract

本发明提供了物联网技术领域的一种物联网环境时间同步方法及系统，方法包括如下步骤：步骤S10、向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；步骤S20、发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；步骤S30、CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；步骤S40、接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Ad i ff，基于所述时间差Ad i ff进行时间同步；步骤S50、发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。本发明的优点在于：极大的提升了物联网设备时间同步的可靠性以及兼容性。

Description

一种物联网环境时间同步方法及系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别指一种物联网环境时间同步方法及系统。
背景技术
物联网环境由若干个物联网设备(设备节点)与通信协议构成，这些物联网设备通常为性能非常薄弱的资源受限设备，由于物联网设备需要准确和快速的响应时间信息，以便及时传输数据，例如火灾报警或入侵警告系统需要尽快且可靠地传输数据，因此，物联网设备之间的时间同步非常重要。
最为知名且广泛应用的时间同步协议为NTP协议，由于NTP协议是基于客户端-服务端模型工作的，主节点会因为性能瓶颈或单点故障而降低可靠性；并且NTP协议的48字节消息结构对一些物联网设备的开销可能较大，其依赖TCP/IP协议栈，对于一些非IP类型物联网设备的网络适用性不高。
因此，如何提供一种物联网环境时间同步方法及系统，实现提升物联网设备时间同步的可靠性以及兼容性，成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种物联网环境时间同步方法及系统，实现提升物联网设备时间同步的可靠性以及兼容性。
第一方面，本发明提供了一种物联网环境时间同步方法，包括如下步骤：
步骤S10、向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；
步骤S20、发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
步骤S30、CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
步骤S40、接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；
步骤S50、发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
进一步的，所述步骤S10中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
进一步的，所述步骤S20中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
进一步的，所述步骤S30具体为：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
进一步的，所述步骤S50具体包括：
步骤S51、发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
步骤S52、CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
步骤S53、发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
步骤S54、发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。
第二方面，本发明提供了一种物联网环境时间同步系统，包括如下模块：
填充头部添加模块，用于向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；
时间同步请求发送模块，用于发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
第一响应发送模块，用于CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
时间同步模块，用于接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；
网络延迟补偿模块，用于发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
进一步的，所述填充头部添加模块中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
进一步的，所述时间同步请求发送模块中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
进一步的，所述第一响应发送模块具体用于：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
进一步的，所述网络延迟补偿模块具体包括：
网络延迟补偿请求发送单元，用于发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
第二响应发送单元，用于CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
网络延迟计算单元，用于发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
延迟补偿单元，用于发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。
本发明的优点在于：
通过向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；发送端将CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；CoAP服务端基于时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应，接收端解析第一响应得到时间差Adiff以进行时间同步；发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿；即通过在CoAP协议中添加选项字段用来传输数据，无需额外的时间同步协议与消息交换，相比NTP协议更加轻量化，减轻了物联网设备(发送端和接收端)的负荷；而在CoAP协议中添加填充头部用来传递附加信息，代替TCP/IP协议栈中的网络层和传输层头部，且填充头部中包含了发送端标识符以及接收端标识符，以便运行在不存在IP地址的非IP环境，即能够在IP环境与非IP环境中维持一定精准度的情况下进行时间同步，最终极大的提升了物联网设备时间同步的可靠性以及兼容性。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种物联网环境时间同步方法的流程图。
图2是本发明一种物联网环境时间同步系统的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：通过在CoAP协议中添加选项字段用来传输数据，无需额外的时间同步协议与消息交换，相比NTP协议更加轻量化，减轻了物联网设备的负荷，进而提升物联网设备时间同步的可靠性；通过在CoAP协议中添加填充头部用来传递附加信息，代替TCP/IP协议栈中的网络层和传输层头部，且填充头部中包含了发送端标识符以及接收端标识符，以便运行在不存在IP地址的非IP环境，进而提升物联网设备时间同步的兼容性。
请参照图1至图2所示，本发明一种物联网环境时间同步方法的较佳实施例，包括如下步骤：
步骤S10、向CoAP协议中添加一包括起始标识(Pre)、版本号(Ver)、CoAP报文长度(Length)、发送端标识符(CoAPSourceLocalID)以及接收端标识符(CoAPDestinationLocalID)的填充头部(shimheader)以及一选项字段；
CoAP协议是一种应用层协议，适用于资源有限的传感器网络、物联网环境，其格式结构类似于HTTP，但HTTP对于资源受限的物联网设备而言，运行标准的HTTP协议消耗过大。
步骤S20、发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
步骤S30、CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
步骤S40、接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；理想情况下，多次时间同步之后CoAP服务端响应的Adiff值应为0；
步骤S50、发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
本发明为一种基于CoAP的时间同步技术，在最小化的设备资源使用与网络开销的条件下，实现了较高精度的时间同步；本发明利用了CoAP协议中的填充头部与选项字段，从而使该同步机制可以运行在IP网络与Zigbee、BLE等非IP网络的环境中。
所述步骤S10中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
所述步骤S20中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
所述步骤S30具体为：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
所述步骤S50具体包括：
步骤S51、发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
步骤S52、CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
步骤S53、发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
步骤S54、发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。如果Sdiff与计算出的网络延迟相差较大，则需要重新进行时间同步。
本发明一种物联网环境时间同步系统的较佳实施例，包括如下模块：
填充头部添加模块，用于向CoAP协议中添加一包括起始标识(Pre)、版本号(Ver)、CoAP报文长度(Length)、发送端标识符(CoAPSourceLocal ID)以及接收端标识符(CoAPDestinationLocalID)的填充头部(shim header)以及一选项字段；
CoAP协议是一种应用层协议，适用于资源有限的传感器网络、物联网环境，其格式结构类似于HTTP，但HTTP对于资源受限的物联网设备而言，运行标准的HTTP协议消耗过大。
时间同步请求发送模块，用于发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
第一响应发送模块，用于CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
时间同步模块，用于接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；理想情况下，多次时间同步之后CoAP服务端响应的Adiff值应为0；
网络延迟补偿模块，用于发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
本发明为一种基于CoAP的时间同步技术，在最小化的设备资源使用与网络开销的条件下，实现了较高精度的时间同步；本发明利用了CoAP协议中的填充头部与选项字段，从而使该同步机制可以运行在IP网络与Zigbee、BLE等非IP网络的环境中。
所述填充头部添加模块中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
所述时间同步请求发送模块中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
所述第一响应发送模块具体用于：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
所述网络延迟补偿模块具体包括：
网络延迟补偿请求发送单元，用于发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
第二响应发送单元，用于CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
网络延迟计算单元，用于发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
延迟补偿单元，用于发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。如果Sdiff与计算出的网络延迟相差较大，则需要重新进行时间同步。
综上所述，本发明的优点在于：
通过向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；发送端将CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；CoAP服务端基于时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应，接收端解析第一响应得到时间差Adiff以进行时间同步；发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿；即通过在CoAP协议中添加选项字段用来传输数据，无需额外的时间同步协议与消息交换，相比NTP协议更加轻量化，减轻了物联网设备(发送端和接收端)的负荷；而在CoAP协议中添加填充头部用来传递附加信息，代替TCP/IP协议栈中的网络层和传输层头部，且填充头部中包含了发送端标识符以及接收端标识符，以便运行在不存在IP地址的非IP环境，即能够在IP环境与非IP环境中维持一定精准度的情况下进行时间同步，最终极大的提升了物联网设备时间同步的可靠性以及兼容性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种物联网环境时间同步方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S10、向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；
步骤S20、发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
步骤S30、CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
步骤S40、接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；
步骤S50、发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
2.如权利要求1所述的一种物联网环境时间同步方法，其特征在于：所述步骤S10中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
3.如权利要求1所述的一种物联网环境时间同步方法，其特征在于：所述步骤S20中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
4.如权利要求1所述的一种物联网环境时间同步方法，其特征在于：所述步骤S30具体为：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
5.如权利要求1所述的一种物联网环境时间同步方法，其特征在于：所述步骤S50具体包括：
步骤S51、发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
步骤S52、CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
步骤S53、发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
步骤S54、发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。
6.一种物联网环境时间同步系统，其特征在于：包括如下模块：
填充头部添加模块，用于向CoAP协议中添加一包括起始标识、版本号、CoAP报文长度、发送端标识符以及接收端标识符的填充头部；
时间同步请求发送模块，用于发送端将所述CoAP协议中的选项字段更新为当前的第一时间后，基于所述CoAP协议向CoAP服务端发送时间同步请求；
第一响应发送模块，用于CoAP服务端基于所述时间同步请求以及当前的第二时间向接收端发送第一响应；
时间同步模块，用于接收端解析接收的所述第一响应得到时间差Adiff，基于所述时间差Adiff进行时间同步；
网络延迟补偿模块，用于发送端向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求，以对网络延迟进行补偿。
7.如权利要求6所述的一种物联网环境时间同步系统，其特征在于：所述填充头部添加模块中，所述起始标识的长度为4bit；所述版本号的长度为4bit；所述CoAP报文的长度为1Byte；所述发送端标识符以及接收端标识符的长度均为2Byte。
8.如权利要求6所述的一种物联网环境时间同步系统，其特征在于：所述时间同步请求发送模块中，所述选项字段用于记录时间参数，长度为4Byte。
9.如权利要求6所述的一种物联网环境时间同步系统，其特征在于：所述第一响应发送模块具体用于：
CoAP服务端解析接收的所述时间同步请求获得第一时间，基于当前的第二时间与所述第一时间计算时间差Adiff，CoAP服务端将所述CoAP协议中的选项字段更新为时间差Adiff，基于所述CoAP协议向接收端发送第一响应。
10.如权利要求6所述的一种物联网环境时间同步系统，其特征在于：所述网络延迟补偿模块具体包括：
网络延迟补偿请求发送单元，用于发送端记录当前的第三时间，基于所述第三时间以及CoAPGET请求，向CoAP服务端发送网络延迟补偿请求；
第二响应发送单元，用于CoAP服务端解析接收的所述网络延迟补偿请求获取第三时间，基于当前的第四时间与所述第三时间计算时间差Sdiff，向发送端发送携带所述时间差Sdiff的第二响应，
网络延迟计算单元，用于发送端解析接收的所述第二响应得到时间差Sdiff，基于接收到所述第二响应的第五时间以及第三时间计算网络延迟：
网络延迟＝(第五时间-第三时间)/2；
延迟补偿单元，用于发送端基于所述网络延迟以及时间差Sdiff更新当前时间，以对网络延迟进行补偿。
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