CN112968748B - 软件同步误差补偿方法、***、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软件同步误差补偿方法、***、介质及设备，包括：步骤1：初始化客户端应用程序，包括应用程序缓存数据、初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态；步骤2：客户端与服务器通过套接字Socket完成校时；步骤3：服务器在校时完成后向所有连接服务器的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后同步启动应用程序；步骤4：每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间。本发明在NTP同步校时基础上对所有客户端应用程序进行校时，保障了应用程序严格按照时序运行，进行正常的业务交互，本发明无需太多硬件校时设备，具有成本低、***可控、可靠性高的特点。

Description

软件同步误差补偿方法、***、介质及设备

技术领域

本发明涉及时间校准技术领域，具体地，涉及一种软件同步误差补偿方法、***、介质及设备。

背景技术

在支持网络套接字的计算机***中均可采用NTP技术进行时间同步，客户端上时间误差也在毫秒级，但对于运行在客户端上的应用程序来说，运行一段时间(半个小时)就会出现误差累积过大，超出误差容错范围，从而导致各客户端上运行的程序在时序上相互干扰，不能正常工作。对于NTP校时来说，每隔一段时间客户端会重新进行校时，但越稳定校时间隔就会越大，因此在两次校时间隔需要对应用程序运行产生的误差进行补偿，避免长时间的误差累积，使应用程序正常工作。

专利文献CN104410481B(申请号：CN201410710632.7)公开了一种基于NTP网络的对时方法及对时***，包括以下步骤：主站向终端发送查询精确时钟的请求；终端回复主站的查询精确时钟的请求；主站记录请求回复收到的时间，重复前序步骤；主站计算主站到终端的网络传送的时间，向终端发送修改时间偏差请求；终端确认，并修改时间；主站查询终端时间；终端向主站返回终端时间；主站确认终端时间正确后，向终端发送校时请求；终端根据主站的校时请求对一次表计进行对时；终端确认。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种软件同步误差补偿方法、***、介质及设备。

根据本发明提供的软件同步误差补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：初始化客户端应用程序，包括应用程序缓存数据、初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态；

步骤2：客户端与服务器通过套接字Socket完成校时；

步骤3：服务器在校时完成后向所有连接服务器的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后同步启动应用程序；

步骤4：每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间。

优选的，客户端时钟记录的发送NTP报文和接收NTP报文的时间分别为T₁和T₄，服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间分别为T₂和T₃，客户端和时间服务器之间的时间偏差为θ，对时过程中的网络路径延迟为δ，以服务器的时钟为基准，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是δ₁，从服务器到客户端的路径延迟是δ₂，得出如下方程式：

T₂-T₁＝θ+δ₁…………(1)

T₄-T₃＝δ₂-θ…………(2)

δ₁+δ₂＝δ…………(3)。

优选的，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟与从服务器到客户端的路径延迟相同，即：

则有：

得到网络路径延迟δ和时间偏差θ为：

δ＝(T₄-T₁)-(T₃-T₂)…………(6)

将客户端接收报文的时间加上时间偏差θ，得到校正后的时间T_new：

T_new＝T₄+θ…………(8)

客户端根据式(8)对本地时间进行补偿，从而实现与服务器的时间同步。

优选的，应用程序实际时隙与定义时隙存在误差，消除对应误差就可让各终端上的应用程序在两次校时之间保持同步状态，定义初始NTP校时时刻为T_start，一个时隙时间为S，时隙总数为n，应用程序运行定义周期与实际补偿周期分别为T和T_θ，应用程序实际第m个周期运行完时刻为T_{m_real}，应用程序运行完m个周期定义时间与实际运行时间分别为t_m和t_{m_real}，应用程序运行完m个周期误差为θ，得出如下公式：

T＝nS…………(11)

t_{m_real}＝T_{m_real}-T_start…………(12)

t_m＝mT…………(13)

θ＝t_{m_real}-t_m…………(14)

T_θ＝T-θ…………(15)

客户端应用程序根据式(15)对m+1次周期进行补偿，直到下一次NTP校时，所有客户端应用程序再同步开始继续运行。

根据本发明提供的软件同步误差补偿***，包括如下模块：

模块M1：初始化客户端应用程序，包括应用程序缓存数据、初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态；

模块M2：客户端与服务器通过套接字Socket完成校时；

模块M3：服务器在校时完成后向所有连接服务器的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后同步启动应用程序；

模块M4：每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间。

优选的，客户端时钟记录的发送NTP报文和接收NTP报文的时间分别为T₁和T₄，服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间分别为T₂和T₃，客户端和时间服务器之间的时间偏差为θ，对时过程中的网络路径延迟为δ，以服务器的时钟为基准，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是δ₁，从服务器到客户端的路径延迟是δ₂，得出如下方程式：

T₂-T₁＝θ+δ₁…………(1)

T₄-T₃＝δ₂-θ…………(2)

δ₁+δ₂＝δ…………(3)。

优选的，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟与从服务器到客户端的路径延迟相同，即：

则有：

得到网络路径延迟δ和时间偏差θ为：

δ＝(T₄-T₁)-(T₃-T₂)…………(6)

将客户端接收报文的时间加上时间偏差θ，得到校正后的时间T_new：

T_new＝T₄+θ…………(8)

客户端根据式(8)对本地时间进行补偿，从而实现与服务器的时间同步。

优选的，应用程序实际时隙与定义时隙存在误差，消除对应误差就可让各终端上的应用程序在两次校时之间保持同步状态，定义初始NTP校时时刻为T_start，一个时隙时间为S，时隙总数为n，应用程序运行定义周期与实际补偿周期分别为T和T_θ，应用程序实际第m个周期运行完时刻为T_{m_real}，应用程序运行完m个周期定义时间与实际运行时间分别为t_m和t_{m_real}，应用程序运行完m个周期误差为θ，得出如下公式：

T＝nS…………(11)

t_{m_real}＝T_{m_real}-T_start…………(12)

t_m＝mT…………(13)

θ＝t_{m_real}-t_m…………(14)

T_θ＝T-θ…………(15)

客户端应用程序根据式(15)对m+1次周期进行补偿，直到下一次NTP校时，所有客户端应用程序再同步开始继续运行。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

根据本发明提供的一种软件同步误差补偿设备，包括：控制器；

所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的软件同步误差补偿方法的步骤；或者，所述控制器包括上述的软件同步误差补偿***。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)对于NTP校时来说，每隔一段时间客户端会重新进行校时，但越稳定校时间隔就会越大，因此在两次校时间隔需要对应用程序运行产生的误差进行补偿，避免长时间的误差累积，使应用程序正常工作；

(2)软件时间同步误差补偿方法在NTP同步校时基础上对所有客户端应用程序进行校时，保障应用程序严格按照时序运行，进行正常的业务交互，该补偿方法不需要太多的硬件校时设备，使用成本低，***可控，可靠性比较高，校时精度在毫秒级，在实际工程使用中具有重要的作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为典型场景图；

图2为时隙设置图；

图3为服务端和客户端对时过程图；

图4为运行流程图；

图5为应用场景图；

图6为时隙原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

如图1、图2的典型场景和时隙设置，需要让所有客户端进行时间同步，以便使客户端上的应用程序能够按照时隙设置运行，假定本次客户端数为n，n个客户端与服务器通过网络互联，n个客户端通过服务器时钟进行时间同步，从而使n个客户端上分别运行的应用程序达到时间同步，其中运行程序的误差在毫秒级。客户端时间同步主要采用网络授时技术，网络授时技术常用方法如表1所示。

表1网络时间同步的技术比较

从表格内容可知，NTP方法是当前网络同步中综合性能比较好的时间同步方法，故本次主要采用基于NTP的网络授时技术，具体原理如下：

NTP网络时间协议(Network Time Protocol，简称NTP)，是用来同步网络中各个计算机的时间的协议。NTP精确对时主要是在主从工作方式下实现，NTP算法首先根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中传输的延迟。使用NTP进行时间同步的设备及其传输链路组成时间同步子网络，此网络中根据设备精度和重要性编码为0-15的级别，编码数越小的设备，时钟精度和重要性越高，如图1所示，研究服务器和客户端两级，服务器为客户端上一级结构。NTP工作原理如下：

图3中，T₁和T₄是客户端时钟记录的发送NTP报文和接收NTP报文的时间，T₂和T₃是服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间。这里定义客户端和时间服务器之间的时间偏差(offset)用希腊字母θ表示，对时过程中的网络路径延迟(delay)用希腊字母δ表示。假定服务器的时钟为基准，服务器和客户端时钟的时间偏差是θ，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是δ₁，从服务器到客户端的路径延迟是δ₂，路径延迟总和是δ。可得出下面方程式：

T₂-T₁＝θ+δ₁…………(1)

T₄-T₃＝δ₂-θ…………(2)

δ₁+δ₂＝δ…………(3)

假设

式(1)-(3)变换为：

可得到理想状态下链路时延δ和时间偏移量θ为：

δ＝(T₄-T₁)-(T₃-T₂)…………(6)

将客户端的时间加上偏移量θ即为校正后的时间T_new：

T_new＝T₄+θ…………(8)

考虑到客户端及服务器之间存在时钟误差及测量误差，实际时间偏差值θ₀在θ的周围波动，由于T₂-T₁＝θ₀+δ₁，且客户端到服务器网络时延δ₁＝T₂-T₁-θ₀≥0。同理T₄-T₃＝δ₂-θ₀，故θ₀≥T₃-T₄，记为：

T₃-T₄≤θ₀≤T₂-T₁…………(9)

结合式(4)以及(5)，式(9)等价于：

客户端根据式(8)对本地时间进行补偿，从而实现与服务器的时间同步。多个客户端通过NTP进行同步后，开始严格按照预先定义好的时隙运行，从而保证各客户端上运行的程序数据交互不会互相干扰。整个场景运行流程如图4所示。

对于NTP两次校时应用程序出现累积误差的问题，提出一种应用程序软件时间同步误差补偿的方法，以下简称误差补偿方法。误差补偿方法是指在软件中在NTP两次校时间隔中通过绝对时间和获取***时间得到的应用程序的误差，在应用程序下一周期进行补偿，使得应用程序时间累积误差消除，保障应用程序时序始终同步，应用程序业务数据交互顺利进行。其应用场景图如图5所示。

如图6，所有客户端应用程序按照时序中不同时隙运行，应用程序严格按照时序运行可以使其互不干扰，正确运行，但实际中由于客户端校对误差、环境变化及器件老化引起的频率漂移，不可避免会使得客户端应用程序在NTP两次校时之间失同步，误差补偿方法将客户端应用程序产生的误差进行校对补偿，从而使所有客户端保持时间同步状态。

应用程序实际时隙跟定义时隙存在一定误差，只需消除对应的误差就可以让各终端上的应用程序在两次校时之间保持同步状态，定义初始NTP校时时刻为T_start，一个时隙时间为S，时隙总数为n，应用程序运行定义周期与实际补偿周期分别为T和T_θ，应用程序实际第m个周期运行完时刻为T_{m_real}，应用程序运行完m个周期定义时间与实际运行时间分别为t_m和t_{m_real}，应用程序运行完m个周期误差为θ，可得如下公式：

T＝nS…………(11)

t_{m_real}＝T_{m_real}-T_start…………(12)

t_m＝mT…………(13)

θ＝t_{m_real}-t_m…………(14)

T_θ＝T-θ…………(15)

客户端应用程序根据式(15)对m+1次周期进行补偿，直到下一次NTP校时，所有客户端应用程序再同步开始继续运行，这样应用程序长时间运行始终将保持时间同步状态，保障不同客户端应用程序不互相干扰的展开业务交互。软件时间同步误差补偿方法的算法步骤如下：

步骤1、初始化各客户端应用程序，例如应用程序缓存数据，初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态。

步骤2、各客户端跟服务器进行NTP校时，客户端与服务器通过socket套接字快速完成校时。

步骤3、服务器在校时完成后向所有连接的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后开始同步启动应用程序。

步骤4、每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间。

所有客户端应用程序每隔半小时重新跟服务器交互一次，服务器对所有客户端时间进行校正，然后每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间，应用程序始终保持运行状态。

对于NTP校时来说，每隔一段时间客户端会重新进行校时，但越稳定校时间隔就会越大，因此在两次校时间隔需要对应用程序运行产生的误差进行补偿，避免长时间的误差累积，使应用程序正常工作。

软件时间同步误差补偿方法在NTP同步校时基础上对所有客户端应用程序进行校时，保障应用程序严格按照时序运行，进行正常的业务交互。该补偿方法不需要太多的硬件校时设备，使用成本低，***可控，可靠性比较高，校时精度在毫秒级，在实际工程使用中具有重要的作用。在表2的硬件配置条件下，采用软件时间同步误差补偿方法对于所有客户端校时比不采用该方法校时，同步能力显著提升；运行时间越长同步效果越好，如表3。

表2客户端与服务器硬件配置表

CPU	Inteli7-7700
		内存	DDR432G
显卡	NVIDIAGTX1070
		硬盘	SSD120G
显示器	1920x1080(24寸)

表3不同运行时间对应用程序累积误差的影响

运行时间	0.5h	1h	2h	4h
					采用补偿误差	0.02ms	0.016ms	0.023ms	0.019ms
不采用补偿误差	≈5ms	≈12ms	≈30ms	≈73ms

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种软件同步误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：初始化客户端应用程序，包括应用程序缓存数据、初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态；

步骤2：客户端与服务器通过套接字Socket完成校时；

步骤3：服务器在校时完成后向所有连接服务器的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后同步启动应用程序；

步骤4：每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间；

应用程序实际时隙与定义时隙存在误差，消除对应误差就可让各终端上的应用程序在两次校时之间保持同步状态，定义初始NTP校时时刻为T_start，一个时隙时间为S，时隙总数为n，应用程序运行定义周期与实际补偿周期分别为T和T_θ，应用程序实际第m个周期运行完时刻为T_{m_real}，应用程序运行完m个周期定义时间与实际运行时间分别为t_m和t_{m_real}，应用程序运行完m个周期误差为θ，得出如下公式：

T＝nS…………(11)

t_{m_real}＝T_{m_real}-T_start…………(12)

t_m＝mT…………(13)

θ＝t_{m_real}-t_m…………(14)

T_θ＝T-θ…………(15)

客户端应用程序根据式(15)对m+1次周期进行补偿，直到下一次NTP校时，所有客户端应用程序再同步开始继续运行。

2.根据权利要求1所述的软件同步误差补偿方法，其特征在于，客户端时钟记录的发送NTP报文和接收NTP报文的时间分别为T₁和T₄，服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间分别为T₂和T₃，客户端和时间服务器之间的时间偏差为θ，对时过程中的网络路径延迟为δ，以服务器的时钟为基准，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是δ₁，从服务器到客户端的路径延迟是δ₂，得出如下方程式：

T₂-T₁＝θ+δ₁…………(1)

T₄-T₃＝δ₂-θ…………(2)

δ₁+δ₂＝δ…………(3)。

3.根据权利要求2所述的软件同步误差补偿方法，其特征在于，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟与从服务器到客户端的路径延迟相同，即：

则有：

得到网络路径延迟δ和时间偏差θ为：

δ＝(T₄-T₁)-(T₃-T₂)…………(6)

将客户端接收报文的时间加上时间偏差θ，得到校正后的时间T_new：

T_new＝T₄+θ…………(8)

客户端根据式(8)对本地时间进行补偿，从而实现与服务器的时间同步。

4.一种软件同步误差补偿***，其特征在于，包括如下模块：

模块M1：初始化客户端应用程序，包括应用程序缓存数据、初始状态是否匹配以及客户端电脑的NTP状态；

模块M2：客户端与服务器通过套接字Socket完成校时；

模块M3：服务器在校时完成后向所有连接服务器的客户端下发运行应用程序指令，所有客户端在接收到指令后同步启动应用程序；

模块M4：每个客户端应用程序在运行周期结束后对下一次运行周期进行误差补偿，校正应用程序运行时间；

应用程序实际时隙与定义时隙存在误差，消除对应误差就可让各终端上的应用程序在两次校时之间保持同步状态，定义初始NTP校时时刻为T_start，一个时隙时间为S，时隙总数为n，应用程序运行定义周期与实际补偿周期分别为T和T_θ，应用程序实际第m个周期运行完时刻为T_{m_real}，应用程序运行完m个周期定义时间与实际运行时间分别为t_m和t_{m_real}，应用程序运行完m个周期误差为θ，得出如下公式：

T＝nS…………(11)

t_{m_real}＝T_{m_real}-T_start…………(12)

t_m＝mT…………(13)

θ＝t_{m_real}-t_m…………(14)

T_θ＝T-θ…………(15)

客户端应用程序根据式(15)对m+1次周期进行补偿，直到下一次NTP校时，所有客户端应用程序再同步开始继续运行。

5.根据权利要求4所述的软件同步误差补偿***，其特征在于，客户端时钟记录的发送NTP报文和接收NTP报文的时间分别为T₁和T₄，服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间分别为T₂和T₃，客户端和时间服务器之间的时间偏差为θ，对时过程中的网络路径延迟为δ，以服务器的时钟为基准，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是δ₁，从服务器到客户端的路径延迟是δ₂，得出如下方程式：

T₂-T₁＝θ+δ₁…………(1)

T₄-T₃＝δ₂-θ…………(2)

δ₁+δ₂＝δ…………(3)。

6.根据权利要求5所述的软件同步误差补偿***，其特征在于，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟与从服务器到客户端的路径延迟相同，即：

则有：

得到网络路径延迟δ和时间偏差θ为：

δ＝(T₄-T₁)-(T₃-T₂)…………(6)

将客户端接收报文的时间加上时间偏差θ，得到校正后的时间T_new：

T_new＝T₄+θ…………(8)

客户端根据式(8)对本地时间进行补偿，从而实现与服务器的时间同步。

7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。

8.一种软件同步误差补偿设备，其特征在于，包括：控制器；

所述控制器包括权利要求7所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的软件同步误差补偿方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求4至6中任一项所述的软件同步误差补偿***。

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