技术摘要：
本发明公开了一种面向时间敏感网络的高可靠时钟同步系统及方法，涉及通信技术领域。本发明按时钟同步功能将网络分为两个层级，顶层网络采用主从式同步方法实现时间和频率偏移校正，并与底层网络时钟基准进行对比，保证网络可靠性；底层网络采用分布式结构实现时间基准  全部
背景技术：
时间敏感网络(Time  Sensitive  Networking，TSN)是一种能够为现代工业提供确 定性服务的新兴网络，是传统以太网的扩展。TSN为传统以太网协议建立了“通用”的时间敏 感机制，确保了网络数据传输的时间确定性。 构建TSN的关键环节是设计TSN网关，而TSN的一个重要基础就是精准时钟同步，所 以TSN网关需要实现精准时钟同步。时钟同步为TSN的所有设备提供统一的精确时间，是TSN 正常工作的基础。如果没有精准的时钟同步，TSN在进行流量调度时将无法准确地控制门控 列表中门的开关，TSN会产生较大的延迟。于是TSN对于设备间的时钟同步精度和可靠性提 出了很大的要求。由于网络结构的复杂性及时钟同步对硬件较大的依赖性，如何实现TSN高 精度高可靠的时钟同步是个极具挑战性的问题。 目前常采用的时钟同步方案包括IEEE  802.1AS及AS6802。其中IEEE  802.1AS的时 钟同步模式为主从式同步，必须选取一个最佳主时钟(Grand  Master，GM)，该最佳主时钟通 过GPS授时等手段与协调世界时(Coordinated  Universal  Time，UTC)进行同步，视为全局 时钟基准，然后以GM作为主时钟，GM下层设备作为从时钟，通过主从式同步与下层设备进行 同步，同时下层设备又作为更底层设备的主时钟，同样以主从方式进行同步。AS6802是一种 分布式的同步方式，没有主时钟的概念，它定义了同步主控制器(Synchronization  Master，SM)，压缩主控制器(Compression  Master，CM)，同步从控制器(Synchronization  Client，SC)。SM会发送协议控制帧(Protocol  Control  Frame，PCF)给CM，CM进行固化压缩 等操作后计算出压缩校正值，CM将此校正值发送至SM和SC，SM和SC再据此调整本地时钟。 经检索，公开号为CN  109818702A，名称为“一种IEEE  802.1AS时钟同步功能实现 系统以及实现方法”，采用IEEE  802.1AS方法实现时钟同步。主从时钟在软硬件协同设计的 平台上采用一步式同步方法，将延迟测量和时间同步两个步骤合二为一，简化了时间同步 系统的复杂度，在每次同步交互过程中，主从时钟各采集两个时间戳，从时钟根据主从时钟 采集的四个时间戳信息计算主从时钟偏移值，根据主从时钟偏移值对从时钟进行校准，完 成通信网络系统中网络设备的时钟同步。公开号为CN110299957A，名称为“基于晶振频率数 字补偿的时间触发以太网时钟同步方法”，解决了时钟同步过程中频率偏移校准问题。该方 法基于AS6802协议搭建时间触发以太网模型，通过网络演算对时钟同步过程进行仿真。采 用Verilog  HDL工具设计晶振频率-温度特性曲线查找表以及包含晶振频率数字补偿模的 改进本地时钟模块，并将其应用于网络节点硬件模型中。 IEEE  802.1AS采用主从同步方式，同时假设主时钟至从时钟的下行延迟与从时钟 到主时钟的上行延迟相等，但是在实际网络中上行延迟与下行延迟往往是不等的，这样就 会造成主从同步时产生一定误差，尤其是在TSN中，因为TSN旨在实现多类型网络的时间敏 4 CN 111585683 A 说　明　书 2/7 页 感机制结合，这样异构网络带来的时延不对称更加严重。同时这种误差会在多级网络中不 断累积，最终导致整体误差较大。尽管IEEE  802.1AS采用硬件辅助加时间戳的方式减小上 下行延迟不等引起的误差，但仍未消除误差，且同步精度对硬件依赖程度较大。 IEEE  802.1AS中全局时钟基准对GM依赖较大，如果GM时钟出现较大偏移，整个网 络的时钟将产生很大误差，尽管可以采用最佳主时钟算法调整GM，但是由于需要对比所有 网络设备的超主时钟层次、标识、时钟稳定性等信息，当网络规模较大时会导致切换速度 慢，且如果选择的GM时钟频率和UTC差距较大，则误差会不断累计增大。 AS6802缺少与UTC进行同步的功能，只能实现局域网内的时钟同步，同时AS6802可 能出现结团现象，导致无法实现全局的时钟同步，尽管引入结团检测机制，但同时会导致算 法复杂度增加。 IEEE  802.1AS及AS6802均只考虑瞬时时间同步，并未考虑晶振频率的变化，即上 述的时钟同步仅为时间上的同步，并没有实现时钟频率的同步，无法校正时钟频率偏移。当 频率偏移较大时，在同样时钟同步精度要求下，需要更短的同步周期，同步频率更高，会占 用大量网络带宽，增加网络负载；如果采用同样的同步周期，会导致同步精度下降。 目前一些同时考虑时钟偏移校正和频率偏移校正的方法只考虑了独立设备的频 率偏移校正，如仅在单个设备上考虑温度对时钟频率的影响并进行补偿；有的方法采用主 从式频率同步，从时钟频率只和上一级主时钟的频率相关，这样频率偏移校正误差会在大 型网络中不断累积。 现有单独考虑频率偏移校正的方法一般需要一段较长的时间进行数据的采集，然 后进行线下计算，导致同步时间变长，无法对频率偏移进行实时校正。 因此，本领域的技术人员致力于开发一种面向时间敏感网络的时钟偏移和频率偏 移协同调节的双层高可靠时钟同步系统及方法。减小网络时钟基准对GM的依赖，提高了网 络容错性和可靠性；实现网络系统时钟在时间和频率上与UTC的同步；避免出现结团现象， 实现全网络设备的时钟同步；解决时钟偏移校正精度不高及频率偏移校正较慢的情况，提 高同步精度，减小同步时间周期，提高同步速度。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是实现网络系统时钟基 准在时间和频率上都与UTC实现同步，引入容错机制，减小网络时钟基准对GM的依赖程度， 提高网络的可靠性；避免网络中的部分设备出现时钟结团现象，只有部分设备进行同步，从 而导致的网络时钟同步系统重启问题；在时钟同步过程中实现时钟偏移校正与在线频率偏 移校正的融合，提高同步速度和同步精度，减少同步周期。 为实现上述目的，本发明提供了一种面向时间敏感网络的高可靠时钟同步方法， 包括以下步骤： 步骤一、根据最佳主时钟算法选择网络中的某一设备为GM； 步骤二、在每一个集成周期开始，各设备将本地时钟信息传输至所述GM，所述GM选 取所述各设备的角色，包括FM、SM、CM和SC； 步骤三、所述GM在确定完所述各设备角色后将角色分配信息写入PCF帧；所述各设 备收到角色分配信息帧后对角色进行确定，各角色完成状态转换，发送角色确认信息帧至 5 CN 111585683 A 说　明　书 3/7 页 所述GM； 步骤四、所述GM在收到所述各设备返回的角色确认信息帧之后，开始与所述SM进 行时间同步及开始与所述FM进行频率同步； 步骤五、所述SM在与所述GM完成时间同步后生成PCF帧，将PCF帧发送至所述CM，所 述CM根据接收到的PCF帧计算压缩校正值，所述CM据此调整本地时钟后生成新的PCF帧，将 该基准发送至所述GM、所述SM、所述FM和所述SC； 步骤六、所述SM、所述FM和所述SC接收到所述CM发送的PCF帧后进行本地时钟调 整； 步骤七、在每一个集群周期的结束阶段，即每个所述集群周期最后一个所述集成 周期结束阶段，所述GM将判断自身正常与否，将信息反馈至所述各设备； 步骤八、如果所述FM接收到所述GM正常信息帧后，所述FM将在一个所述集群周期 内收集的由所述GM发送至所述FM的数据传输延迟测量值进行处理，计算时钟频率偏移，然 后调整所述FM的本地时钟频率，同时将所述FM调整之后的频率值发送至所述SM、所述CM和 所述SC，所述SM、所述CM和所述SC根据接收到频率调整信息调整本地时钟频率；如果所述FM 接收到所述GM异常信息帧后，所述FM将直接将自己的时钟频率下发至下层设备，所述下层 设备根据所述FM时钟进行调整； 步骤九、在下一个所述集群周期开始，所述各设备根据所述GM发送的状态信息调 整同步策略；如果收到所述GM正常信息帧，则跳转至所述步骤二，重新进行各设备角色的选 取；如果收到所述GM异常信息帧，则跳转至所述步骤五。 进一步地，所述本地时钟信息包括本地时钟时间值，本地晶振频率信息、本地晶振 老化程度、设备到所述GM的跳数。 进一步地，所述步骤二中选取所述SM时按照设备分簇规则将设备进行分簇，根据 簇内设备最多原则选择SM簇，簇内设备为所述SM。 进一步地，所述设备分簇规则是根据设备的时钟信息进行时钟分布检测，将时钟 相近的设备组成一个簇。 进一步地，所述设备分簇规则是先确定网络层级结构，以所述设备距离GM的跳数 为分级标准，距离所述GM的跳数代表了设备所处的级数；每级网络再独立根据设备的时钟 信息进行时钟分布检测，将时钟相近的设备组成一个簇。 进一步地，所述步骤二中选取所述FM时根据本地晶振频率信息、本地晶振老化程 度等信息选择频率最稳定的设备为所述FM。 进一步地，所述步骤二中设置所述CM时保证各所述SM到达所述CM的总跳数最小。 进一步地，所述步骤七中，所述GM判断自身正常与否规则为：所述GM将所述CM计算 的分布式网络的全局时钟基准与所述GM本地时钟进行比较，如果二者时间差值小于或等于 预设的阈值，则认为所述GM处于正常状态，然后所述GM发送GM正常标志帧至所有设备；如果 差值大于预设的阈值，则认为所述GM处于异常状态，然后所述GM发送GM异常标志帧至所有 设备。 进一步地，所述GM、所述FM、所述SM、所述CM、所述SC设备包括中继设备、终端设备。 本发明还提供了一种面向时间敏感网络的高可靠时钟同步系统，包括： 实时时钟模块：根据晶振频率和计数器实现精准计时，并且包含时钟调整功能，能 6 CN 111585683 A 说　明　书 4/7 页 根据计算出来的时钟偏移和频率偏差进行校正； 输入模块：负责接收数据，且在接收数据时记录所述实时时钟模块的时钟值，即接 收时刻； 输出模块：负责发送数据，且在发送数据时根据所述实时时钟模块的时钟值在数 据上加上时间戳，即发送时刻； 状态管理模块：包括状态处理和状态转移，对设备的不同状态进行管理，所述状态 管理模块会根据接收到的角色分配信息进行不同状态集的转换，同时根据接收到的信息进 行不同状态的转换； 配置管理模块：为所有模块用到的参数提供统一接口，对系统所有的参数进行统 一配置，包括网络的最大传输延迟、集群周期、集成周期、观察窗口大小； 计算模块：为系统提供计算功能，包括GM时钟与CM计算出的时钟基准的比较计算、 数据传输延迟的计算、主从同步的时钟偏移计算、时钟频率偏差的计算、固化函数、压缩函 数，所述计算模块根据状态管理模块的不同状态集启动不同的计算功能； 数据存储模块：主要提供数据存储功能，包括为FM提供数据存储功能，存储集群周 期内所述FM记录的所述GM至所述FM的数据帧传输延迟；为所述状态管理模块存储过去及当 前状态信息，便于网络信息查询；为所述计算模块提供临时或永久数据存储，方便所述计算 模块查询调用；所述配置管理模块所配置的参数信息。 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点： 1 .引入分布式时钟计算机制，减小了网络时钟基准对GM的依赖，提高了网络容错 性和可靠性。 2.同时实现了网络系统时钟在时间和频率上与UTC的同步。 3.动态分配网络中各设备的角色，避免出现结团现象，实现全网络设备的时钟同 步。 4.同时考虑时钟偏移校正和频率偏移校正，通过FM与GM的频率偏移估计得到全局 频率值，时钟偏移校正保证同步的快速性，频率偏移校正保证同步的准确性，有效地解决了 传统时钟同步方法中时钟偏移校正精度不高及频率偏移校正较慢的情况，即提高了同步精 度，又减小了同步时间周期，提高了同步速度。 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。 附图说明 图1是本发明的一个较佳实施例的时钟同步网络结构图； 图2是本发明的一个较佳实施例的系统运行周期图； 图3是本发明的一个较佳实施例的各类型节点信息交互图； 图4是本发明的一个较佳实施例的时钟同步系统结构图； 图5是本发明的一个较佳实施例的GM状态机图； 图6是本发明的一个较佳实施例的FM状态机图； 图7是本发明的一个较佳实施例的SM状态机图； 图8是本发明的一个较佳实施例的CM状态机图； 7 CN 111585683 A 说　明　书 5/7 页 图9是本发明的一个较佳实施例的SC状态机图。