一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法，用于计算MAC层到PHY层之间非对称路径的延时，并将该值补偿进分布式时钟同步的延时达到提高时钟同步精度的目的。计算时MAC层构建特殊回环帧并下发至PHY，经PCS、PMA和PMD后被转发至接收通道，经PMD、PMA和PCS后上传至MAC，并在经过的关键点打上时间戳。最终通过回环帧载荷内记录的时间戳完成MAC到PHY之间的接收和发送路径延时的精确计算，即分布式计算机网络同步技术的延时补偿值。该方法可对系统装置内部非对称路径之间延迟进行精准计算，弥补分布式时钟同步技术在该段延时的空白,进行延时补偿后可进一步提高分布式时钟同步技术的同步精度。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法
本专利技术涉及一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法，本方案适用于分布式计算机网络系统内时钟同步，属于延时补偿

技术介绍
随着综合电子系统通信方式从总线向网络的转型和系统架构从联合式向IMA和DIMA架构的发展，时间触发网络系统的到越来越多的重视，时间触发系统的操作取决于全局时间基的有效性，任何时间基的失效都会导致系统失效，安全关键应用中，基于已知精度的时间基的容错是非常重要的。时间触发系统中以太网时间同步技术是关键，时间同步技术目前广泛应用于航天、航空、武器防御系统、无人驾驶、高铁、工业4.0等领域。分布式时钟同步通常采用SAEAS6802协议实现。影响分布式系统时钟同步的因素包括路径延迟、晶振漂移、再同步周期等。时钟同步技术的关键在于网络路径的传输延迟统计，消除延迟导致的时标误差。分布式时钟同步延迟统计是通过透明时钟延迟累加计算得出，过程如下所示：A、发送器件0发送PCF帧时的延时统计，其延时为动态发送延时和静态发送延时之和；B、中继器件i中继PCF帧时的延时统计，其延时为之前统计的路径总延时、中继器件的动态延时和静态延时、中继器件与上一级器件相连的网线延时之和；C、接收器件n接收PCF帧时的延时统计，其延时为之前统计的路径总延时、接收器件的动态和静态延时、接收器件与上一级器件相连网线的延时之和。该过程抽象PCF帧从发送器件0经过多个中继器件到达接收器件n整个过程的传输延时计算，主要包含三类延迟：静态延迟、动态延迟和线延迟。静态延迟是指传输经过的逻辑链路的实际延迟；动态延迟是指传输过程中与其它类型的帧产生冲突，不同类型的流量因竞争通道而产生的动态延迟。；线延迟是指网线上的传输延迟；现阶段，三类延迟中线延迟可以通过相关公式近似计算。动态延迟和静态延迟是通过打时间戳的方式来确定。分布式时钟同步协议在网络组件中消息时间戳的位置通常是在应用层、MAC层或者PHY层进行实现，如附图2所示，时间戳的产生主要是将接收、发送以及中继PCF帧过程中产生的动态和静态延迟时间记录进透明时钟域，时间戳产生位置越接近物理层，其延时记录越精确，时间同步精度越高，该模型中C点的位置的时间戳是时钟同步精度最高点，但由于分布式时钟同步需要对多个通道的主从同步进行压缩汇聚，因此很难将其通过在单个物理层PHY添加硬件时间戳辅助的方式实现；A点软件时标是造成不对称性与抖动的关键因素，由于中断延时、环境切换和线程调度，软件时间戳会导致明显的抖动；因此目前分布式时钟同步时间戳的产生主要位于B点MAC层上，测量基于硬件时间戳，可在设备内改善路径对称性和抖动。在MAC层打时间戳对物理层(PHY)到MAC之间的传输延时无法确定，该段延时由系统的布局和PHY芯片型号决定。SAEAS6802分布式时钟同步协议对该段延迟时间没有明确规定，进而对整个时钟同步精度产生影响，尤其在系统规模较大的多级级联情况下，延时数值影响变得非常明显。
技术实现思路
本专利技术针提供一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法，对目前分布式系统时间同步技术在MAC层打时间戳，以确定延时时间，解决了系统内部物理收发器(PHY)到MAC之间的传输延迟无法确定，影响系统时钟同步精度的问题。本专利技术的技术解决方案是：提供一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，包括返回帧生成模块、第一时间戳生成模块、第二时间戳生成模块、PMD探测模块以及延时时间计算模块；返回帧生成模块，设置在计算机网络的MAC层，用于生成返回帧，返回帧到达PMD层后返回MAC层；第一时间戳生成模块，设置在计算机网络的MAC层，生成返回帧由MAC层发出时刻和返回MAC层时刻的时间戳t0，t4；PMD探测模块，设置在计算机网络的PMD层，检测返回帧到达PMD层并返回的时刻，并向第二时间戳生成模块发送触发信号；第二时间戳生成模块，设置在计算机网络的PCS层，生成返回帧经MAC层到达PCS层时刻和返回时到达PCS层时刻的时间戳T1，T3，在接收到触发信号后生成时间戳T2；延时时间计算模块根据返回帧的所有的时间戳计算MAC至PHY路径的发送和接收延时时间。优选的，返回帧帧格式中包括时间戳t0，T1，T2，T3，t4和序列号SN。优选的，延时时间计算模块计算的发送延时时间tsend为：延时时间计算模块计算的接收延时时间treceive为：优选的，还包括补偿模块，根据延时时间计算模块计算的发送延时时间tsend和接收延时时间treceive，对分布式计算机网络时钟同步延时进行补偿。优选的，所述补偿模块在发送的PCF帧中的透明时钟域累加发送延时时间进行补偿；在接收的PCF帧中的透明时钟域累加接收延时时间进行补偿。优选的，还包括异常帧判别模块；所述异常帧判别模块接收返回帧，并判别序列号SN是否存在顺序异常，并剔除序列号SN异常的返回帧；对返回帧的序号进行累加，当累加值超过阈值时，判定该返回帧存在异常，剔除该返回帧。优选的，还包括延时异常判别模块，所述延时异常判别模块接收返回帧，并判断t4-t0的值是否在设定范围内，如果超过设定范围则判别超过阈值，剔除该返回帧。优选的，延时时间计算模块接收经异常帧判别模块和延时异常判别模块剔除后的返回帧，分别计算多组发送延时时间和接收延时时间并取平均值，作为最终的发送延时时间和接收延时时间。优选的，延时时间计算模块接收经异常帧判别模块和延时异常判别模块剔除后的返回帧，分别计算多组发送延时时间和接收延时时间，对多组发送延时时间进行排序，取中间的3个值进行平均计算后作为最佳发送延时时间；对多组接收延时时间进行排序，取中间的3个值进行平均计算后作为最佳接收延时时间。提供一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿方法，包括如下步骤：(1)在上电后MAC层配置PHY芯片工作在返回工作模式；(2)MAC层将返回帧下发至PHY芯片，在由MAC层发出时刻生成时间戳t0；返回帧帧格式中包括时间戳t0，T1，T2，T3，t4和序列号SN；(3)PCS层接收到返回帧的时刻生成时间戳T1；(4)PMD层在返回帧到达PMD层并返回的时刻向PCS层发送触发信号，PCS层接收触发信号后生成时间戳T2；(5)PCS层接收到返回帧的时刻生成时间戳T3；(6)MAC层接收到返回帧的时刻生成时间戳t4；(7)判别返回帧的序列号SN是否存在顺序异常，并剔除序列号SN异常的返回帧；(8)判断t4-t0的值是否在设定范围内，如果超过设定范围则判别超过阈值，剔除该返回帧；(9)根据返回帧的所有的时间戳计算MAC至PHY路径的发送和接收延时时间，并利用发送和接收延时时间对分布式计算机网络时钟同步延时进行补偿。优选的，步骤(9)中计算发送延时时间tsend为：计算的接收延时时间treceive为：优选的，步骤(9)中并利用发送和接收延时时间对分布式计算机网络时钟同步延时进行补偿的具体方法为：在发送的PCF帧中的透明时钟域累加发送延时时间进行补偿；在接收的PCF帧中的透明时钟域累加接收延时时间进行补偿。优选的，步骤(7)中还对返回帧的序号进行累加，当累加值超过阈值时，判定该返回帧存在异常，剔除该返回帧。优选的，步骤(9)中分别计算多组发送延时时间和接收延时时间，对多组发送延时时间进行排序，取中间的3个值进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，包括返回(Loopback)帧生成模块、第一时间戳生成模块、第二时间戳生成模块、PMD探测模块以及延时时间计算模块；返回(Loopback)帧生成模块，设置在计算机网络的MAC层，用于生成返回(Loopback)帧，返回(Loopback)帧到达PMD层后返回MAC层；第一时间戳生成模块，设置在计算机网络的MAC层，生成返回(Loopback)帧由MAC层发出时刻和返回MAC层时刻的时间戳t0，t4；PMD探测模块，设置在计算机网络的PMD层，检测返回(Loopback)帧到达PMD层并返回的时刻，并向第二时间戳生成模块发送触发信号；第二时间戳生成模块，设置在计算机网络的PCS层，生成返回(Loopback)帧经MAC层到达PCS层时刻和返回时到达PCS层时刻的时间戳T1，T3，在接收到触发信号后生成时间戳T2；延时时间计算模块根据返回(Loopback)帧的所有的时间戳计算MAC至PHY路径的发送和接收延时时间。

【技术特征摘要】
1.一种分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，包括返回(Loopback)帧生成模块、第一时间戳生成模块、第二时间戳生成模块、PMD探测模块以及延时时间计算模块；返回(Loopback)帧生成模块，设置在计算机网络的MAC层，用于生成返回(Loopback)帧，返回(Loopback)帧到达PMD层后返回MAC层；第一时间戳生成模块，设置在计算机网络的MAC层，生成返回(Loopback)帧由MAC层发出时刻和返回MAC层时刻的时间戳t0，t4；PMD探测模块，设置在计算机网络的PMD层，检测返回(Loopback)帧到达PMD层并返回的时刻，并向第二时间戳生成模块发送触发信号；第二时间戳生成模块，设置在计算机网络的PCS层，生成返回(Loopback)帧经MAC层到达PCS层时刻和返回时到达PCS层时刻的时间戳T1，T3，在接收到触发信号后生成时间戳T2；延时时间计算模块根据返回(Loopback)帧的所有的时间戳计算MAC至PHY路径的发送和接收延时时间。2.如权利要求1所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，返回(Loopback)帧帧格式中包括时间戳t0，T1，T2，T3，t4和序列号SN。3.如权利要求1或2所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，延时时间计算模块计算的发送延时时间tsend为：延时时间计算模块计算的接收延时时间treceive为：4.如权利要求3所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，还包括补偿模块，根据延时时间计算模块计算的发送延时时间tsend和接收延时时间treceive，对分布式计算机网络时钟同步延时进行补偿。5.如权利要求5所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，所述补偿模块在发送的PCF帧中的透明时钟域累加发送延时时间进行补偿；在接收的PCF帧中的透明时钟域累加接收延时时间进行补偿。6.如权利要求2所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，还包括异常帧判别模块；所述异常帧判别模块接收返回(Loopback)帧，并判别序列号SN是否存在顺序异常，并剔除序列号SN异常的返回(Loopback)帧；对返回帧的序号进行累加，当累加值超过阈值时，判定该返回(Loopback)帧存在异常，剔除该返回(Loopback)帧。7.如权利要求6所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，还包括延时异常判别模块，所述延时异常判别模块接收返回(Loopback)帧，并判断t4-t0的值是否在设定范围内，如果超过设定范围则判别超过阈值，剔除该返回(Loopback)帧。8.如权利要求7所述的分布式计算机网络时钟同步延时补偿装置，其特征在于，延时时间计算模块接收经异常帧判别模块和延时异常判别模块剔除后的返回(Loopback)帧，分别计算多组发送延时时间和接收延时时间并取平均值，作为最终的发送延时时间和接收延时时间。9.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫攀，赵沛，张奇荣，陶舒婷，牛建泽，毛雅欣，
申请(专利权)人：北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11