一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种时间同步方法。本发明专利技术主要内容是多中心星型拓扑时间同步系统构建方法，该构建方法包括了网络高精度时统协议、时钟状态机和时间资源选举算法。本发明专利技术的时间同步系统由区域资源管理中心和若干高精度同步时域组成，在网络高精度时统协议基础上，管理中心采集时钟质量，时钟本地评估对时效果，运行时间资源选举算法，形成时间同步拓扑。时间资源选举是本时间同步系统构建过程中的核心算法，通过比较时钟的时间质量和位置质量，计算时钟的工作模式，调度时钟资源，得到合理的体系对时关系。本发明专利技术通过反复调用时间资源选举算法得到合理的体系对时关系，完成时间同步系统构建。

A method of constructing high precision time synchronization system based on IP network

The invention discloses a time synchronization method. The main content of the invention is a method for constructing a multi center star topology time synchronization system, which comprises a network high-precision time protocol, a clock state machine and a time resource election algorithm. The invention of the time synchronization system by the regional resource management center and a number of high precision synchronization in time domain, in the network of high precision timing protocol based on clock clock acquisition quality management center, local assessment time, running time resource selection algorithm, time synchronization topology formation. The election time resource is the core algorithm in the process of constructing the time synchronization system, by comparing the clock time quality and position quality, calculates the clock working mode, clock scheduling resources, relationship between the reasonable time system. The invention obtains the reasonable system time relation by repeatedly calling the time resource election algorithm, and completes the construction of the time synchronization system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法
本专利技术属于计算机网络时间同步
，特别是一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法。
技术介绍
时间同步是将网络上各种通信设备或者计算机设备维持的时间偏差限定到一定范围内的过程。当前的时间同步技术按照有线和无线方式分类，主要包括有线网络对时和卫星链路对时两种。1、有线网络对时有线网络对时就是在地面有线链路（比如IP承载网、SDH、PDH网络等）的基础上，通过应用层对时协议实现时间同步。现在主要的商用对时协议包括NTP、PTP等，这些协议有各自的特点，适用于不同的场合。NTP全称是networktimingprotocol，网络时间协议。RFC-1305全面规定了NTP的网络结构、消息机制、数据格式、服务器认证以及时间源选取和融合算法，并且经过多年发展，现在已经出到了V4版，在局域网和广域网对时中都得到了广泛应用。NTP是一种典型的分层对时的体系，通过构建多级时间服务器逐级对时，实现网络节点同步。但是鉴于IP分组网络固有的链路时延抖动和NTP协议自身的应用层实现导致的协议栈时延误差，NTP协议只能达到毫秒级的同步精度，对于更高精度的时频应用显得无能为力。PTP全称是precisiontimingprotocol，精密时钟同步协议。PTP协议时戳并不局限于应用层，也可以在物理层实现，避免了协议栈抖动，而且为减少网络组件的抖动延迟提供了很好的解决方法，这使得PTP可以达到微秒级同步精度。但是，PTP协议需要底层网络设备的支持，若要实现大范围的时间同步则须投入较大成本。2、卫星链路对时卫星链路对时就是以GPS、北斗、GLONASS等卫星系统为时间源，通过卫星授时信号实现地面网络节点的时间同步。在大范围、多路由的复杂网络环境下，如果仅采用有线链路来实现节点同步，随着信号传输距离增加，传输损伤增大，同步精度必然会下降。因此，需要通过装配在区域基准时钟上的卫星接收器来跟踪UTC时间，实现基准钟的即时调整，从而达到多区域基准时钟同步。然后以基准时钟为地区根节点，通过有线链路同步手段实现区域内节点时统。卫星授时可以在不借助地面链路的情况下实现远距离时统，卫星授时有较高精度，且可以避免地面链路抖动。但是，以GPS为例，是美国研制的全球定位系统，如果单纯依靠GPS的话，存在政治和安全风险。即便是北斗系统，如果发生战事，难以保证无线卫星信号的正常使用，会给网络安全性和可靠性带来不稳定因素。而且，卫星授时系统存在接收机个体差异、信号易受天气影响等缺陷，导致不同节点间同步精度差异较大。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，实现一定区域范围内的地面有线链路中时钟节点的10微秒级高精度时间同步。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，包括一个区域时频资源管理中心和一个以上的时域；区域时频资源管理中心负责所辖范围内的时钟节点身份信息收集、完成资源注册，采集节点状态信息，进行资源调度，形成对时拓扑；时域是一个区域按照时间同步需求划分成的任务组，任务组内时钟之间实现同步；时域内有一个以上的时钟，在区域时频资源管理中心，每个时域内的时钟形成一个资源列表和一个主从关系，资源列表按照时钟质量由好到坏进行排列，主从关系保存每个时钟节点的对时邻居；每个时钟具有五种工作模式，包括主时钟、从时钟、备份主时钟、独立时钟以及边界时钟；主时钟为从时钟提供对时服务，从时钟接收主时钟的授时；备份主时钟作为主时钟的备份，或者作为边缘链路从时钟的主时钟；独立时钟不对外授时，仅独立守时；边界时钟同时接收主时钟的对时，也向从时钟提供授时；同一时刻，有一个时钟处于主时钟工作模式，从时钟以主时钟为拓扑中心接收主时钟授时，当从时钟和主时钟之间链路时延超过门限值，门限值范围5～15毫秒，以距离最近的备份主时钟或者边界时钟为主时钟完成对时；时钟同步系统的构建步骤如下：1）每个时钟向区域时频资源管理中心发送心跳报，注册时钟信息；2）区域时频资源管理中心对时钟心跳进行检测，通过检测则下发时域内时钟资源列表；3）时钟计算时钟质量，时钟质量包括时间质量和位置质量，时间质量包括时钟等级、时钟精确度、时钟方差，此处三个概念出自IEEE1588协议，位置质量包括时钟总时延和总跳数，时钟总时延指本时钟到其他所有时钟的时延之和，时钟总跳数指本时钟到其他所有时钟的跳数之和；4）时钟向区域时频资源管理中心上报时钟质量；5）区域时频资源管理中心运行TRE算法，生成对时关系；6）区域时频资源管理中心给时钟下发对时关系和工作模式；7）时钟进入特定工作模式并根据对时关系对时，并计算主从时钟偏差；8）对从时钟来讲，如果和备份主时钟之间链路时延和链路跳数更小，主从时钟偏差更小则向区域时频资源管理中心申请更换主时钟；9）区域时频资源管理中心接收申请并更新节点邻居关系。本专利技术中，所述区域时频资源管理中心负责所辖范围内的时钟节点身份信息收集、完成资源注册，采集节点状态信息，进行资源调度，形成对时拓扑包括以下步骤：21）区域时频资源管理中心采集心跳报、质量报以及应答报文；22）根据报文类型和节点工作模式分发处理，如果报文类型是心跳报且节点类型是新时钟则进入步骤23），否则进入步骤24）；23）进入时钟初始化流程，判断时钟是否通过预考察，预考察判断方式为监测时钟心跳是否连续10次都正常，对通过预考察节点下发资源列表，时钟质量采集，进行TRE运算，主从关系下发到时钟，如果节点未能通过预考察，则保持在预考察状态，直到预考察通过为止；24）进入时钟监测流程，进行质量跳变和故障监测，若节点质量跳变则调整时钟位置，若节点故障则删除节点，进行TRE运算，下发主从关系；时钟完成身份、质量上报，维持自身状态，如果区域时频资源管理中心分配模式为从时钟，则探测最适合自己的主时钟，时钟端程序步骤包括初始化部分和循环监测部分。本专利技术中，时钟初始化部分包括以下步骤：31）系统初始化；32）读取时钟本地预设的配置文件，配置文件用于描述时钟工作参数、性能属性以及配置类型，如果时钟模式手动配置，则进入特定模式，初始化结束；33）如果未经手动配置，进行身份注册；34）时钟接收来自区域时频资源管理中心的时域内时钟资源列表；35）通过计算时钟等级、时钟精确度、时钟方差获取时间质量，通过计算时钟总时延和总跳数获取位置质量，并上报区域时频资源管理中心；36）时钟接收来自区域时频资源管理中心的主从对时关系，并进入特定工作模式。本专利技术中，时钟循环监测部分包括以下步骤：41）在特定工作模式下，如果收到新的主从对时关系和工作模式，则进入新的工作模式；42）如果监测到本地时钟故障，故障恢复后返回步骤31）时钟初始化部分；43）如果监测到心跳应答异常，则心跳应答恢复后，若时域时钟资源列表和对时主从关系的CRC仍然和中心一致，则保持原工作模式，若CRC不和中心一致则返回步骤31）时钟初始化部分。本专利技术中，TRE算法由两部分组成，分别是质量比较算法和资源调度算法；质量比较算法包括如下步骤：51）比较两个时钟第一优先级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；52）比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，其特征在于，包括一个区域时频资源管理中心和一个以上的时域；区域时频资源管理中心负责所辖范围内的时钟节点身份信息收集、完成资源注册，采集节点状态信息，进行资源调度，形成对时拓扑；时域是一个区域按照时间同步需求划分成的任务组，任务组内时钟之间实现同步；时域内有一个以上的时钟，在区域时频资源管理中心，每个时域内的时钟形成一个资源列表和一个主从关系，资源列表按照时钟质量由好到坏进行排列，主从关系保存每个时钟节点的对时邻居；每个时钟具有五种工作模式，包括主时钟、从时钟、备份主时钟、独立时钟以及边界时钟；主时钟为从时钟提供对时服务，从时钟接收主时钟的授时；备份主时钟作为主时钟的备份，或者作为边缘链路从时钟的主时钟；独立时钟不对外授时，仅独立守时；边界时钟同时接收主时钟的对时，也向从时钟提供授时；同一时刻，有一个时钟处于主时钟工作模式，从时钟以主时钟为拓扑中心接收主时钟授时，当从时钟和主时钟之间链路时延或者抖动超过门限值，以距离最近的备份主时钟或者边界时钟为主时钟完成对时；时钟同步系统的构建步骤如下：1)每个时钟向区域时频资源管理中心发送心跳报，注册时钟信息；2)区域时频资源管理中心对时钟心跳进行检测，通过检测则下发时域内时钟资源列表；3)时钟计算时钟质量，时钟质量包括时间质量和位置质量，时间质量包括时钟等级、时钟精确度、时钟方差，位置质量包括时钟总时延和总跳数，时钟总时延指本时钟到其他所有时钟的时延之和，时钟总跳数指本时钟到其他所有时钟的跳数之和；4)时钟向区域时频资源管理中心上报时钟质量；5)区域时频资源管理中心运行TRE算法，生成对时关系；6)区域时频资源管理中心给时钟下发对时关系和工作模式；7)时钟进入特定工作模式并根据对时关系对时，并计算主从时钟偏差；8)对从时钟来讲，如果满足和备份主时钟之间链路时延更小，且链路跳数更小，且主从时钟偏差更小，则向区域时频资源管理中心申请更换主时钟；9)区域时频资源管理中心接收申请并更新节点邻居关系；TRE算法由两部分组成，分别是质量比较算法和资源调度算法；质量比较算法包括如下步骤：51)比较两个时钟第一优先级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；52)比较两个时钟等级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；53)比较两个时钟准确度，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；54)比较两个时钟精密度，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；55)比较两个时钟总链路时延，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；56)比较两个时钟总路由跳数，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；57)比较两个时钟第二优先级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；58)比较两个时钟的时钟ID，则较小者质量更好，算法结束；资源调度算法由4个部分组成，分别是时钟选举、新时钟加入、故障时钟删除和时钟质量跳变；时钟选举用于新时钟加入前，确定新时钟在资源列表中的位置和工作模式，包括以下步骤：61)将新节点和资源列表中其他节点依次进行数据集比较，确定时钟的插入位置；62)如果时钟等级小于128：a)如果时钟的数据集比较结果为最优，则时钟模式为主时钟M；b)如果时钟的数据集比较结果不是最优，i)插入位置在最后一个备份主时钟之前，则时钟模式为备份主时钟B；ii)插入位置在最后一个备份主时钟之后，则时钟模式为独立时钟D；63)如果时钟等级大于128：a)如果时钟等级为255，则时钟模式为从时钟S；b)如果时钟等级不为255：i)插入位置在第一位，则时钟模式为主时钟M；ii)插入位置不在第一，则时钟模式为从时钟S；当时钟通过区域时频资源管理中心的预考察后，新时钟加入资源列表，生成资源列表和主从关系并下发，新时钟加入的步骤如下：71)判断待插入时域是否为空：72)如果时域为空：72a)如果时钟等级为255，则时钟模式为从时钟S；72b)如果时钟等级不为255，则时钟模式为主时钟M；73)如果时域不为空：73a)如果当前主时钟等级范围满足128<＝时钟等级<255；i)运行质量比较算法和资源列表中节点依次比较，确定插入位置和工作模式；ii)若新节点质量比主时钟好，则更新当前主时钟为从时钟，插入新时钟；iii)若新节点质量比主时钟差，则直接插入新时钟；73b)如果当前主时钟等级范围满足时钟等级<128；i)运行质量比较算法，确定新时钟加入位置和工作模式；ii)如果本时域配置为无备份主时钟；A.若待插入的时钟等级小于128：若新时钟模式为主时钟，原主时钟成为独立时钟，插入新时钟；若新时钟模式为独立时钟，其他时钟模式不变，插入...

【技术特征摘要】
1.一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，其特征在于，包括一个区域时频资源管理中心和一个以上的时域；区域时频资源管理中心负责所辖范围内的时钟节点身份信息收集、完成资源注册，采集节点状态信息，进行资源调度，形成对时拓扑；时域是一个区域按照时间同步需求划分成的任务组，任务组内时钟之间实现同步；时域内有一个以上的时钟，在区域时频资源管理中心，每个时域内的时钟形成一个资源列表和一个主从关系，资源列表按照时钟质量由好到坏进行排列，主从关系保存每个时钟节点的对时邻居；每个时钟具有五种工作模式，包括主时钟、从时钟、备份主时钟、独立时钟以及边界时钟；主时钟为从时钟提供对时服务，从时钟接收主时钟的授时；备份主时钟作为主时钟的备份，或者作为边缘链路从时钟的主时钟；独立时钟不对外授时，仅独立守时；边界时钟同时接收主时钟的对时，也向从时钟提供授时；同一时刻，有一个时钟处于主时钟工作模式，从时钟以主时钟为拓扑中心接收主时钟授时，当从时钟和主时钟之间链路时延或者抖动超过门限值，以距离最近的备份主时钟或者边界时钟为主时钟完成对时；时钟同步系统的构建步骤如下：1)每个时钟向区域时频资源管理中心发送心跳报，注册时钟信息；2)区域时频资源管理中心对时钟心跳进行检测，通过检测则下发时域内时钟资源列表；3)时钟计算时钟质量，时钟质量包括时间质量和位置质量，时间质量包括时钟等级、时钟精确度、时钟方差，位置质量包括时钟总时延和总跳数，时钟总时延指本时钟到其他所有时钟的时延之和，时钟总跳数指本时钟到其他所有时钟的跳数之和；4)时钟向区域时频资源管理中心上报时钟质量；5)区域时频资源管理中心运行TRE算法，生成对时关系；6)区域时频资源管理中心给时钟下发对时关系和工作模式；7)时钟进入特定工作模式并根据对时关系对时，并计算主从时钟偏差；8)对从时钟来讲，如果满足和备份主时钟之间链路时延更小，且链路跳数更小，且主从时钟偏差更小，则向区域时频资源管理中心申请更换主时钟；9)区域时频资源管理中心接收申请并更新节点邻居关系；TRE算法由两部分组成，分别是质量比较算法和资源调度算法；质量比较算法包括如下步骤：51)比较两个时钟第一优先级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；52)比较两个时钟等级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；53)比较两个时钟准确度，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；54)比较两个时钟精密度，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；55)比较两个时钟总链路时延，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；56)比较两个时钟总路由跳数，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；57)比较两个时钟第二优先级，如果不等，则较小者质量更好，算法结束，如果相等，则进入下一步；58)比较两个时钟的时钟ID，则较小者质量更好，算法结束；资源调度算法由4个部分组成，分别是时钟选举、新时钟加入、故障时钟删除和时钟质量跳变；时钟选举用于新时钟加入前，确定新时钟在资源列表中的位置和工作模式，包括以下步骤：61)将新节点和资源列表中其他节点依次进行数据集比较，确定时钟的插入位置；62)如果时钟等级小于128：a)如果时钟的数据集比较结果为最优，则时钟模式为主时钟M；b)如果时钟的数据集比较结果不是最优，i)插入位置在最后一个备份主时钟之前，则时钟模式为备份主时钟B；ii)插入位置在最后一个备份主时钟之后，则时钟模式为独立时钟D；63)如果时钟等级大于128：a)如果时钟等级为255，则时钟模式为从时钟S；b)如果时钟等级不为255：i)插入位置在第一位，则时钟模式为主时钟M；ii)插入位置不在第一，则时钟模式为从时钟S；当时钟通过区域时频资源管理中心的预考察后，新时钟加入资源列表，生成资源列表和主从关系并下发，新时钟加入的步骤如下：71)判断待插入时域是否为空：72)如果时域为空：72a)如果时钟等级为255，则时钟模式为从时钟S；72b)如果时钟等级不为255，则时钟模式为主时钟M；73)如果时域不为空：73a)如果当前主时钟等级范围满足128<＝时钟等级<255；i)运行质量比较算法和资源列表中节点依次比较，确定插入位置和工作模式；ii)若新节点质量比主时钟好，则更新当前主时钟为从时钟，插入新时钟；iii)若新节点质量比主时钟差，则直接插入...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，司健，孙凌枫，朱莉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32