CN108650259A - 一种基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步***，一种基于分布式网络的时间感知模块，包括：同步站点单元，主时钟单元，从时钟单元，第一端口，第二端口，数据中转单元，一种基于分布式网络的时间同步***，包括多个时间感知模块组成，本发明实施例通过时钟选择算法调用时间感知模块的相关单元，并通过计算链路延时和测量时间差，最后完成相连的时间感知模块之间的时钟同步，从而达到分布式网络的时钟同步，使得分布式网络时钟同步***的时钟同步精度到达纳秒级别，且该分布式网络具有较强的稳定性，从而满足更多设备的需求。
Description
技术领域
本发明属于电子与通信领域，具体涉及一种基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步***。
背景技术
随着以太网技术的快速发展，分布式网络的应用对时钟同步精度的要求越来越高。在实际生活中，分布式网络中各节点的应用设备也采用了不同的时钟同步方法进行时钟同步。
目前，常用于以太网的同步协议有：网络时间协议NTP(Network Time Protocol)和其简单版本SNTP(Simple Network Time Protocol)。NTP/SNTP协议用途是将计算机的时间通过网卡同步到某些时间标准，采用服务器/客户端模式在应用层进行时间同步。
然而，由于时间信号通过分布式网络信道传送到不同终端节点的延时不同，所以采用这种授时方式的同步精度不高，一般在10ms到100ms之间，已经无法满足分布式网络节点设备对高精度时钟的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步***，一种基于分布式网络的时间感知模块，包括：
同步站点单元，用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟；
主时钟单元，用于发送时间信息至所述同步站点单元；
从时钟单元，用于接收所述同步站点单元的所述时钟信息并将所述时钟信息发送至所述时间感知应用；
第一端口，用于接收所述同步站点单元的所述时间信息；
第二端口，用于将所述时间信息发送至所述同步站点单元；
数据中转单元，用于接收所述第一端口发送的第一报文信息，还用于将第二报文信息发送至所述第二端口。
在本发明的一个实施例中，同步站点单元，具体用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟，
若是，则所述同步站点模块调用所述主时钟单元、所述从时钟单元、所述第一端口和所述数据中转单元；
若否，则所述同步站点单元调用所述数据中转模单元、所述第二端口和所述从时钟单元。
在本发明的一个实施例中，所述时钟选择算法包括：
所述同步站点接收时钟信息；
所述同步站点根据所述时钟信息确定所述感知模块主时钟或所述非主时钟。
在本发明的一个实施例中，所述主时钟单元与时钟源相连。
在本发明的一个实施例中，所述时间感知模块为主时钟时，所述主时钟单元发送所述时间信息至所述同步站点单元，所述同步站点单元通过所述从时钟单元将所述时间信息发送至所述时间感知应用，同时，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述第一端口，所述第一端口通过所述第一报文信息将所述时间信息发送至所述数据中转单元。
在本发明的一个实施例中，所述时间感知模块为非主时钟时，所述数据中转单元通过所述第二报文信息将所述时间信息发送至所述第二端口，所述第二端口将所述时间信息发送至所述同步站点单元，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述从时钟单元，所述从时钟单元计算出所述时间信息与本地时钟的时间差，利用所述时间差校正所述本地时钟。
在本发明的一个实施例中，所述第一报文信息通过所述第一端口对所述时间信息进行报文填充后获得。
在本发明的一个实施例中，还包括：所述时间感知模块还连接下一级时间感知模块时，当前所述同步站点单元将校正后的所述时间信息发送至当前所述第一端口，当前所述第一端口将所述时间信息发送至当前所述数据中转单元。
在本发明的一个实施例中，所述第二报文信息解析后获得所述时间信息。
本发明还提供了一种基于分布式网络的时间同步***，包括本发明的时间感知模块所述的时间感知模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明提供的时间同步***提供了更为可靠的时间同步方案，使得该***时间同步精度达到纳秒级别；
2)本发明提供的时间同步***使该***具有较强的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间感知模块的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的延时测量原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的时间差原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间感知模块的结构示意图。一种基于分布式网络的时间感知模块，包括：
同步站点单元，用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟；
主时钟单元，用于发送时间信息至所述同步站点单元；
从时钟单元，用于接收所述同步站点单元的所述时钟信息并将所述时钟信息发送至所述时间感知应用；
第一端口，用于接收所述同步站点单元的所述时间信息；
第二端口，用于将所述时间信息发送至所述同步站点单元；
数据中转单元，用于接收所述第一端口发送的第一报文信息，还用于将第二报文信息发送至所述第二端口。
优选地，同步站点单元，具体用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟，
若是，则所述同步站点模块调用所述主时钟单元、所述从时钟单元、所述第一端口和所述数据中转单元；
若否，则所述同步站点单元调用所述数据中转模单元、所述第二端口和所述从时钟单元。
优选地，所述时钟选择算法包括：
所述同步站点接收时钟信息；
所述同步站点根据所述时钟信息确定所述感知模块主时钟或所述非主时钟。
优选地，所述主时钟单元与时钟源相连。
优选地，所述时间感知模块为主时钟时，所述主时钟单元发送所述时间信息至所述同步站点单元，所述同步站点单元通过所述从时钟单元将所述时间信息发送至所述时间感知应用，同时，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述第一端口，所述第一端口通过所述第一报文信息将所述时间信息发送至所述数据中转单元。
优选地，所述时间感知模块为非主时钟时，所述数据中转单元通过所述第二报文信息将所述时间信息发送至所述第二端口，所述第二端口将所述时间信息发送至所述同步站点单元，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述从时钟单元，所述从时钟单元计算出所述时间信息与本地时钟的时间差，利用所述时间差校正所述本地时钟。
优选地，所述第一报文信息通过所述第一端口对所述时间信息进行报文填充后获得。
优选地，还包括：所述时间感知模块还连接下一级时间感知模块时，当前所述同步站点单元将校正后的所述时间信息发送至当前所述第一端口，当前所述第一端口将所述时间信息发送至当前所述数据中转单元。
优选地，所述第二报文信息解析后获得所述时间信息。
本发明还提供了一种基于分布式网络的时间同步***，包括本发明的时间感知模块所述的时间感知模块。
在本实施例中，通过时钟选择算法确定时间感知模块是否为主时钟，然后确定数据流向和调用功能单元，并通过时间差完成该***的时间同步，使该***的时钟同步精度更高。
实施例二
请继续参见图1，并请参见图2和图3，图1为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间感知模块的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的延时测量原理示意图；图3为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的时间差原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对基于分布式网络的时间感知模块及其时间同步***进行了详细描述。
一种基于分布式网络的时间感知模块，在该分布式网络中一个网络节点就是一个时间感知模块，该时间感知模块包括：同步站点单元(Sitesync)、第一端口(portsync 1)、第二端口(portsync 2)、数据中转单元(Md)、主时钟单元(ClockMaster)和从时钟单元(ClockSlave)，其中，同步站点单元是根据时钟选择算法选取的结果，来确定该时间感知模块为主时钟或从时钟，来确定数据流向，并调用相关的功能单元；第一端口，用于将所述同步站点单元发送的时间信息填充报文，并发出所述报文；第二端口，是用于接收数据中转单元发送的报文并解析报文，并将报文包含的时间信息发送给所述同步站点单元；数据中转单元，是与外部其他时间感知模块连接，获取报文和报文中的时间戳信息，并完成报文的转发；主时钟单元，跟时钟源连接，当该时间感知模块为主时钟时，用于提供标准时间信息，并将所述标准时间信息发送给所述同步站点单元；从时钟单元，接收和发送时间信息给所述同步站点单元，并通过时间信息计算链路延时，根据所述链路延时计算与上一级时间感知模块的时间差，并通过所述时间差校正本地时钟。
优选地，时钟选择算法是通过该时间感知模块所在的分布式网络的各节点之间发送Announce报文(宣告报文)，其中，各节点接收并处理其他节点的报文信息，并通过Announce报文进行交互，比较各时钟信息，并选出主时钟，和分布式网络的时钟同步路径，其中，主时钟所在节点为主节点，与主节点相连的节点为从节点，并确定主节点与分布式网络中其他节点的同步路径。
优选地，当该时间感知模块通过时钟选择算法选择为主时钟时，则该时间感知模块所在节点为主节点，与其相连接的其他节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用主时钟单元，第一端口和数据中转单元，其中，主时钟单元与时钟源相连，提供标时间信息，主时钟单元将时间信息发送至同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至第一端口，第一端口对时间信息进行报文填充后获得第一报文信息，并将第一报文信息发送至数据中转单元。
优选地，当该时间感知模块为从时钟时，则该时间感知模块所在节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用数据中转单元、第二端口和从时钟单元，其中，数据中转单元通过第二报文信息发送至第二端口，第二端口解析第二报文信息获得时间信息，并将时间信息发送给同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至从时钟单元，从时钟单元计算出获得的时间信息与本地时钟的时间差，并校正本地时钟。当该从节点还存在下一级节点时，同步站点单元还调用第一端口，通过同步站点将校正后的时间信息发送至第一端口，并通过第一端口将校正后的时间信息进行报文填充获得第一报文信息，然后发送给数据中转单元，并通过数据中转单元发送给下一级节点。
优选地，当两个存在时间同步主从关系的相连的时间感知模块要完成时间同步时，首相需要测量链路延时，如图2所示，测量链路延时包括：
通过分布式网络节点向上游相连节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，第一时间戳为延迟请求报文发送时间点；通过上游相连时钟节点接收延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，第二时间戳为延迟请求报文接收时间点；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，延迟响应报文包含第二时间戳；本节点接收延迟响应报文，获取第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应跟随报文，其中延迟响应跟随报文包含有第三时间戳；本节点接收延迟响应跟随报文，获取第三时间戳；最后，通过公式计算链路延时，计算链路延时的公式为：
其中，link_delay为链路延时，t1为第一时间戳，t2为第二时间戳，t3为第三时间戳，t4为第四时间戳。
优选地，如图3所示，测量时间差包括：通过上游相连节点向本节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，第五时间戳为同步报文的发送时间点；通过上游相连节点向本节点发送跟随报文，其中跟随报文包含第五时间戳；通过本节点接收同步报文，并记录第六时间戳；其中，第六时间戳为同步报文接收时间点；通过本节点接收跟随报文；根据第五时间戳和第六时间戳计算上游相连节点与本节点的时间差，计算时间差的公式为：
D＝link_delay+t6-t5
其中，link_delay为链路延时，D为时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
优选地，一种基于分布式网络的时间同步***，包括由多个时间感知模块组成，其中，各相连时间感知模块之间通过报文形式进行时间同步。
优选地，该分布式网络各节点的时间同步通过相邻节点的时间差的，校正各节点的时间，即校正时间感知模块的同步时钟，且该分布式网络的时间同步为周期性运行。
本发明实施例通过时钟选择算法调用时间感知模块的相关单元，并通过计算链路延时和测量时间差，最后完成相连的时间感知模块之间的时钟同步，从而达到分布式网络的时钟同步，使得分布式网络时钟同步***的时钟同步精度到达纳秒级别，且该分布式网络具有较强的稳定性，从而满足更多设备的需求。
实施例三
请继续参见图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的延时测量原理示意图；图3为本发明实施例提供的一种基于分布式网络的时间同步***的时间差原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上对该时间感知模块及其时间同步***进行了详细的描述。
分布式网络是由分布在不同地点且具有多个终端的节点机互连而成的。网中任一点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其他链路完成，具有较高的可靠性，同时，网络易于扩充。
优选地，分布式网络中的全部节点构成了一个时钟同步***，域中的所有节点分别包括时钟源，桥和端站，其中，时钟源的数量为一个，端站的数量为至少一个，桥的数量为至少一个。分布式网络中的每一个节点为一个时间感知模块，即时钟源、桥和端站都为时间感知模块。
优选地，时间感知模块包括：同步站点同步站点单元(Sitesync)、第一端口(portsync 1)、第二端口(portsync 2)、数据中转单元(Md)、主时钟单元(ClockMaster)和从时钟单元(ClockSlave)，其中，同步站点单元是根据时钟选择算法选取的结果，来确定该时间感知模块为主时钟或从时钟，来确定数据流向，并调用相关的功能单元；第一端口，用于将所述同步站点单元发送的时间信息填充报文，并发出所述报文；第二端口，是用于接收数据中转单元发送的报文并解析报文，并将报文包含的时间信息发送给所述同步站点单元；数据中转单元，是与外部其他时间感知模块连接，获取报文和报文中的时间戳信息，并完成报文的转发；主时钟单元，跟时钟源连接，当该时间感知模块为主时钟时，用于提供标准时间信息，并将所述标准时间信息发送给所述同步站点单元；从时钟单元，接收和发送时间信息给所述同步站点单元，并通过时间信息计算链路延时，根据所述链路延时计算与上一级时间感知模块的时间差，并通过所述时间差校正本地时钟。
优选地，时钟选择算法是通过该时间感知模块所在的分布式网络的各节点之间发送Announce报文，其中，各节点接收并处理其他节点的报文信息，并通过Announce报文进行交互，比较各时钟信息，并选出主时钟，和分布式网络的时钟同步路径，其中，主时钟所在节点为主节点，与主节点相连的节点为从节点，并确定主节点与分布式网络中其他节点的同步路径。
优选地，当该时间感知模块通过时钟选择算法选择为主时钟时，则该时间感知模块所在节点为主节点，与其相连接的其他节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用主时钟单元，第一端口和数据中转单元，其中，主时钟单元与时钟源相连，提供标时间信息，主时钟单元将时间信息发送至同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至第一端口，第一端口对时间信息进行报文填充后获得第一报文信息，并将第一报文信息发送至数据中转单元。
优选地，当该时间感知模块为从时钟时，则该时间感知模块所在节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用数据中转单元、第二端口和从时钟单元，其中，数据中转单元通过第二报文信息发送至第二端口，第二端口解析第二报文信息获得时间信息，并将时间信息发送给同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至从时钟单元，从时钟单元计算出获得的时间信息与本地时钟的时间差，并校正本地时钟。当该从节点还存在下一级节点时，同步站点单元还调用第一端口，通过同步站点将校正后的时间信息发送至第一端口，并通过第一端口将校正后的时间信息进行报文填充获得第一报文信息，然后发送给数据中转单元，并通过数据中转单元发送给下一级节点。
优选地，当两个存在时钟同步主从关系的相连的时间感知模块要完成时钟同步时，首相需要测量链路延时，如图2所示，测量链路延时包括：
通过分布式网络节点向上游相连节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，第一时间戳为延迟请求报文发送时间点；通过上游相连时钟节点接收延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，第二时间戳为延迟请求报文接收时间点；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，延迟响应报文包含第二时间戳；本节点接收延迟响应报文，获取第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应跟随报文，其中延迟响应跟随报文包含有第三时间戳；本节点接收延迟响应跟随报文，获取第三时间戳；最后，通过公式计算链路延时，计算链路延时的公式为：
其中，link_delay为链路延时，t1为第一时间戳，t2为第二时间戳，t3为第三时间戳，t4为第四时间戳。
优选地，如图3所示，测量时间差包括：通过上游相连节点向本节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，第五时间戳为同步报文的发送时间点；通过上游相连节点向本节点发送跟随报文，其中跟随报文包含第五时间戳；通过本节点接收同步报文，并记录第六时间戳；其中，第六时间戳为同步报文接收时间点；通过本节点接收跟随报文；根据第五时间戳和第六时间戳计算上游相连节点与本节点的时间差，计算时间差的公式为：
D＝link_delay+t6-t5
其中，link_delay为链路延时，D为时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
优选地，本节点完成时钟同步后，同理，向与相连的下一级设备依次完成测量链路延时和时间差，完成时间同步，其中链路延时为本节点到其所连接的下一级设备的链路延时，并与本节点时钟同步。以此类推，直到完成分布式网络的时钟同步。
优选地，delay_Req报文、delay_Resp报文、Sync报文为事件报文；Pdelay_Resp_Follow_Up报文、Follow_Up报文为通用报文，其中，事件报文需要在发送和接收的时候记录精确的时间戳，通用报文不用记录时间戳。
优选地，从时钟在计算出与主时钟的时间差后，通过时钟源接口函数，调用时钟调节函数，修正与主时钟之间的时间差，从而完成与主时钟的时钟同步。
优选地，时钟选择算法为周期性运行，分布是网络时钟同步也为周期性运行，其中，时钟选择算法和时钟同步的时间周期通过Signaling报文(信令报文)获取，Signaling报文通过设备的Signal配置接口设置。
在本实施例中，通过测量相连设备之间的链路延时进一步计算时间差，并通过时间差校正同步时钟，逐级完成分布式网络的时钟同步，采用该方式可以使分布式网络达到纳秒级别的时钟同步精度，而且该分布式网络时钟同步的稳定性较强，能更满足更多设备的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于分布式网络的时间感知模块，其特征在于，包括：
同步站点单元，用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟；
主时钟单元，用于发送时间信息至所述同步站点单元；
从时钟单元，用于接收所述同步站点单元的所述时钟信息并将所述时钟信息发送至时间感知应用；
第一端口，用于接收所述同步站点单元的所述时间信息；
第二端口，用于将所述时间信息发送至所述同步站点单元；
数据中转单元，用于接收所述第一端口发送的第一报文信息，还用于将第二报文信息发送至所述第二端口。
2.根据权利要求1所述的时间感知模块，其特征在于，同步站点单元，具体用于根据时钟选择算法确定所述时间感知模块是否为主时钟，
若是，则所述同步站点模块调用所述主时钟单元、所述从时钟单元、所述第一端口和所述数据中转单元；
若否，则所述同步站点单元调用所述数据中转模单元、所述第二端口和所述从时钟单元。
3.根据权利要求1所述的时间感知模块，其特征在于，所述时钟选择算法包括：
所述同步站点接收时钟信息；
所述同步站点根据所述时钟信息确定所述感知模块主时钟或所述非主时钟。
4.根据权利要求2所述的时间感知模块，其特征在于，所述主时钟单元与时钟源相连。
5.根据权利要求2所述的时间感知模块，其特征在于，所述时间感知模块为主时钟时，所述主时钟单元发送所述时间信息至所述同步站点单元，所述同步站点单元通过所述从时钟单元将所述时间信息发送至所述时间感知应用，同时，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述第一端口，所述第一端口通过所述第一报文信息将所述时间信息发送至所述数据中转单元。
6.根据权利要求2所述的时间感知模块，其特征在于，所述时间感知模块为非主时钟时，所述数据中转单元通过所述第二报文信息将所述时间信息发送至所述第二端口，所述第二端口将所述时间信息发送至所述同步站点单元，所述同步站点单元将所述时间信息发送至所述从时钟单元，所述从时钟单元计算出所述时间信息与本地时钟的时间差，利用所述时间差校正所述本地时钟。
7.根据权利要求6所述的时间感知模块，其特征在于，所述第一报文信息通过所述第一端口对所述时间信息进行报文填充后获得。
8.根据权利要求6所述的时间感知模块，其特征在于，还包括：所述时间感知模块还连接下一级时间感知模块时，当前所述同步站点单元将校正后的所述时间信息发送至当前所述第一端口，当前所述第一端口将所述时间信息发送至当前所述数据中转单元。
9.根据权利要求6所述的时间感知模块，其特征在于，所述第二报文信息解析后获得所述时间信息。
10.一种基于分布式网络的时间同步***，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的时间感知模块。
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