CN102006157B - 一种时间同步的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间同步的方法和***，其中，所述方法包括：主设备将自身的物理网口速率信息告知从设备；从设备获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿。采用本发明的技术方案，在延时请求响应机制中将可以解决由于主从物理网口速率不一致引起的延迟不对称，导致相位不同步问题。

Description

一种时间同步的方法和***

技术领域

本发明涉及时钟同步领域，尤其涉及一种时间同步的方法和***。

背景技术

在通信***中，随着数据业务和多媒体业务的不断发展，基于IP的分组网络传送数据已是发展的主流。这时，一方面新的业务和新的应用对网络的同步性能提出更高的要求，另一方面对传统TDM(Time Division Multiplexing，时分复用)业务的兼容等都需要分组网络提供高质量的同步与定时性能。

IEEE1588 PTP(Precision Time Synchronization Protocol，精密时钟同步协议)是为克服以太网实时性不足而规定的一种对时机制，它的出现给我们带来了希望，它的主要原理是对网络中所有节点进行对时同步，由一个精确的时间源周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步。

IEEE 1588 PTP是一种以太网时钟同步协议，通过同步报文实现主从同步。PTP标准协议可以承载在Ethernet 802.3、UDP/IPv4和UDP/IPv6，802.3帧结构的形式如表1所示。

表1

IEEE 1588v2***作为一种主从同步***，在***的同步过程中，主时钟按照预定的时间间隔发送PTP时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，***据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。具体方案如图1所示。主设备(Master)发送Sync(同步)报文，并记录时间t1。从设备(Slave)在接收到Sync报文时，记录t2。从设备根据主设备发送的Follow_up(跟踪)报文，获知t1。从设备相应的发起Delay_Req(延迟请求)报文，同时记录时间t3，主设备收到Delay_Req报文后，记录时间t4，并填入Delay_Resp(延时响应)报文。从设备根据主设备发送的Delay_Resp(延迟响应)报文，获知t4。

图1中t1和t2分别为Sync报文的发送和接收时间戳，即t1是Sync报文出主设备时的时间，t2为Sync报文到从设备时的时间。t3和t4分别为Delay_Req报文的发送和接收时间戳，即t3为Delay_Req报文出从设备的时间，t4为Delay_Req报文到主设备的时间。

平均线路传输延时mean_path_delay＝[(t2-t1)+(t4-t3)]/2＝[(t2-t3)+(t4-t1)]/2            (式1)

从设备的时间与主设备的时间之差为offset＝[(t1-t2)+(t4-t3)]/2(式2)

通过上面两式，可以把从设备的时间同步于主设备。

目前同步设备厂商们正在试图用IEEE1588网络时钟代替GPS(Global Positioning System，全球定位***)时钟源，但是发布的IEEE1588-2008在实现时还存在一些问题。

发明内容

现有的IEEE1588-2008标准没有明确描述主与从物理连接网口是否速率匹配，如果主从物理连接网口速率不一致，会导致主到从的延迟时间与从到主的延迟时间不同，从而产生时间同步误差，导致同步时相位不对称问题。

本发明要解决的技术问题提出一种时间同步的方法和***，解决主从间由于时间戳接口物理速率不一致，导致主从间时间不同步问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种时间同步的方法，包括：

主设备将自身的物理网口速率信息告知从设备；

从设备获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿。

优选地，上述方法具有以下特点：

所述主设备将自身的物理网口速率告知从设备的步骤包括：

主设备向从设备发送通知报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息。

优选地，上述方法具有以下特点：

所述主设备向从设备发送通知报文之前，所述主设备将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的域号和标识域之间的保留字节中。

优选地，上述方法具有以下特点：

所述物理网口速率信息中，采用0001表示10M的物理网口速率、0010表示100M物理网口速率、0100表示1000M物理网口速率、1000表示10000M物理网口速率。

优选地，上述方法具有以下特点：

所述从设备通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对所述时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为：

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

为了解决上述问题，本发明提供一种时间同步的***，包括主设备和一个或多个从设备，

主设备用于将自身的物理网口速率信息告知从设备；

从设备用于获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿。

优选地，上述***具有以下特点：

主设备进一步用于通过向从设备发送通知报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息，将自身的物理网口速率信息告知从设备。

优选地，上述***具有以下特点：

所述主设备进一步用于向从设备发送通知报文之前，将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的域号和标识域之间的保留字节中。

优选地，上述***具有以下特点：

所述物理网口速率信息中，采用0001表示10M的物理网口速率、0010表示100M物理网口速率、0100表示1000M物理网口速率、1000表示10000M物理网口速率。

优选地，上述***具有以下特点：

所述从设备进一步用于通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对所述时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为：

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

采用本发明的技术方案，在延时请求响应机制中将可以解决由于主从物理网口速率不一致引起的延迟不对称，导致相位不同步问题。

附图说明

图1是延时请求响应机制示意图；

图2是组网示意图；

图3是本发明应用示例的流程图。

具体实施方式

首先，对现有技术出现的问题进行分析：

如图2所示的组网方式中，主设备与从设备之间物理接口速率不匹配的情况下，会带来非对称延时问题。对于图2，我们在如下条件下进行分析：

1、两个方向的线路传输延时相等；

2、中间未知网络(云网络)延时相同；

3、在帧前导(preamble)与目的MAC之间打时间戳；

为了分析问题需要，同时做如下假设：

(1)采用UDP/IPv4/Ethernet报头，包括校验位，整个包长为86比特；

(2)报文帧由交换机完全读入缓存后再开始转发；

(3)帧前导为8比特；

(4)校验位为4比特；

(5)主设备的物理网口速率为千兆以太网；

(6)从设备的物理网口速率为百兆以太网；

在主设备到从设备的方向上，事件报文的延时为：

t2-t1＝(L₁+L₂)_bytes×8_bits/byte×GE_ns/bit+D_PSN+(L₃)_bytes×8_bits/byte×FE_ns/bit  (式3)

其中，L₁表示除帧前导(pre-amble)和校验位(FCS)外整个帧长；

L₂表示检验位(FCS)长度；

L₃表示帧前导(pre-amble)长度；

GE_ns/bit表示1000M物理网口转发每bit数据的时间；

FE_ns/bit表示100M物理网口转发每bit数据的时间；

D_PSN表示数据包经过未知网络的延迟时间；

在从设备到主设备的方向上，事件报文的延时为：

t4-t3＝(L₁+L₂)_bytes×8_bits/byte×FE_ns/bit+D_PSN+(L₃)_bytes×8_bits/byte×GE_ns/bit  (式4)

其中L₁、L₂、L₃、GE_ns/bit、FE_ns/bit、D_PSN与式3表示相同。

平均线路传输延时如下式：

$N_{\mathrm{meanPathDelay}}=\frac{[(t2-t1)+(t4-t3)]}{2}$ (式5)

将式(3)和式(4)代入式(5)为：

$N_{\mathrm{meanPathDealy}}=\frac{(L_1+L_2+L_3)\×8\×{(\mathrm{GE}+\mathrm{FE})}_{\mathrm{ns}}}{2}+D_{\mathrm{PSN}}$ (式6)

上面的计算结果是在主从两个方向的延迟认为是对称的基础上的，也就是认为

(t2-t1)＝(t4-t3)            (式7)

而实际上这二者是不相等的。

式3减式6计算Master到Slave与Slave到Master延时误差为：

$N_{\mathrm{meanPathDelayAssymmetry}}=(L_1+L_2)\×8\×\frac{\mathrm{GE}-\mathrm{FE}}{2}+L_3\×8\×\frac{\mathrm{FE}-\mathrm{GE}}{2}$ (式8)

式6减式4计算Master到Slave与Slave到Master延时误差为：

$N_{\mathrm{meanPathDelayAssymmetry}}=(L_1+L_2)\×8\×\frac{\mathrm{GE}-\mathrm{FE}}{2}+L_3\×8\×\frac{\mathrm{FE}-\mathrm{GE}}{2}$ (式9)

对于1000M物理网口，传一位数据所需要的时间为1ns，对于100M物理网口，传一位数据所需要的时间为10ns。代入式8或式9可以得到，

$N_{\mathrm{meanPathDelayAssymmetry}}=(86+4)\×8\×\frac{1-10}{2}+8\×8\×\frac{10-1}{2}=-2952\mathrm{ns}$ (式10)

从理论上推导，对于主从之间，由于1000M物理网口与100M物理网口速率不匹配的情况下，导致-2.952us的误差，这个误差将被误认为是由于主从间的偏差造成的，调整后将会引起主从间相位不同的问题。

为了证明这个理论的正确性，做了如下实验，主设备为1000M物理网口速率，从设备为100M物理网口速率，分别经过一级交换和九级交换。实验结果如下表所示。从表2中看出，交换级数的增加，对非对称性没有影响，该非对称性是由主从物理网口速率不匹配导致。

表2

说明：“-”表示Slave的相位超前于Master的相位

无论PTP报文承载在Ethernet 802.3上，还是承载在UDP/IPv4和UDP/IPv6上均存在同样的问题。只要主从之间物理网口速率不一致，则会导致主到从的延时间与从到主报文延迟时间不同，从而导致同步后主从间相位不同步问题。

本发明提出解决主从之间物理网口速率不一致导致延迟非对称性问题。方法如下：主设备将自身的物理网口速率信息告知从设备；从设备获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿。

具体地，主设备可通过向从设备发送Announce(通知)报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息。

该物理网口速率信息可位于domainNumber(域号)和flagField(标识域)之间的reserved(保留)字节中，也即：所述主设备向从设备发送通知报文之前，所述主设备可将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的domainNumber和flagField之间的reserved字节中。

所述物理网口速率信息中，可采用0001表示10M的物理网口速率、0010表示100M物理网口速率、0100表示1000M物理网口速率、1000表示10000M物理网口速率。

所述从设备通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对所述时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为：(式11)

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

相应地，本发明实施例的时间同步的***，包括主设备和一个或多个从设备，其中，

主设备在实施其主设备功能的同时，将自身的物理网口速率信息告知从设备；

从设备在实施其主设备功能的同时，通过Announce报文获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿。

主设备可进一步用于通过向从设备发送通知报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息，将自身的物理网口速率信息告知从设备。

所述主设备进一步用于向从设备发送通知报文之前，可将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的域数目和领域标识之间的保留字节中。

所述从设备可进一步用于通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对所述时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为：

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

下面通过一个在Announce报文报头增加表示主设备物理网口速率应用示例进一步说明本发明。

应用1588进行时间同步的模型如图2所示，中间可能经过多个交换机、路由器等。

如图3所示，本示例包括如下步骤：

步骤301，主设备将自身的物理网口速率信息写入Announce报文的domainNumber和flagField之间的reserved字节中，其中，0001表示10M、0010表示100M、0100表示1000M、1000表示10000M；

原Announce报文报头可参见表3，本示例的新Announce报文报头可参见表4；

步骤302，主设备将该Announce报文发送给从设备；

步骤303，从设备接收到Announce报文后，解析出主设备的物理网口速率；

步骤304，从设备把解析出来的主设备的物理网口速率与从设备的物理网口速率比较，如果相同，则不进行补偿，如果不相同，解析出报文的长度，然后按照式11的计算出来的值进行补偿。

按照上述步骤，就可以保证主从之间物理网口速率不一致情况下，不会产生由于线路不对称引起同步后相位不对称的问题。

表3  现有技术的Announce报文报头

表4  本应用示例的Announce报文报头

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种时间同步的方法，包括：

主设备将自身的物理网口速率信息告知从设备；

从设备获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿；

所述从设备通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为： $N_{\mathrm{meanPathDelayAssymmetry}}=(L_1+L_2)\×8\×\frac{\mathrm{Sm}-\mathrm{Ss}}{2}+L_3\×8\×\frac{\mathrm{Ss}-\mathrm{Sm}}{2}$

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述主设备将自身的物理网口速率告知从设备的步骤包括：

主设备向从设备发送通知报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述主设备向从设备发送通知报文之前，所述主设备将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的域号和标识域之间的保留字节中。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述物理网口速率信息中，采用0001表示10M的物理网口速率、0010表示100M物理网口速率、0100表示1000M物理网口速率、1000表示10000M物理网口速率。

5.一种时间同步的***，包括主设备和一个或多个从设备，其特征在于，

主设备用于将自身的物理网口速率信息告知从设备；

从设备用于获知主设备的物理网口速率后，与自身的物理网口速率进行比较，如果不相同，则对计算得到的平均线路传输延时进行补偿，否则，不进行补偿；

所述从设备进一步用于通过将计算得到的平均线路传输延时减去延时误差，对时钟偏差进行补偿，其中，

所述延时误差为： $N_{\mathrm{meanPathDelayAssymmetry}}=(L_1+L_2)\×8\×\frac{\mathrm{Sm}-\mathrm{Ss}}{2}+L_3\×8\×\frac{\mathrm{Ss}-\mathrm{Sm}}{2}$

L₁表示除帧前导和校验位外整个帧长，L₂表示检验位长度，L₃表示帧前导长度，Sm表示主设备的物理网口转发每比特数据的时间，Ss表示从设备的物理网口转发每比特数据的时间。

6.如权利要求5所述的***，其特征在于，

主设备进一步用于通过向从设备发送通知报文，所述通知报文中携带自身的物理网口速率信息，将自身的物理网口速率信息告知从设备。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，

所述主设备进一步用于向从设备发送通知报文之前，将自身的物理网口速率信息写入所述通知报文的域号和标识域之间的保留字节中。

8.如权利要求5～7中任意一项所述的***，其特征在于，

所述物理网口速率信息中，采用0001表示10M的物理网口速率、0010表示100M物理网口速率、0100表示1000M物理网口速率、1000表示10000M物理网口速率。