一种局域网络中设备的时钟同步方法技术

一种局域网络中设备的时钟同步方法。其基于IEEE 1588协议设计思想，通过往返式报文将各个设备时钟信息集中在时间管理单元中；根据各设备时间与时间管理单元信息进行计算得到相位偏差和设备的频率修正系数；将相位偏差与频率修正系数和设备号联系起来生成相对时间偏差列表，发送到各需要同步的设备；设备根据自身设备号和目的设备号查询相对偏差时间列表得到本设备的频率修正系数以及本设备和目的设备的相对时间偏差，即可实现对时钟相位的同步和频率的修正。本发明专利技术不仅优化了IEEE 1588协议同步过程中造成负载较大的问题以及时钟同步执行周期可能较长的问题，且在进行时间同步的过程中，提出了一种基于列表的时钟频率同步方法。

A clock synchronization method for devices in local area network

【技术实现步骤摘要】
一种局域网络中设备的时钟同步方法
本专利技术属于局域网络通信
，尤其涉及一种局域网络中设备的时钟同步方法。
技术介绍
现代通信网络中对于时钟偏差的计算需求越来越普遍，精度要求也越来越高。常见的应用场景，如：分布式网络中设备的协同工作，高精度控制系统的精准控制以及数据高速实时传输时延的确定等等，都需要进行时间偏差的计算，由此实现时钟的同步。时钟同步分为相位同步和频率同步。目前，国内时钟同步的研究多集中于相位同步，如：NTP协议研究、IEEE1588协议研究、AS6802协议研究等等。而关于时钟频率同步的研究较少，尚未发现较为成熟的方法。相位同步，即时间同步，主要针对相同频率的时钟。进行时钟的相位同步，主要是指使不同时钟的周期计数值相等，表示的时间一致。频率同步主要是指使不同时钟在频率上保持某种特定的关系。因为在实际工作中，外界原因或者晶振本身原因会导致时钟的频率在理想频率附近变化，所以时钟同步主要是调整时钟脉冲输出频率，使时钟实际工作时输出的脉冲频率尽可能与理想状态下输出保持一致，从而维持不同时钟输出频率的特定关系。针对相位同步，现在常用的IEEE1588时钟同步协议采用往返式报文实现时钟的时间同步，精度可达微秒级，但其缺点是造成的网络负载较大，因此存在一定优化空间。此外，IEEE1588时钟同步协议采用分级同步的架构，当网络规模较大时，其时钟同步的执行周期会较长。针对频率同步，相关研究相对较少，可通过相应算法实现对时钟频率变化的建模预测，从而增加或减少一定数量的上升/下降沿以实现对输出频率的调整。增加了频率同步的时钟同步设计，可在一定程度上增大时钟相位同步的周期，降低时钟同步的频率。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种局域网络中设备的时钟同步方法，用以实现分布式网络中时钟的相位同步和频率同步；在保证一定时钟同步精度的条件下，减少时钟同步造成网络负载，提高时钟同步执行效率。为了达到上述目的，本专利技术提供的局域网络中设备的时钟同步方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤1)：局域网络中的时间管理单元以固定周期T发送同步请求报文，经交换机转发到各需要同步的设备；在发送同步请求报文时，时间管理单元会记录下该同步请求报文的发送时间，记为t1n，并根据其时钟同步序列号sernum＝n写入时间戳RAM1；其中，同步请求报文包括帧识别符、目的设备号、源设备号以及时钟同步序列号信息，并预留有时间修正域；时间戳RAM1是专门用于保存不同时钟同步序列号的同步请求报文发送时间t1n的随机存储器。所述的帧识别符记录的是同步请求报文的帧识别号，便于报文数据解析及有效数据的提取；目的设备号记录的是需要同步设备的设备号；源设备号记录的是时间管理单元的设备号；时钟同步序列号记录的是该同步请求报文进行的时钟同步是第几次同步循环；时间修正域记录的是该报文在交换机内的滞留时间。步骤2)：在交换机内采用滞留时间桥机制，将同步请求报文进入交换机的时间记为tin，离开交换机的时间记为tout，则同步请求报文在交换机内的滞留时间tresid-req＝tout-tin；在转发时，交换机会将该滞留时间写入同步请求报文的时间修正域。步骤3)：设备在接收到同步请求报文的同时会记录下该报文的接收时间t2n，并生成请求响应报文；之后，请求响应报文会经交换机转发至时间管理单元；在设备发送请求响应报文的瞬间，会记录下请求响应报文的发送时间t3n并将该时间载入请求响应报文中；其中，请求响应报文包括帧标识符、目的设备号、源设备号、时钟同步序列号、同步请求报文的接收时间t2n、请求响应报文的发送时间t3n以及时间修正域，并预留有滞留时间差域。所述的帧识别符记录的是请求响应报文的帧识别号，便于报文数据解析及有效数据的提取；目的设备号记录的是时间管理单元的设备号；源设备号记录的是本设备的设备号；时钟同步序列号记录的是该同步请求报文进行的时钟同步是第几次同步循环；t2n记录的是设备接收同步请求报文的时间；t3n记录的是设备发送请求响应报文的时间；时间修正域记录的是该报文对应同步请求报文在交换机内的滞留时间；滞留时间差域记录的是同步请求报文在交换机内的滞留时间与请求响应报文在交换机内的滞留时间差值。步骤4)：采用与步骤2)中同步请求报文在交换机内的滞留时间同样的处理方式，即可得到请求响应报文在交换机内的滞留时间并记作tresid-resp，并用该滞留时间减去原时间修正域中的滞留时间tresid-req即可得到滞留时间差Δtresid＝tresid-resp-tresid-req，并将该滞留时间差附在时间修正域后的滞留时间差域中。步骤5)：时间管理单元接收到请求响应报文时，会记录下该报文的接收时间t4n并将其按时钟同步序列号以及设备号写入时间戳RAM4中；此外，时间管理单元还会根据接收的请求响应报文解析出同步请求报文的接收时间t2n以及请求响应报文的发送时间t3n，将它们按照其时钟同步序列号以及设备号分别存放至时间戳RAM2、时间戳RAM3中。其中时间戳RAM2、时间戳RAM3、时间戳RAM4分别为用于保存不同时钟同步序列号的同步请求报文接收时间t2n、请求响应报文的发送时间t3n以及请求响应报文的接收时间t4n的随机存储器。步骤6)：时间管理单元根据上述接收到的各设备时间信息与时间管理单元信息进行计算而得到相位偏差和设备的频率修正系数，然后将相位偏差与设备的频率修正系数和设备号联系起来生成相对时间偏差列表，并发送给各需要同步的设备；计算相位偏差，过程如下：根据上述记录的同步请求报文的发送时间t1n、同步请求报文的接收时间t2n、请求响应报文的发送时间t3n、请求响应报文的接收时间t4n以及同步请求报文在交换机内的滞留时间tresid-req和请求响应报文在交换机内的滞留时间tresid-resp，在一次时钟同步过程中，记相位偏差为toffset，假设主从链路延迟tms与从主链路延迟tsm相等，即tms＝tsm，则在同步请求报文的发送至接收过程中，存在：t1n+tms+tresid-req-toffset＝t2n在请求响应报文的发送至接收过程中，存在：t3n+tsm+tresid-resp+toffset＝t4n由上述三式可得一次时钟同步过程中设备与时间管理单元的相位偏差toffset，如下所示：由请求响应报文的滞留时间差可得Δtresid，而Δtresid＝tresid-resp-tresid-req，所以相位偏差：(2)计算频率修正系数，在此过程中，需要局域网络在进行两次及两次以上时钟同步过程中产生时间数据，过程如下：当进行第一次时钟同步时，默认频率修正系数为1；当进行第二次以及两次以上时钟同步时，取时钟同步序列号sernum＝x(x＝1,2,3....n)，时间管理单元发送同步请求报文时间t1x、设备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种局域网络中设备的时钟同步方法，其特征在于：所述的局域网络中设备的时钟同步方法包括按顺序进行的下列步骤：/n步骤1)：局域网络中的时间管理单元以固定周期T发送同步请求报文，经交换机转发到各需要同步的设备；在发送同步请求报文时，时间管理单元会记录下该同步请求报文的发送时间，记为t1

【技术特征摘要】
1.一种局域网络中设备的时钟同步方法，其特征在于：所述的局域网络中设备的时钟同步方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)：局域网络中的时间管理单元以固定周期T发送同步请求报文，经交换机转发到各需要同步的设备；在发送同步请求报文时，时间管理单元会记录下该同步请求报文的发送时间，记为t1n，并根据其时钟同步序列号sernum＝n写入时间戳RAM1；
步骤2)：在交换机内采用滞留时间桥机制，将同步请求报文进入交换机的时间记为tin，离开交换机的时间记为tout，则同步请求报文在交换机内的滞留时间tresid-req＝tout-tin；在转发时，交换机会将该滞留时间写入同步请求报文的时间修正域；
步骤3)：设备在接收到同步请求报文的同时会记录下该报文的接收时间t2n，并生成请求响应报文；之后，请求响应报文会经交换机转发至时间管理单元；在设备发送请求响应报文的瞬间，会记录下请求响应报文的发送时间t3n并将该时间载入请求响应报文中；
步骤4)：采用与步骤2)中同步请求报文在交换机内的滞留时间同样的处理方式，即可得到请求响应报文在交换机内的滞留时间并记作tresid-resp，并用该滞留时间减去原时间修正域中的滞留时间tresid-req即可得到滞留时间差Δtresid＝tresid-resp-tresid-req，并将该滞留时间差附在时间修正域后的滞留时间差域中；
步骤5)：时间管理单元接收到请求响应报文时，会记录下该报文的接收时间t4n并将其按时钟同步序列号以及设备号写入时间戳RAM4中；此外，时间管理单元还会根据接收的请求响应报文解析出同步请求报文的接收时间t2n以及请求响应报文的发送时间t3n，将它们按照其时钟同步序列号以及设备号分别存放至时间戳RAM2、时间戳RAM3中；
步骤6)：时间管理单元根据上述接收到的各设备时间信息与时间管理单元信息进行计算而得到相位偏差和设备的频率修正系数，然后将相位偏差与设备的频率修正系数和设备号联系起来生成相对时间偏差列表，并发送给各需要同步的设备；
步骤7)：需要进行偏差计算的设备根据接收到的相对时间偏差列表进行其时钟同步处理，整个过程分为时钟相位同步与时钟频率修正，从而即可实现对时钟相位的同步和频率的修正。


2.根据权利要求1所述的局域网络中设备的时钟同步方法，其特征在于：在步骤1)，所述的同步请求报文包括帧识别符、目的设备号、源设备号以及时钟同步序列号信息，并预留有时间修正域；时间戳RAM1是专门用于保存不同时钟同步序列号的同步请求报文发送时间t1n的随机存储器；
所述的帧识别符记录的是同步请求报文的帧识别号；
目的设备号记录的是需要同步设备的设备号；
源设备号记录的是时间管理单元的设备号；
时钟同步序列号记录的是该同步请求报文进行的时钟同步是第几次同步循环；
时间修正域记录的是该报文在交换机内的滞留时间。


3.根据权利要求1所述的局域网络中设备的时钟同步方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的请求响应报文包括帧标识符、目的设备号、源设备号、时钟同步序列号、同步请求报文的接收时间t2n、请求响应报文的发送时间t3n以及时间修正域，并预留有滞留时间差域；
所述的帧识别符记录的是请求响应报文的帧识别号；
目的设备号记录的是时间管理单元的设备号；
源设备号记录的是本设备的设备号；
时钟同步序列号记录的是该同步请求报文进行的时钟同步是第几次同步循环；
t2n记录的是设备接收同步请求报文的时间；
t3n记录的是设备发送请求响应报文的时间；
时间修正域记录的是该报文对应同步请求报文在交换机内的滞留时间；
滞留时间差域记录的是同步请求报文在交换机内的滞留时间与请求响应报文在交换机内的滞留时间差值。


4.根据权利要求1所述的局域网络中设备的时钟同步方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的时间戳RAM2、时间戳RAM3、时间戳RAM4分别为用于保存不同时钟同步序列号的同步请求报文接收时间t2n、请...

【专利技术属性】
技术研发人员：范毓洋，王鹏，田毅，马振洋，徐双平，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12