CN103873224B - 一种基于ip网络的高精度时间同步系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间同步方法。本发明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。

Description

一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法

技术领域

本发明属于计算机网络时间同步技术领域，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。

背景技术

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network timing protocol，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precision timing protocol，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。

发明内容

发明目的：本发明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，本发明公开了一种基于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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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：

64）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；

65）如果时钟等级小于128：

c）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；

d）如果时钟的数据集比较结果不是最优，

iii)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；

iv)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；

66）如果时钟等级大于128：

c）如果时钟等级为255，则时钟模式为从时钟S；

d）如果时钟等级不为255：

iii）插入位置在第一位，则时钟模式为主时钟M；

iv）插入位置不在第一，则时钟模式为从时钟S。

本发明中，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；

C.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，插入新时钟；

D.若待插入的时钟等级大于等于128：

新时钟模式为从时钟，其他时钟模式不变，插入新时钟；

iv）如果本时域配置为有备份主时钟：

C.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之后，则直接根据插入位置插入；

D.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之前，对插入位置之后的节点，独立时钟和从时钟不调整，当前主时钟成为备份主时钟，备份主时钟中排在最后的一个成为独立时钟，然后将新时钟加入。

本发明中，区域时频资源管理中心监测时钟心跳报，如果3000ms收不到心跳则认为时钟故障，需删除存在于区域时频资源管理中心端相应时域资源列表内的时钟节点；资源列表根据质量比较算法按照质量由好到差排列，依次为主时钟，备份主时钟，独立时钟，和从时钟，并定义maxB为该时域的备份时钟数上限；

删除后调整剩余的时钟工作模式，形成新的资源列表和主从对时关系并下发，故障时钟删除步骤如下：

1）如果删除主时钟，根据资源列表中第maxB+1个节点是否为独立时钟来判断是否存在独立时钟：如果资源列表中有独立时钟，则质量最好的备份主时钟成为主时钟，独立时钟成为备份主时钟；如果没有独立时钟，则最好的备份主时钟成为主时钟；

2）如果删除备份主时钟，剩余备份主时钟的模式不变，只在资源列表中有独立时钟的情况下独立时钟成为备份主时钟；

3）如果删除独立时钟或者删除从时钟，其它时钟节点不做调整。

本发明中，区域时频资源管理中心监测到时钟质量发生跳变后，根据质量比较算法调整时钟位置，更新资源列表和主从关系并下发，时钟质量跳变的处理步骤如下：

1）对发生质量跳变的时钟和资源列表中其他时钟依次进行数据集比较，如果该时钟在资源列表中位置需要调整，则进入下一步，否则算法结束；

2）将需要调整的节点保存到临时变量中，并调用故障时钟删除过程，从资源列表中删除；

3）调用新节点加入过程，将临时变量中的节点加入到资源列表中。

本发明中，时钟位置质量定义为：

时钟到其他所有时钟的总时延和总跳数的和，称为时钟位置质量；

时钟位置质量测算方法包括以下步骤：

根据资源列表，当前时钟向其他时钟节点发送探测包，根据收到的应答解析出本时钟节点和对端时钟节点之间的链路时延和路由跳数；

叠加本时钟节点和其他所有时钟节点间的链路时延和路由跳数，生成总时延和总跳数，也就是时钟位置质量。

有益效果：本方法通过比较时钟质量，生成合理的对时拓扑，并能实时监测对时网络的拓扑变化和节点运行情况，对网络对时节点进行合理的增减和模式的调配，管理控制对时网络，及时调度更新对时关系，在保证对时网络可靠性和稳定性的基础上，提供了最佳的的对时合理性和最好的对时精度效果。可以在多跳路由（3～5跳）的复杂网络环境下实现10微秒级的高精度同步。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明多中心星型拓扑时间同步系统对时关系示意图。

图2是本发明管理中心对时拓扑建立流程图。

图3是本发明时钟初始化流程图；

图4是本发明时钟循环监测流程图。

图5是本发明质量比较算法流程图。

图6是本发明时钟选举算法流程图。

图7是本发明故障时钟节点删除流程图。

图8是本发明新时钟加入流程图。

图9是本发明节点质量跳变处理流程图。

具体实施方式

本发明在综合考虑同步精度要求、链路可靠性、投入改造成本的基础上，提出了多中心星型拓扑时间同步系统构建方法、TRE（time resource election，时间资源选举）算法。支持时钟节点的随机加入、资源的统一调度和对时网络的弹性重组，通过在现有IP承载网络基础上增加时统设备，实现高精度时间同步，而不需要更换底层网络设备，同步精度可达10微秒级。

1、多中心星型拓扑时间同步系统构建方法

多中心星型拓扑时间同步系统由一个区域时频资源管理中心（下文简称为管理中心）和若干个时域组成。

区域时频资源管理中心负责所辖范围内的时统节点身份信息收集、完成资源注册；采集节点状态信息，按照相应算法进行资源调度，形成对时拓扑。

时域是一个区域按照高精度时间同步需求划分成的任务组，组内时钟之间实现高精度同步。时域内有若干时钟，在管理中心，每个时域内的时钟形成一个资源列表和一套主从关系，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。

时钟有五种工作模式，分别是M（主时钟）、B(从时钟)、D(备份主时钟)、S(独立时钟)和E（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；备份主时钟可作为主时钟的备份，亦可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；边界时钟可以接收上级主时钟的对时，也可以向下提供授时。

如图1所示，以一个主时钟为拓扑中心，多个从时钟接收主时钟授时，当个别从时钟物理链路离主时钟较远或者传输质量欠佳时，就近以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）时钟向管理中心发送心跳报，注册时钟信息；

2）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；

4）时钟向管理中心上报时钟质量；

5）管理中心运行TRE算法，生成对时关系；

6）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，并评估对时效果；

8）对从时钟来讲，如果和备份主时钟对时效果更好则向管理中心申请更换主时钟；

9）管理中心接收申请并更新节点邻居关系。

2、TRE算法

TRE算法由两部分组成，分别是质量比较算法、资源调度算法。

质量比较算法驻留在管理中心，根据时域内时钟资源上报的时钟质量，通过两两相比生成时域内时钟资源的排序结果。时钟质量包括第一类优先级、时钟等级、时钟准确度、时钟精密度、时钟总跳数、时钟总时延、第二类优先级。

资源调度算法驻留在管理中心和时钟内，管理中心部分在质量比较算法的基础上，结合时钟的时钟等级和排序结果，确定时钟的工作模式和主从邻居时钟；时钟部分通过评估和管理中心分配的主时钟和备份主时钟之间的链路抖动、链路时延、路由跳数，选取相对本时钟来讲最佳的主时钟，并上报主从关系更新申请。

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

1、多中心星型拓扑时间同步系统建立

时间同步系统的建立过程就是多个时钟形成对时体系的过程，参与同步系统构建的对象包括管理中心和时域内时钟。

管理中心完成时钟身份、质量采集，运行时间资源选举算法，生成对时拓扑，结合图2，管理中心端程序步骤如下：

1）采集心跳报、质量报以及相关应答报文等时钟报文；

2）根据报文类型和节点工作模式分发处理；

3）如果进入时钟初始化分支，进行时钟预考察，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；

4）如果进入时钟监测分支，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，如果中心分配模式为从时钟，则探测更适合自己的主时钟，时钟端程序步骤包括初始化部分和循环监测部分。

结合图3，时钟端程序步骤包括初始化部分包括：

1）系统初始化；

2）读取配置文件，如果时钟模式手动配置，则进入特定模式，初始化结束；

3）如果未经手动配置，进行身份注册；

4）接收来自管理中心的时域内时钟资源列表；

5)计算时钟的时间质量和位置质量，并上报管理中心；

6）接收来自管理中心的主从对时关系，并进入特定工作模式；

结合图4，循环监测部分：

1）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，则进入特定工作模式；

2）如果监测到本地时钟故障，故障恢复后重入初始化部分；

3）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不和中心一致则重入初始化部分。

2、TRE算法

TRE算法由两部分组成，分别是质量比较算法、资源调度算法。

质量比较算法是TRE算法的基础，是资源调度决策的依据，结合图5，算法步骤如下：

1）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；

2）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；

3）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；

4）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；

5）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；

6）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；

7）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；

8）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，结合图6，步骤如下：

1）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；

2）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；

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B时钟之前，则时钟模式为B；

ii)插入位置在最后一个B时钟之后，则时钟模式为D；

3）如果时钟等级大于128

e）如果时钟等级为255，则时钟模式为S；

f）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；

ii）插入位置不在第一，则时钟模式为S；

当时钟通过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，结合图8，新时钟加入的步骤如下：

1）判断待插入时域是否为空

2)如果时域空

a)如果时钟等级为255，则时钟模式为S；

b)如果时钟等级不为255，则时钟模式为主时钟；

3)如果时域不为空

a)如果当前主时钟为主时钟（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；

b）如果当前主时钟为主时钟（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

E.若待插入的时钟等级小于128

若新时钟模式为主时钟，原主时钟模式成为独立时钟，插入新时钟；

若新时钟模式为独立时钟，其他时钟模式不变，插入新时钟；

F.若待插入的时钟等级大于等于128

新时钟模式为从时钟，其他时钟模式不变，插入新时钟；

v）如果本时域配置为有备份主时钟

E.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之后，则直接根据插入位置插入；

F.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之前，对插入位置之后的节点，独立时钟和从时钟不要调整，主时钟成为备份主时钟，备份主时钟中排在最后的一个成为独立时钟，然后将新时钟加入。

管理中心监测时钟心跳报，3000ms收不到心跳则认为时钟故障，需删除存在于管理中心端相应时域资源列表内的时钟节点。资源列表中质量最好者为主时钟，次之为备份主时钟，再次之为独立时钟，最末为从时钟，并定义maxB为该时域的备份时钟数上限。删除相应时钟后调整剩余的其它时钟工作模式，形成新的资源列表和主从对时关系并下发。结合图7，故障时钟删除步骤如下：

1）如果删除主时钟，根据第maxB+1个节点是否为独立时钟来判断是否存在独立时钟。如果资源列表中有独立时钟，则备份主时钟成为主时钟,独立时钟成为备份主时钟；如果没有独立时钟，则备份主时钟成为主时钟。

2）如果删除备份主时钟，剩余备份主时钟模式不变，只在资源列表中有独立时钟的情况下独立时钟成为备份主时钟。

3）如果删除独立时钟或者删除从时钟，其它节点不做调整。

管理中心监测到时钟质量发生跳变后，根据质量比较算法调整时钟位置，更新资源列表和主从关系并下发，结合图9，时钟质量跳变的处理步骤如下：

1）对发生质量跳变的时钟和资源列表中其他时钟依次进行数据集比较，如果该时钟在资源列表中位置需要调整，则进入下一步，否则算法结束；

2）将需要调整的节点保存到临时变量中，并调用故障时钟删除过程，从资源列表中删除；

3）调用新节点加入过程，将临时变量中的节点加入到资源列表中。

本发明提供了一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

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，插入新时钟；

B.若待插入的时钟等级大于等于128：

新时钟模式为从时钟，其他时钟模式不变，插入新时钟；

iii)如果本时域配置为有备份主时钟：

A.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之后，则直接根据插入位置插入；

B.如果待插入位置在最后一个备份主时钟之前，对插入位置之后的节点，独立时钟和从时钟不调整，当前主时钟成为备份主时钟，备份主时钟中排在最后的一个成为独立时钟，然后将新时钟加入；

区域时频资源管理中心监测时钟心跳报，如果3000ms收不到心跳则认为时钟故障，需删除存在于区域时频资源管理中心端相应时域资源列表内的时钟节点；

资源列表根据质量比较算法按照质量由好到差排列，依次为主时钟，备份主时钟，独立时钟，和从时钟，并定义maxB为该时域的备份时钟数上限；

删除后调整剩余的时钟工作模式，形成新的资源列表和主从对时关系并下发，故障时钟删除步骤如下：

1)如果删除主时钟，根据资源列表中第maxB+1个节点是否为独立时钟来判断是否存在独立时钟：如果资源列表中有独立时钟，则质量最好的备份主时钟成为主时钟，独立时钟成为备份主时钟；如果没有独立时钟，则最好的备份主时钟成为主时钟；

2)如果删除备份主时钟，剩余备份主时钟的模式不变，只在资源列表中有独立时钟的情况下独立时钟成为备份主时钟；

3)如果删除独立时钟或者删除从时钟，其它时钟节点不做调整；

区域时频资源管理中心监测到时钟质量发生跳变后，根据质量比较算法调整时钟位置，更新资源列表和主从关系并下发，时钟质量跳变的处理步骤如下：

1)对发生质量跳变的时钟和资源列表中其他时钟依次进行数据集比较，如果该时钟在资源列表中位置需要调整，则进入下一步，否则算法结束；

2)将需要调整的节点保存到临时变量中，并调用故障时钟删除过程，从资源列表中删除；

3)调用新节点加入过程，将临时变量中的节点加入到资源列表中。

2.根据权利要求1所述的一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，其特征在于，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，如果是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。

3.根据权利要求2所述的一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种基于IP网络的高精度时间同步系统的构建方法，其特征在于，时钟位置质量定义为：

时钟到其他所有时钟的总时延和总跳数的和，称为时钟位置质量；

时钟位置质量测算方法包括以下步骤：

根据资源列表，当前时钟向其他时钟节点发送探测包，根据收到的应答解析出本时钟节点和对端时钟节点之间的链路时延和路由跳数；

叠加本时钟节点和其他所有时钟节点间的链路时延和路由跳数，生成总时延和总跳数，也就是时钟位置质量。