本發(fā)明涉及通信網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適用于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的分布式容錯(cuò)時(shí)鐘同步方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)是一種應(yīng)用于現(xiàn)代工控、航空航天等對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性有極高要求的系統(tǒng)中的通信技術(shù)，該技術(shù)可以提供微秒級(jí)的時(shí)延抖動(dòng)，同時(shí)提供百兆，甚至千兆的高帶寬，是一項(xiàng)很有市場(chǎng)前景的技術(shù)。

時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制。傳統(tǒng)的事件觸發(fā)通信機(jī)制無(wú)法避免由于競(jìng)爭(zhēng)、擁塞造成的傳輸延遲不確定性，而時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制通過(guò)時(shí)分復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)通信，從而保證了強(qiáng)實(shí)時(shí)性，時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制要求系統(tǒng)中所有部件嚴(yán)格按照全局時(shí)鐘執(zhí)行通信動(dòng)作，通過(guò)對(duì)各部件合理制定時(shí)間調(diào)度表，可以保證確定的通信延遲以及時(shí)延抖動(dòng)，從而滿足系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性。

全局時(shí)鐘是實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信的必備條件，而在分布式通信系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有各自的本地時(shí)鐘，因此，需要時(shí)鐘同步機(jī)制保證所有節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘之間的誤差在一定范圍內(nèi)，目前，時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)主要采用兩種時(shí)鐘同步算法：主從式時(shí)鐘同步算法和集中壓縮式時(shí)鐘同步算法。

主從式時(shí)鐘同步算法，如圖1所示：IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該種時(shí)鐘同步算法有詳細(xì)描述，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在一個(gè)主設(shè)備，負(fù)責(zé)定期向其他從設(shè)備發(fā)送時(shí)鐘信息，而從設(shè)備根據(jù)接收到的時(shí)鐘信息，對(duì)其本地時(shí)鐘進(jìn)行修正，從而達(dá)到全網(wǎng)時(shí)鐘同步的功能。

集中壓縮式時(shí)鐘同步算法，如圖2所示：SAE AS6802標(biāo)準(zhǔn)主要論述了該種時(shí)鐘同步算法，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在三種同步角色：同步主節(jié)點(diǎn)(Synchronization Master，SM)、同步從節(jié)點(diǎn)(Synchronization Client，SC)和壓縮節(jié)點(diǎn)(Compression Master，CM)。

同步主節(jié)點(diǎn)(SM)：定期向壓縮節(jié)點(diǎn)發(fā)送本地時(shí)鐘用于計(jì)算全局平均時(shí)鐘；同步從節(jié)點(diǎn)(SC)：根據(jù)壓縮節(jié)點(diǎn)返回的全局平均時(shí)鐘，定期修正自己的本地時(shí)鐘；壓縮節(jié)點(diǎn)(CM)：收集所有同步主節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘，計(jì)算、廣播全局平均時(shí)鐘。

集中壓縮式時(shí)鐘同步算法采用多個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)時(shí)鐘的維護(hù)者，過(guò)程如下：

同步主節(jié)點(diǎn)定期向壓縮節(jié)點(diǎn)發(fā)送各自的時(shí)鐘信息；

壓縮節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些時(shí)鐘信息計(jì)算出同步主節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏差，從而得到同步主節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)鐘；

壓縮節(jié)點(diǎn)將算出的平均時(shí)鐘廣播至全系統(tǒng)；

同步主/從節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的平均時(shí)鐘信息，修改本地時(shí)鐘。

上述的兩種時(shí)鐘同步算法都存在一個(gè)重大缺陷：核心單點(diǎn)(主從式時(shí)鐘同步算法中的主設(shè)備，集中壓縮式時(shí)鐘同步算法中的壓縮節(jié)點(diǎn))發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘崩潰，如果去除時(shí)鐘同步過(guò)程中的核心單點(diǎn)，采用分布式時(shí)鐘同步算法將會(huì)緩解上述缺陷，本發(fā)明提出的分布式時(shí)鐘同步算法可以很大程度避免單點(diǎn)故障引起的時(shí)鐘失步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種適用于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的分布式容錯(cuò)時(shí)鐘同步方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明提出一種適用于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的分布式容錯(cuò)時(shí)鐘同步方法，基于集中壓縮式時(shí)鐘同步算法，包括：

步驟1，當(dāng)每個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)在本地時(shí)鐘為零時(shí)刻時(shí)，向系統(tǒng)廣播協(xié)議幀，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的所述協(xié)議幀并記錄所述協(xié)議幀的到達(dá)時(shí)刻及透明時(shí)鐘值，同時(shí)根據(jù)廣播協(xié)議將所述協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)，并且修改所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘值，其中所述節(jié)點(diǎn)包括所述同步主節(jié)點(diǎn)，或所述同步主節(jié)點(diǎn)與同步從節(jié)點(diǎn)；

步驟2，在一個(gè)周期結(jié)束前的固定時(shí)刻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將一個(gè)周期內(nèi)收到的所有所述協(xié)議幀計(jì)算平均偏差時(shí)鐘，采用容錯(cuò)中值法保證所有無(wú)故障節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘維持同步狀態(tài)，并根據(jù)計(jì)算出的平均偏差時(shí)鐘對(duì)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘進(jìn)行修正。

所述透明時(shí)鐘值記錄在所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘域中。

所述步驟1還包括獲取時(shí)鐘偏差，并將所述時(shí)鐘偏差記錄在時(shí)鐘偏差集合中。

所述步驟1還包括如果接收所述協(xié)議幀的節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，則將所述協(xié)議幀繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳，在轉(zhuǎn)發(fā)所述協(xié)議幀至下一跳前，測(cè)量所述協(xié)議幀在所述中繼節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間T及下一跳的鏈路時(shí)間。

根據(jù)所述時(shí)鐘偏差集合計(jì)算所述平均偏差時(shí)鐘。

本發(fā)明還提出一種適用于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的分布式容錯(cuò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，包括：

獲取透明時(shí)鐘值模塊，用于當(dāng)每個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)在本地時(shí)鐘為零時(shí)刻時(shí)，向系統(tǒng)廣播協(xié)議幀，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的所述協(xié)議幀并記錄所述協(xié)議幀的到達(dá)時(shí)刻及透明時(shí)鐘值，同時(shí)根據(jù)廣播協(xié)議將所述協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)，并且修改所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘值，其中所述節(jié)點(diǎn)包括所述同步主節(jié)點(diǎn)，或所述同步主節(jié)點(diǎn)與同步從節(jié)點(diǎn)；

修正模塊，用于在一個(gè)周期結(jié)束前的固定時(shí)刻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將一個(gè)周期內(nèi)收到的所有所述協(xié)議幀計(jì)算平均偏差時(shí)鐘，采用容錯(cuò)中值法保證所有無(wú)故障節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘維持同步狀態(tài)，并根據(jù)計(jì)算出的平均偏差時(shí)鐘對(duì)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘進(jìn)行修正。

所述透明時(shí)鐘值記錄在所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘域中。

所述獲取透明時(shí)鐘值模塊還包括獲取時(shí)鐘偏差，并將所述時(shí)鐘偏差記錄在時(shí)鐘偏差集合中。

所述獲取透明時(shí)鐘值模塊還包括如果接收所述協(xié)議幀的節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，則將所述協(xié)議幀繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳，在轉(zhuǎn)發(fā)所述協(xié)議幀至下一跳前，測(cè)量所述協(xié)議幀在所述中繼節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間T及下一跳的鏈路時(shí)間。

根據(jù)所述時(shí)鐘偏差集合計(jì)算所述平均偏差時(shí)鐘。

由以上方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

高容錯(cuò)性：采用分布式容錯(cuò)時(shí)鐘計(jì)算方法避免了由于核心節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致全系統(tǒng)的時(shí)鐘崩潰，同時(shí)采用多個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)鐘可以容忍幾個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)故障的情況。

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單：較SAE AS6802標(biāo)準(zhǔn)，本發(fā)明的系統(tǒng)去除了壓縮節(jié)點(diǎn)，只包含一到兩種同步角色，因此，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試的復(fù)雜度。

附圖說(shuō)明

圖1為主從式時(shí)鐘同步算法圖；

圖2為集中壓縮式時(shí)鐘同步算法圖；

圖3為時(shí)間觸發(fā)交換網(wǎng)示意圖；

圖4為同步主節(jié)點(diǎn)向系統(tǒng)廣播協(xié)議幀圖；

圖5為接收協(xié)議幀，計(jì)算時(shí)鐘偏差，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳圖；

圖6為獲取時(shí)鐘偏差集合圖；

圖7為計(jì)算平均時(shí)鐘偏差值圖；

圖8為修正本地時(shí)鐘圖；

圖9為容錯(cuò)分布式時(shí)鐘同步算法圖。

具體實(shí)施方式

發(fā)明人在對(duì)時(shí)鐘同步算法研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的兩種時(shí)鐘同步算法由于在時(shí)鐘同步過(guò)程中存在核心單點(diǎn)的問(wèn)題，從而導(dǎo)致了上述缺陷，盡管集中壓縮式時(shí)鐘同步算法已經(jīng)在主從式時(shí)鐘同步算法的基礎(chǔ)上對(duì)核心單點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了保護(hù)：壓縮節(jié)點(diǎn)將多個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行平均計(jì)算，避免了單個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)鐘故障從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘失步的情況，但是，壓縮節(jié)點(diǎn)卻成為了新的核心單點(diǎn)，為此，本發(fā)明在集中壓縮式時(shí)鐘同步算法的基礎(chǔ)上，提出一種完全分布式時(shí)鐘同步算法，將原本在壓縮節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的平均時(shí)鐘計(jì)算分布到系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)，從而去除了壓縮節(jié)點(diǎn)。

以下為本發(fā)明方法的具體步驟，如下所示：

步驟一：每個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)在本地時(shí)鐘為零時(shí)刻的時(shí)候，向系統(tǒng)廣播一個(gè)協(xié)議幀(在SAE AS6802中，該協(xié)議幀只會(huì)發(fā)送至壓縮節(jié)點(diǎn))；

步驟二：每個(gè)設(shè)備收到其他設(shè)備的協(xié)議幀時(shí)，接收該協(xié)議幀并記錄其到達(dá)時(shí)刻及透明時(shí)鐘值；同時(shí)根據(jù)廣播協(xié)議將協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)至其他設(shè)備，并且修改該協(xié)議幀的透明時(shí)鐘值；

步驟三：在一個(gè)周期結(jié)束前的固定時(shí)刻，每個(gè)設(shè)備將一個(gè)周期內(nèi)收到的所有協(xié)議幀進(jìn)行平均偏差時(shí)鐘(或稱為平均時(shí)鐘，下同)計(jì)算，采用容錯(cuò)中值法可以保證所有無(wú)故障設(shè)備的時(shí)鐘維持同步狀態(tài)(在SAE AS6802中，只在壓縮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算方法也比較復(fù)雜)；

步驟四：根據(jù)計(jì)算出的平均偏差時(shí)鐘對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行修正。

本發(fā)明還提出一種適用于時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的分布式容錯(cuò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，包括：

獲取透明時(shí)鐘值模塊，用于當(dāng)每個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)在本地時(shí)鐘為零時(shí)刻時(shí)，向系統(tǒng)廣播協(xié)議幀，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的所述協(xié)議幀并記錄所述協(xié)議幀的到達(dá)時(shí)刻及透明時(shí)鐘值，同時(shí)根據(jù)廣播協(xié)議將所述協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)，并且修改所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘值，其中所述節(jié)點(diǎn)包括所述同步主節(jié)點(diǎn)，或所述同步主節(jié)點(diǎn)與同步從節(jié)點(diǎn)；

修正模塊，用于在一個(gè)周期結(jié)束前的固定時(shí)刻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將一個(gè)周期內(nèi)收到的所有所述協(xié)議幀計(jì)算平均偏差時(shí)鐘，采用容錯(cuò)中值法保證所有無(wú)故障節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘維持同步狀態(tài)，并根據(jù)計(jì)算出的平均偏差時(shí)鐘對(duì)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘進(jìn)行修正。

所述透明時(shí)鐘值記錄在所述協(xié)議幀的透明時(shí)鐘域中。

所述獲取透明時(shí)鐘值模塊還包括獲取時(shí)鐘偏差，并將所述時(shí)鐘偏差記錄在時(shí)鐘偏差集合中。

所述獲取透明時(shí)鐘值模塊還包括如果接收所述協(xié)議幀的節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，則將所述協(xié)議幀繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳，在轉(zhuǎn)發(fā)所述協(xié)議幀至下一跳前，測(cè)量所述協(xié)議幀在所述中繼節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間T及下一跳的鏈路時(shí)間。

根據(jù)所述時(shí)鐘偏差集合計(jì)算所述平均偏差時(shí)鐘。

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境為具有時(shí)間同步機(jī)制的時(shí)間觸發(fā)交換式網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中存在兩類同步角色：同步主節(jié)點(diǎn)SM和同步從節(jié)點(diǎn)SC，其中同步從節(jié)點(diǎn)也可以省去，圖3展示了一個(gè)具有6個(gè)設(shè)備的時(shí)間觸發(fā)交換式網(wǎng)絡(luò)，其中包含四個(gè)同步主節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)同步從節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明假設(shè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，各個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘處于同步狀態(tài)，但是隨著時(shí)間推移，不同設(shè)備由于環(huán)境因素及器件工藝等原因出現(xiàn)了時(shí)鐘偏差，本發(fā)明主要用于維持系統(tǒng)設(shè)備間的同步，圖3中，各個(gè)設(shè)備間的時(shí)鐘存在偏差，但是仍在可容忍范圍內(nèi)，即最大偏差值小于偏差容忍閾值θ，接下來(lái)將描述本發(fā)明的時(shí)鐘同步算法。

在時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)中，一個(gè)基本的調(diào)度單位是集成周期，設(shè)備在每個(gè)集成周期的動(dòng)作一致，本發(fā)明的同步算法如圖9所示：

步驟一：圖4中，同步主節(jié)點(diǎn)SM0、SM1、SM2和SM3在各自的每個(gè)集成周期的開始時(shí)刻，向系統(tǒng)廣播協(xié)議幀PCF0、PCF1、PCF2和PCF3；

步驟二：每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)議幀后，記錄下該幀的到達(dá)時(shí)刻，圖5、圖6中SC0接收到PCF0，記錄該幀的到達(dá)時(shí)刻Local_clock_SC0＝AT_{PCF0_at_SC0}，同時(shí)讀取該幀的透明時(shí)鐘值TC_{PCF0_at_SC0}，該值記錄在協(xié)議幀的透明時(shí)鐘域(參考SAEAS6802標(biāo)準(zhǔn))，該幀的到達(dá)時(shí)刻減去該幀的透明時(shí)鐘值便是該幀的接收節(jié)點(diǎn)與該幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏差ΔSC0_SM0＝AT_{PCF0_at_SC0}-TC_{PCF0_at_SC0}，保存該值至?xí)r鐘偏差集合Δset；

在步驟二中，如果接收節(jié)點(diǎn)是個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(比如交換機(jī)，根據(jù)廣播協(xié)議需要將接收到的協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳)，那么，該接收節(jié)點(diǎn)需要將該協(xié)議幀繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳，接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送該幀前，需要測(cè)量出該幀在本節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間DT及下一跳的鏈路時(shí)間LT，計(jì)算該幀新的透明時(shí)鐘值TC_new＝TC_old+DT+LT，并將TC_new寫入該幀的透明時(shí)鐘域，替換了原始的透明時(shí)鐘值。圖5中，SC0測(cè)量出PCF0在SC0的駐留時(shí)間DT_{PCF0_at_SC0}，及下一跳鏈路時(shí)間LT_{PCF0_at_SC0}，從而計(jì)算出新的透明時(shí)鐘值TC_new＝TC_{PCF0_at_SC0}+DT_{PCF0_at_SC0}+LT_{PCF0_at_SC0}，并將TC_new寫入PCF0的透明時(shí)鐘域，最后將修改過(guò)的PCF0發(fā)往同步主節(jié)點(diǎn)SM1和同步從節(jié)點(diǎn)SC1。

步驟三：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的每個(gè)集成周期的結(jié)束前θ的時(shí)刻，根據(jù)本集成周期內(nèi)接收到的所有協(xié)議幀所得到的時(shí)鐘偏差集合Δset，計(jì)算平均時(shí)鐘偏差Δaverage，圖7中，SC0在集成周期結(jié)束前θ的時(shí)刻，根據(jù)時(shí)鐘偏差集合Δset＝{ΔSC0_SM0，ΔSC0_SM1，ΔSC0_SM2，ΔSC0_SM3}，計(jì)算平均時(shí)鐘偏差ΔSC0_average。平均時(shí)鐘偏差計(jì)算方法(容錯(cuò)中值法)：

1.將Δset按數(shù)值大小升序(降序)排列為新的時(shí)鐘偏差集合Δset_sort；

2.平均時(shí)鐘偏差Δaverage的值為Δset_sort中第K大值和第K小值的算術(shù)平均值。

步驟四：每個(gè)節(jié)點(diǎn)得到平均時(shí)鐘偏差后，如果平均時(shí)鐘偏差大等于偏差容忍閾值θ，那么判斷出該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將該節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，隔離或者重啟等故障管理工作；否則，在集成周期結(jié)束時(shí)，修改自己的本地時(shí)鐘，即在本地時(shí)鐘Local_clock減掉平均時(shí)鐘偏差Δaverage，同時(shí)將平均時(shí)鐘偏差歸零Δaverage＝0，時(shí)鐘修正完成，圖8中SC0修正后的本地時(shí)鐘為L(zhǎng)ocal_clock_SC0＝Local_clock_SC0-ΔSC0_average。