CN1794655A - 一种数字家庭网络的时间同步装置及同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字家庭网络的时间同步装置和时间同步方法，同步装置包括至少两套时间服务器、以及设置于时间服务器和数字家电内部的时间戳打印设备，所述同步方法为数字家电每次同时向两个时间服务器发送同步请求，分别得到家电时间与两个时间服务器上的时间的差别。若两个结果差异不大，则认为同步成功；若两个结果差异大于容忍范围，则认为是网络状况不佳，再次发送同步请求。本发明使用了时间同步方法，不仅能消除家电中时钟不准确的误差，还能自动发现故障的情形，并且在恶劣的网络环境中，时间同步仍能保持较高的精度。

Description

一种数字家庭网络的时间同步装置及同步方法

技术领域

本发明属于无线通信的时间同步技术领域，特别是涉及一种应用于数字家庭网络的时间同步技术。

技术背景

数字家庭随着3C融合技术的发展，越来越受到业界的关注，其将来将逐渐形成一个产业，数字家庭中将拥有高性能的计算机、数字电视、数字冰箱、数字空调、数码相机、移动通信终端、数字家居安防设备等。将包括各种各样大量的数字家电设备。

随着数字家庭产品的日趋成熟，数字家电在市场中的比例逐渐增大，我们已经可以预见将来数字家庭的发展面貌。在将来不但数字家电的数量会增多，而且种类也将变得越来越丰富。在一个数字家庭内，可能包含数字电视、数字微波炉、数字空调、数字热水器等等许多许多家电，数字家电将在各方各面影响着我们的生活。

数字家庭中包含大量的数字家电，有许多家电需要知道当前的标准时间，以确保正确工作。如空调需要在下午五点自动开启，热水器需要在晚上9点自动开启往浴缸注水等，这些的实现都需要我们的家电内有一个准确的时间。如果家电需要准确无误地协同工作，这就需要我们的家电的时钟必须同步，而且要与标准时间同步。这时需要我们建立一个精确的的时间同步系统。

但是为数众多的数字家电若要协同工作，服从家庭主人的统一调度，我们必须使数字家电的时钟与标准时间同步起来。这样家电在接收到指示后，才会在我们设想的时刻上做我们想要的事情。但是无线网络的网络质量比起有线网络相差十分大，为了保证数字家电时间同步的精度，传统的有线网络的方法已经不再适用。

现在虽然已经有许多成熟的时间同步技术，但是成熟的技术多数是应用于有线网络中。对于无线家庭局域网这种复杂的网络，网络拓扑不是固定的，网络中的设备的位置，网络设备间的联通情况经常会变化；网络的传输质量也常常不能保证，由于传输信号的衰减，延时是常见的问题，也有可能导至网络数据包多次重发。现有的经典NTP(网络时间协议)一般需要预知网络拓扑结构，才能实现预想精度的时间同步，这对于我们的无线家庭网络是不现实的。现在虽然有一些时间同步技术来解决无线网络时间同步的难点，但是他们只在网络协议中的应用层上改进收发端程序结构来提高精度，但是对于复杂的物理状况而言，这是不够的，我们的技术解决了这个问题，进一步提高时间同步的精度。

同时在为数众多的数字家电中，若某个家电的时钟出现了逻辑故障，必定对该家电的运行产生不良影响。我们需要一种能自动发现家电时钟故障，并迅速定位损坏时钟的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字家庭网络的时间同步装置。

本发明的另一目的在于根据时间同步装置，提供一种数字家庭网络的时间同步方法。

为了实现发明目的一，采用的技术方案为：

一种数字家庭网络的时间同步装置，包括时间服务器、时间戳打印设备，所述时间服务器一端与数字家庭网络设备连接，另一端连接公认的标准时间设备，本发明采用至少两套相同的时间服务器，且所述时间戳打印设备分别设置于相互连接的数字家庭网络设备和时间服务器中。

本发明在数字家庭网络中加入了两个时间服务器，增加了家庭中数字家电的时间同步精度和减少每次同步所耗费的时间。同时使用了两个时间服务器，也增加了数字家庭时钟系统的健壮性，当其中一个时间服务器出故障时，还有另外一个时间服务器为数字家庭提供标准时间。

所述两个时间服务器可以与标准时间相连接，并且把服务器自身的时间与标准时间同步，这个标准时间可以是Internet上的提供标准时间的服务器，也可以是GPS的标准时间服务等，令两个时间服务器的时间一致，这里的一致理解为两个时间差别在允许的范围内。

数字家电通过如下方式与一个时间服务器进行时间同步：

数字家电向时间服务器发送时间同步数据请求包，并在请求包发送出去的时刻在包上打印数字家电时间戳T1；时间服务器接收到数字家电的请求包后，立刻打印上时间服务器时间戳T2；时间服务器处理请求包完毕，发送回答包，并在请求回答包上打印时间服务器的时间戳T3；数字家电接收到回答包，打印上数字家电时间戳T4。根据T1、T2、T3、T4，可以得到服务器与家电的时间差。按照时间差调整家电的时间。

上述技术方案中，所述时间戳打印设备设置有开启打印时间戳的触发装置，且所述触发装置在数据到达数据链路层时才发出触发信号。这与一般的时间戳的打印时机都是发生在网络协议中的应用层不同，本发明把打印时间戳的时机转移到数据链路层，提出一种新的时间同步网络协议，让时间同步数据包中的时间戳更加精确。

为了实现发明目的二，采用的技术方案为：

一种数字家庭网络的时间同步方法，包括如下步骤：

(1)数字家电向时间服务器A发送时间同步数据包，并将数字家电的当前时间戳TA1打印在时间同步数据包中；

(2)时间服务器A接收数字家电发送过来的时间同步数据包，并将接收时间同步数据包的时间戳TA2打印在该数据包中；

(3)时间服务器A处理完数字家电发送的时间同步数据包，并返回该时间同步数据包给数字家电，同时将发送返回该数据包的时间戳TA3打印在数据包中；

(4)数字家电接收到时间服务器A返回的时间同步数据包，并将接收到返回数据包的时间戳TA4打印在数据包中；

(5)数字家电根据时间戳TA1、TA2、TA3、TA4计算出数字家电时间与时间服务器A的时间差异Da；

(6)在进行步骤(1)至(5)的同时，数字家电也通过时间同步数据包与时间服务器B进行时间同步，并在时间同步数据包上打印有时间戳TB1、TB2、TB3、TB4，计算出与数字家电与时间服务器B的时间差异Db；

(7)若Da与Db之间的差异在允许的范围内，时间同步成功，调整家电的时间并返回；如果Da与Db之间的差异超出允许范围，则再次请求时间同步，重复步骤(1)至(7)。

本发明的时间同步方法为数字家电每次同时向两个时间服务器发送同步请求，分别得到家电时间与两个时间服务器上的时间的差别。若两个结果差异不大，则认为同步成功；若两个结果差异大于容忍范围，则认为是网络状况不佳，再次发送同步请求。

上述技术方案中，所述时间服务器A、时间服务器B与标准时间相连接，且将时间与标准时间同步。这个标准时间可以是Internet上的提供标准时间的服务器，也可以是GPS的标准时间服务等，令两个时间服务器的时间一致，这里的一致理解为两个时间差别在允许的范围内。

本发明的时间同步方法还包括有检测时间服务器A或时间服务器B损坏的步骤(8)，具体如下：

在本发明的时间同步方法的步骤(7)计算出Da、Db后，若Da与Db之间的差异连续多次均超出允许范围，则判定至少有一个时间服务器损坏，时间服务器A和时间服务器B分别统计所有数字家电的当前时间，并与标准时间比对，通过检验比对结果是否一致来确定损坏的时间服务器。

数字家电每次向两个时间服务器发送的同步请求得到的两个结果，如果两个结果的差异连续多次大于预定值，则认为其中一个时间服务器出了故障，数字家电向时间服务器报告故障。时间服务器把自己的时间与标准时间和数字家电的时间做出比较，定位故障发生在哪一台时间服务器上。余下的正常时间服务器继续工作，整个网络的同步方式改成现有的单时间服务器方法。

本发明的时间同步方法还包括有检测数字电器故障的步骤(9)，具体如下：

数字家电在与时间服务器A或B完成时间同步后，将时间差异Da或Db返回到时间服务器A或B，如果连续多次返回的时间差异Da或Db均大于预定值，则判定该数字家电的时钟出现故障。

本发明的时间同步数据包到达数字家电或时间服务器的数据链路层时，由触发装置启动触发信号打印上时间戳。

由于每次同步时间，均要在包上打印多次时间戳，本发明不同于一般的在网络协议的应用层打印时间戳的做法，通过改进网络协议，使时间戳的打印时机下放到数据链路层，只有在数据包真正发送出去的时候或者数据包刚到达的时刻打印上时间戳，增加了时间戳的精度。

具体的发送/接收时间同步包的步骤如下：

发送时间同步数据包步骤：

(a)发送端应用层向网络发出发送时间同步数据包请求，此时待发出的数据包中并不包含时间戳信息；

(b)经过传统网络协议栈，数据包到达发送端的数据链路层，数据链路层从系统时钟得到当前时间信息，往数据包打印时间戳并发送数据包到网络中；

(c)发送成功直接转入步骤(d)，如果发送失败要求重发，则数据链路层再从系统时钟取出当前时间信息，重新打印数据包中的时间戳，再次发送。步骤(c)不断循环直至发送成功。

(d)发送完毕。

接收时间同步数据包步骤：

(A)接收端接收到网络中的时间同步数据包；

(B)数据包到达数据链路层，此时从系统时钟取出当前时间信息，往数据包打印时间戳；

(C)数据包经过传统协议栈，到达应用层，应用层可以读出时间戳。

本发明的有益效果在于：

(1)逻辑上采用两个时间服务器

为了应付无线家庭网络复杂的网络状况，本发明在数字家庭网络中加入了两个时间服务器。在逻辑使用了两个时间服务器的好处是增加了家庭中数字家电的时间同步精度和减少每次同步所耗费的时间。同时使用了两个时间服务器，也增加了数字家庭时钟系统的健壮性，当其中一个时间服务器出故障时，还有另外一个时间服务器为数字家庭提供标准时间。

(2)可以自动发现时间服务器的故障

本发明使用了两个时间服务器，当其中一个时间服务器出故障时，我们能通过另外一台运行良好的时间服务器和家庭网络中数字家电来判定出问题的时间服务器。

(3)可以自动发现数字家庭网络内设备的时钟部件的故障情况

当家庭网络中的数字家电时钟出现故障时，本发明能及时向用户报告故障情况和给出故障家电的信息。免去用户查找故障的麻烦。

(4)时间同步数据包发送的时间戳更精确

本发明把打印时间戳的时机转移到数据链路层，提出一种新的时间同步网络协议，让时间同步数据包中的时间戳更加精确。

附图说明

图1为数字家电与时间服务器的时间同步逻辑图；

图2为本发明的时间同步装置的逻辑结构图；

图3为本发明的时间戳打印协议栈结构示意图；

图4为本发明的一个实施例结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的时间同步装置如附图2所示，包括时间服务器A、时间服务器B，所述时间服务器A、时间服务器B分别与标准时钟和数字家电连接，本发明的时间戳打印装置分别设置于时间服务器A、B和数字家电中，由于其主要是逻辑概念，通过软件设计实现时间戳打印，故而图中未有标出。

本发明的实施例结构示意图如附图4所示，数字家庭中有数字空调、数字电视、数字热水器、数字电灯等数字家电，这些数字家电通过家庭网关与时间服务器A和时间服务器B连接，时间服务器A和时间服务器B也通过家庭网关连接Internet的标准时钟，或是GPS的标准时钟。假设是数字电灯的时钟精度不是很高，而且数字热水器是通过电池供电维持时钟的运作，但是它的电池已经耗尽，热水器的时钟已经不走。

联在网络的上的各个与时间相关的数字家电都定期向时间服务器A和时间服务器B发送时间同步请求包。数字电灯的时钟虽然不准确，但得益于数字电灯每隔一段时间都同步一次，数字电灯的时钟误差始终维持在可以接受的范围内，时钟的误差不会累积。数字热水器的时钟已经完全不走，每次时间的变动都是由于时间同步后的结果，由于时间同步后，热水器需要把自己的时钟与服务器的时钟误差返回给服务器，当服务器连续多次接收到的热水器时钟误差结果都大于一个预定值，所以服务器判定热水器的时钟已经损坏，向系统或者用户报告故障情况。

现在某一时刻，也许数字家庭的网络状况不好，端到端的延时非常大，数据包由于网络质量问题，经常出现发送失败的情况，需要重发数据包。这时，由于使用了两个时间服务器，本发明可以判断出当前网络的传输是否对我们的同步数据包产生不良的影响，数字家电能拒绝误差过大的时间同步数据包。由于经常发送数据包失败，时间戳打印都是在发送或接收时刻打印的，发送失败后，再次发送新的数据包，会重新打印时间戳，避免了在应用层打印时间戳在重发时不能更改的情况，而且时间戳也更精确的反映了真实的发送和接收时刻。

上述实施例中，数字家电与时间服务器的时间同步逻辑如附图1所示；数字家电向时间服务器发送时间同步数据请求包，并在请求包发送出去的时刻在包上打印数字家电时间戳T1；时间服务器接收到数字家电的请求包后，立刻打印上时间服务器时间戳T2；时间服务器处理请求包完毕，发送回答包，并在请求回答包上打印时间服务器的时间戳T3；数字家电接收到回答包，打印上数字家电时间戳T4。根据T1、T2、T3、T4，可以得到服务器与家电的时间差。按照时间差调整家电的时间。

上述实施例中，时间戳打印协议栈结构示意图如附图3所示，本实施例的时间戳打印与一般的时间戳的打印时机都是发生在网络协议中的应用层不同，把打印时间戳的时机转移到数据链路层，提出一种新的时间同步网络协议，让时间同步数据包中的时间戳更加精确。

上述由于使用了时间同步方法，不仅能消除家电中时钟不准确的误差，还能自动发现故障的情形，并且在恶劣的网络环境中，时间同步仍能保持较高的精度。

Claims (7)

1、一种数字家庭网络的时间同步装置，包括时间服务器、时间戳打印设备，所述时间服务器一端与数字家庭网络设备连接，另一端连接公认的标准时间设备，其特征在于采用至少两套相同的时间服务器，且所述时间戳打印设备分别设置于相互连接的数字家庭网络设备和时间服务器中。

2、根据权利要求1所述的数字家庭网络的时间同步装置，其特征在于所述时间戳打印设备设置有开启打印时间戳的触发装置，且所述触发装置在数据到达数据链路层时才发出触发信号。

3、一种采用权利要求1的时间同步装置的数字家庭网络的时间同步方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)数字家电向时间服务器A发送时间同步数据包，并将数字家电的当前时间戳TA1打印在时间同步数据包中；

(2)时间服务器A接收数字家电发送过来的时间同步数据包，并将接收时间同步数据包的时间戳TA2打印在该数据包中；

(3)时间服务器A处理完数字家电发送的时间同步数据包，并返回该时间同步数据包给数字家电，同时将发送返回该数据包的时间戳TA3打印在数据包中；

(4)数字家电接收到时间服务器A返回的时间同步数据包，并将接收到返回数据包的时间戳TA4打印在数据包中；

(5)数字家电根据时间戳TA1、TA2、TA3、TA4计算出数字家电时间与时间服务器A的时间差异Da；

(6)在进行步骤(1)至(5)的同时，数字家电也通过时间同步数据包与时间服务器B进行时间同步，并在时间同步数据包上打印有时间戳TB1、TB2、TB3、TB4，计算出与数字家电与时间服务器B的时间差异Db；

(7)若Da与Db之间的差异在允许的范围内，时间同步成功，调整家电的时间并返回；如果Da与Db之间的差异超出允许范围，则再次请求时间同步，重复步骤(1)至(7)。

4、根据权利要求3所述的数字家庭网络的时间同步方法，其特征在于所述时间服务器A、时间服务器B与标准时间相连接，且将时间与标准时间同步。

5、根据权利要求4所述的数字家庭网络的时间同步方法，其特征在于还包括有检测时间服务器A或时间服务器B损坏的步骤(8)，具体如下：

在所述步骤(7)计算出Da、Db后，若Da与Db之间的差异连续多次均超出允许范围，则判定至少有一个时间服务器损坏，时间服务器A和时间服务器B分别统计所有数字家电的当前时间，并与标准时间比对，通过检验比对结果是否一致来确定损坏的时间服务器。

6、根据权利要求5所述的数字家庭网络的时间同步方法，其特征在于还包括有检测数字电器故障的步骤(9)，具体如下：

数字家电在与时间服务器A或B完成时间同步后，将时间差异Da或Db返回到时间服务器A或B，如果连续多次返回的时间差异Da或Db均大于预定值，则判定该数字家电的时钟出现故障。

7、根据权利要求6所述的数字家庭网络的时间同步方法，其特征在于所述时间同步数据包到达数字家电或时间服务器的数据链路层时，由触发装置启动触发信号打印上时间戳。