CN117811692A - 一种计算机网络确定性的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机网络确定性的时间同步方法，包括以下步骤：步骤1：通过配置工具向交换机switch配置同步报文的驻留时间表table；步骤2：当同步报文到达交换机时，交换机记录下报文的到达时间t_arrival；步骤3：交换机从同步报文中提取出主时钟标识grandmasterIdentity；步骤4：交换机从同步报文中提取出originTimestamp和correctionFiled字段；步骤5：在步骤4后，交换机利用驻留时间Δt并通过公式correctionFiled＝correctionFiled+Δt+Linedelay更新correctionFiled字段，并等待报文发送；步骤6：在时间Δt+_tarrival时将同步报文从目的端口dport发出。本发明同步方法可以使时间同步报文不受其它报文的影响，能够确定性的并且严格意义的按照主时钟的发送频率收到同步报文，提高时间同步的精度。

Description

一种计算机网络确定性的时间同步方法

技术领域

本发明涉及计算机网络的确定性实时传输技术领域，尤其涉及一种计算机网络确定性的时间同步方法。

背景技术

IEEE 1588时间同步协议和之后发展而来的IEEE 802.1AS-Rev是工控网络和时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，简称TSN)主流的时间同步方法，其核心机制是透明时钟传输机制。图1示意了主时钟v0利用透明时钟传输机制进行时间同步的全过程。

主设备v0在产生同步报文时，将主时钟的当前时刻G0＝v0.time放到同步报文中的originTimestamp字段，同时记录时间戳当报文的第一比特被发送出去时，记录时间戳/>并更新报文中的correctionFiled字段为/>当同步报文的第一比特到达从设备v1时，从设备记录时间戳/>当从设备提取出同步报文中originTimestamp和correctionFiled字段即G0和C0后，在校时那一刻利用当前时间/>并通过公式修改自己的时钟G1；实际上/>记录了同步报文在主设备v0中产生到从设备v1校那一刻所经历的时间；当同步报文第一比特从设备v1发出时，记录时间戳/>并更新correctionFiled字段为/>按照相同的方式，每台从设备与主设备校时，并在同步报文被转发出时更新correctionFiled累积在该从设备上所经历的时间，即第i台从设备通过公式/>进行校时，通过公式更新correctionFiled字段，其中/>为同步报文第一比特进入设备vi时的时间戳，/>为设备vi校时那一刻的时间戳，/>为同步报文第一比特离开设备vi时的时间戳，Gi为设备vi同步后的时间，Ci为同步报文从同步主v0发出到设备vi+1的累积时长，Li为设备vi与vi+1之间的链路长度(由时间同步协议自动计算)。

上传透明传输机制通过时间戳记录报文在设备中的驻留时间，然而由于交换机并不仅有时间同步报文，还有其它业务报文，这些报文会影响时间同步报文在交换机中的驻留时间，出现忽大忽小的情况，当网络发生拥塞时同步报文还可能会丢包。尽管主设备严格按照周期(比如100ms)发送时间同步报文，但从设备由于上述情况的影响，并不会严格的100ms收到一次同步报文，而随着其它业务报文的流量大小，忽大忽小的被收到，从而影响时间同步的精度。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有技术中由于交换机并不仅有时间同步报文，还有其它业务报文，这些报文会影响时间同步报文在交换机中的驻留时间，出现忽大忽小的情况，当网络发生拥塞时同步报文还可能会丢包的问题，而提出的一种计算机网络确定性的时间同步方法。

2.技术方案

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种计算机网络确定性的时间同步方法，包括以下步骤：

步骤1：通过配置工具向交换机switch配置同步报文的驻留时间表table；

步骤2：当同步报文到达交换机时，交换机记录下报文的到达时间tarrival；

步骤3：交换机从同步报文中提取出主时钟标识grandmasterIdentity，并通过grandmasterIdentity查驻留时间表table，找到该同步报文对应的表项，从表项中至少提取出目的端口号dport和驻留时间Δt；

步骤4：交换机从同步报文中提取出originTimestamp和correctionFiled字段，并通过公式originTimestamp+correctionFiled+(tupdate_time-tarrival)更新自己的主时钟，其中tupdate_time是校时那一刻的本地时间；

步骤5：在步骤4后，交换机利用驻留时间Δt并通过公式correctionFiled＝correctionFiled+Δt+Linedelay更新correctionFiled字段，并等待报文发送；

步骤6：在时间Δt+tarrival时将同步报文从目的端口dport发出，并利用IEEE802.1Qbv中定义的保护带机制消除其它报文对同步报文时延的影响。

优选地，具体原理如下：

S1：主设备v0在产生同步报文时，将主时钟的当前时刻G0＝v0.time放到同步报文中的originTimestamp字段，同时记录时间戳并更新报文中的correctionFiled字段为主设备在/>时刻将同步报文的第一比特发送出去；

S2：当同步报文的第一比特到达从设备v1时，从设备记录时间戳当从设备提取出同步报文中originTimestamp和correctionFiled字段即G0和C0后，在校时那一刻利用当前时间/>并通过公式/>修改自己的时钟G1；实际上/>记录了同步报文在主设备v0中产生到从设备v1校时那一刻所经历的时间；

S3：然后，更新correctionFiled字段为在时刻/>将同步报文第一比特从设备v1发送出去；按照相同的方式，每台从设备与主设备完成校时，然后更新correctionFiled累积在该从设备上所驻留的时间，即第i台从设备通过公式进行校时，通过公式/>更新correctionFiled字段，在时刻/>时将同步报文第一比特从设备vi中发送出去。

优选地，所述其中为同步报文第一比特进入设备vi时的时间戳，/>为设备vi校时那一刻的时间戳，/>为同步报文在设备vi中的驻留时间，Gi为设备vi同步后的时间，Ci为同步报文从同步主v0发出到设备vi+1的累积时长，Li为设备vi与vi+1之间的链路长度。

优选地，驻留时间需根据以下情况合理的设置其大小：

在IEEE 1588的“One Step”同步场景下，驻留时间即为同步报文在交换机中的停留时间，它不应该小于交换机的最小转发时延；

在IEEE 1588的“Two Step”同步场景下，在同步报文之后还有一个伴随报文即follow-up报文，因此，这里的驻留时间除了同步报文的驻留时间外，还应考虑follow-up报文的驻留时间，记为/>表示自同步报文第一比特从设备vi发出到follow-up报文第一比特从设备vi发出的时间；/>应该不小于“follow-up报文的产生时间和最小转发时延之和”；本方法可使用两种follow-up报文的传输方法：①按照IEEE1588中“Two Step”的传输方法，同步报文发送后，再由当前主时钟产生follow-up报文，此时同步报文和伴随报文中间会存在传输间隙，根据follow-up报文的功能，它记录了上一跳同步报文第一比特发出的时间戳，该时间戳被IEEE 1588用于这一跳的时间同步，因此，本跳的驻留时间/>应该不小于/>②采用一种“紧随”的传输策略，基于使用驻留时间的传输策略，时间同步报文的第一比特发出的时间可以通过到达时间与驻留时间计算提前得到，即/>在时间同步报文发送之前，就可以将同步报文第一比特的发送时间戳添加到follow_up报文中并产生follow_up报文，从而实现follow_up报文在同步报文产生后立即产生，并且“紧随”在同步报文后发送，在这种情况下，follow-up报文与同步报文并行转发，则本跳的驻留时间/>应该不小于/>

为了避免同步报文与时敏报文(即利用时间敏感网络802.1Qbv门控机制进行确定性传输的报文称为时敏报文)的冲突，需要将同步报文的驻留时间与时敏报文的门控列表进行联合调度，下面给出考虑同步报文的驻留时间后，门控列表调度模型的变化。设主时钟周期性发送的同步报文为fsync，主时钟所在设备为节点v0；设节点vi距离主时钟所在设备i跳；则同步报文在vi中占用的门控窗口的长度为同步报文的长度fsync.length，窗口打开的时间点为：

由于该门控窗口已经被同步报文占有，时敏报文在调度时仅能使用除此之外的别的门控窗口。

优选地，所述步骤4中所有时间戳均通过本地时钟打时间戳。

优选地，所述步骤5中linedelay是当前交换机目的端口到一下台直连的交换机的线长所引起的时延，该时延通过当前时间同步协议计算。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明中，同步方法可以使时间同步报文不受其它报文的影响，能够确定性的并且严格意义的按照主时钟的发送频率收到同步报文，提高时间同步的精度。

(2)本发明中，同步报文在设备中的驻留时间是事先配置的，而不是通过时间戳动态计算的，因此它不受网络流量的影响，可以做到确定性；同步报文的correctionFiled字段的更新变得更加简单了即可以在发送出去前就更新好correctionFiled等待发送，因为报文在设备中的驻留时间无需动态计算，而是固定的值。

(3)本发明中，同步报文从设备中转发出去的时刻是可以预测的，即时刻，在该时刻使用802.1Qbv定义的保护带机制去消除其它业务报文对同步报文的影响，同步报文与时敏报文联合调度，又消除了时敏报文对同步报文的影响，因此，保证了时间同步的确定性，从确定性时间同步方法的同步过程可以看出，本发明并没有改变时间同步报文的格式，因此整个过程是完全兼容IEEE1588和802.1AS-Rev的同步协议的。

附图说明

图1为透明时钟传输机制示意图；

图2为本发明提出的一种计算机网络确定性的时间同步方法的流程示意图；

图3为本发明提出的一种计算机网络确定性的时间同步方法的实施方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

实施例1：

一种计算机网络确定性的时间同步方法，包括以下步骤：

步骤1：通过配置工具向交换机(switch)配置同步报文的驻留时间表(table)；

步骤2：当同步报文到达交换机时，交换机记录下报文的到达时间(tarrival)；

步骤3：交换机从同步报文中提取出主时钟标识(grandmasterIdentity)，并通过grandmasterIdentity查驻留时间表table，找到该同步报文对应的表项，从表项中至少提取出目的端口号(dport)和驻留时间(Δt)；

步骤4：交换机从同步报文中提取出originTimestamp和correctionFiled字段，并通过公式originTimestamp+correctionFiled+(tupdate_time-tarrival)更新自己的主时钟，其中tupdate_time是校时那一刻的本地时间。注：所有时间戳均通过本地时钟打时间戳；

步骤5：在步骤4后，交换机利用驻留时间Δt并通过公式correctionFiled＝correctionFiled+Δt+Linedelay更新correctionFiled字段，并等待报文发送。注：linedelay是当前交换机目的端口到一下台直连的交换机的线长所引起的时延，该时延通过当前时间同步协议计算；

步骤6：在时间Δt+tarrival时将同步报文从目的端口(dport)发出，并利用IEEE802.1Qbv中定义的保护带机制消除其它报文对同步报文时延的影响。

本发明中，图2示意了确定性时间同步方法的原理，整个同步过程如下：

主设备v0在产生同步报文时，将主时钟的当前时刻G0＝v0.time放到同步报文中的originTimestamp字段，同时记录时间戳并更新报文中的correctionFiled字段为主设备在/>时刻将同步报文的第一比特发送出去。当同步报文的第一比特到达从设备v1时，从设备记录时间戳/>

当从设备提取出同步报文中originTimestamp和correctionFiled字段即G0和C0后，在校时那一刻利用当前时间并通过公式/>修改自己的时钟G1；实际上/>记录了同步报文在主设备v0中产生到从设备v1校时那一刻所经历的时间；然后，更新correctionFiled字段为/>在时刻/>将同步报文第一比特从设备v1发送出去。

按照相同的方式，每台从设备与主设备完成校时，然后更新correctionFiled累积在该从设备上所驻留的时间，即第i台从设备通过公式进行校时，通过公式/>更新correctionFiled字段，在时刻/>时将同步报文第一比特从设备vi中发送出去，其中/>为同步报文第一比特进入设备vi时的时间戳，/>为设备vi校时那一刻的时间戳，/>为同步报文在设备vi中的驻留时间，Gi为设备vi同步后的时间，Ci为同步报文从同步主v0发出到设备vi+1的累积时长，Li为设备vi与vi+1之间的链路长度(由时间同步协议自动计算)。

本发明中，基于上述确定性时间同步方法的原理，驻留时间需根据以下情况合理的设置其大小

(1)在IEEE 1588的“One Step”同步场景下，驻留时间即为同步报文在交换机中的停留时间，它不应该小于交换机的最小转发时延；

(2)在IEEE 1588的“Two Step”同步场景下，在同步报文之后还有一个伴随报文即follow-up报文，因此，这里的驻留时间除了同步报文的驻留时间外，还应考虑follow-up报文的驻留时间，记为/>表示自同步报文第一比特从设备vi发出到follow-up报文第一比特从设备vi发出的时间；/>应该不小于“follow-up报文的产生时间和最小转发时延之和”。本方法可使用两种follow-up报文的传输方法：①按照IEEE1588中“Two Step”的传输方法，同步报文发送后，再由当前主时钟产生follow-up报文，此时同步报文和伴随报文中间会存在传输间隙，根据follow-up报文的功能，它记录了上一跳同步报文第一比特发出的时间戳，该时间戳被IEEE 1588用于这一跳的时间同步，因此，本跳的驻留时间/>应该不小于/>②采用一种“紧随”的传输策略，基于使用驻留时间的传输策略，时间同步报文的第一比特发出的时间可以通过到达时间与驻留时间计算提前得到，即/>在时间同步报文发送之前，就可以将同步报文第一比特的发送时间戳添加到follow_up报文中并产生follow_up报文，从而实现follow_up报文在同步报文产生后立即产生，并且“紧随”在同步报文后发送，在这种情况下，follow-up报文与同步报文并行转发，则本跳的驻留时间/>应该不小于/>

为了避免同步报文与时敏报文(即利用时间敏感网络802.1Qbv门控机制进行确定性传输的报文称为时敏报文)的冲突，需要将同步报文的驻留时间与时敏报文的门控列表进行联合调度，下面给出考虑同步报文的驻留时间后，门控列表调度模型的变化。设主时钟周期性发送的同步报文为fsync，主时钟所在设备为节点v0；设节点vi距离主时钟所在设备i跳；则同步报文在vi中占有的门控窗口的长度为同步报文的长度fsync.length，窗口打开的时间点为：

由于该门控窗口已经被同步报文占有，时敏报文在调度时仅能使用除此之外的别的门控窗口。

本发明中，同步方法可以使时间同步报文不受其它报文的影响，能够确定性的并且严格意义的按照主时钟的发送频率收到同步报文，提高时间同步的精度。

本发明中，同步报文在设备中的驻留时间是事先配置的，而不是通过时间戳动态计算的，因此它不受网络流量的影响，可以做到确定性；同步报文的correctionFiled字段的更新变得更加简单了即可以在发送出去前就更新好correctionFiled等待发送，因为报文在设备中的驻留时间无需动态计算，而是固定的值。

本发明中，同步报文从设备中转发出去的时刻是可以预测的，即时刻，在该时刻使用802.1Qbv定义的保护带机制去消除其它业务报文对同步报文的影响，同步报文与时敏报文联合调度，又消除了时敏报文对同步报文的影响，因此保证了时间同步的确定性；从确定性时间同步方法的同步过程可以看出，本发明并没有改变时间同步报文的格式，因此整个过程是完全兼容IEEE1588和802.1AS-Rev的同步协议的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过配置工具向交换机switch配置同步报文的驻留时间表table；

步骤2：当同步报文到达交换机时，交换机记录下报文的到达时间t_arrival；

步骤3：交换机从同步报文中提取出主时钟标识grandmasterIdentity，并通过grandmasterIdentity查驻留时间表table，找到该同步报文对应的表项，从表项中至少提取出目的端口号dport和驻留时间Δt；

步骤4：交换机从同步报文中提取出originTimestamp和correctionFiled字段，并通过公式originTimestamp+correctionFiled+(t_{update_time}-t_arrival)更新自己的主时钟，其中t_{update_time}是校时那一刻的本地时间；

步骤5：在步骤4后，交换机利用驻留时间Δt并通过公式correctionFiled＝correctionFiled+Δt+Linedelay更新correctionFiled字段，并等待报文发送；

步骤6：在时间Δt+t_arrival时将同步报文从目的端dport发出，并利用IEEE 802.1Qbv中定义的保护带机制消除其它报文对同步报文时延的影响。

2.根据权利要求1所述的一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，具体原理如下：

S1：主设备v₀在产生同步报文时，将主时钟的当前时刻G₀＝v₀.time放到同步报文中的originTimestamp字段，同时记录时间戳并更新报文中的correctionFiled字段为主设备在/>时刻将同步报文的第一比特发送出去；

S2：当同步报文的第一比特到达从设备v₁时，从设备记录时间戳当从设备提取出同步报文中originTimestamp和correctionFiled字段即G₀和c₀后，在校时那一刻利用当前时间/>并通过公式/>修改自己的时钟G₁；实际上/>记录了同步报文在主设备v₀中产生到从设备v₁校时那一刻所经历的时间；

S3：然后，更新correctionFiled字段为在时刻/>将同步报文第一比特从设备v₁发送出去；按照相同的方式，每台从设备与主设备完成校时，然后更新correctionFiled累积在该从设备上所驻留的时间，即第i台从设备通过公式进行校时，通过公式/>更新correctionFiled字段，在时刻/>时将同步报文第一比特从设备v_i中发送出去。

3.根据权利要求2所述的一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，所述其中为同步报文第一比特进入设备v_i时的时间戳，/>为设备v_i校时那一刻的时间戳，/>为同步报文在设备v_i中的驻留时间，G_i为设备v_i同步后的时间，c_i为同步报文从同步主v₀发出到设备v_i+1的累积时长，L_i为设备v_i与v_i+1之间的链路长度。

4.根据权利要求2所述的一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，驻留时间需根据以下情况合理的设置其大小：

在IEEE 1588的“One Step”同步场景下，驻留时间即为同步报文在交换机中的停留时间，它不应该小于交换机的最小转发时延；

在IEEE 1588的“Two Step”同步场景下，在同步报文之后还有一个伴随报文即follow-up报文，因此，这里的驻留时间除了同步报文的驻留时间外，还应考虑follow-up报文的驻留时间，记为/>表示自同步报文第一比特从设备v_i发出到follow-up报文第一比特从设备v_i发出的时间；/>应该不小于“follow-up报文的产生时间和最小转发时延之和”；本方法可使用两种follow-up报文的传输方法：①按照IEEE1588中“Two Step”的传输方法，同步报文发送后，再由当前主时钟产生follow-up报文，此时同步报文和伴随报文中间会存在传输间隙，根据follow-up报文的功能，它记录了上一跳同步报文第一比特发出的时间戳，该时间戳被IEEE 1588用于这一跳的时间同步，因此，本跳的驻留时间/>应该不小于②采用一种“紧随”的传输策略，基于使用驻留时间的传输策略，时间同步报文的第一比特发出的时间可以通过到达时间与驻留时间计算提前得到，即/>在时间同步报文发送之前，就可以将同步报文第一比特的发送时间戳添加到follow_up报文中并产生follow_up报文，从而实现follow_up报文在同步报文产生后立即产生，并且“紧随”在同步报文后发送，在这种情况下，follow-up报文与同步报文并行转发，则本跳的驻留时间应该不小于/>

5.根据权利要求1所述的一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，所述步骤4中所有时间戳均通过本地时钟打时间戳。

6.根据权利要求1所述的一种计算机网络确定性的时间同步方法，其特征在于，所述步骤5中linedelay是当前交换机目的端口到一下台直连的交换机的线长所引起的时延，该时延通过当前时间同步协议计算。