专利名称：多个时间同步域的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及多个时间同步域的应用。
背景技术：
时钟同步协议可用来同步与联网系统的组件相关联的时钟。联网系统的示例很多，其中包括分布式测量和控制系统以及分布式软件应用。用于联网系统的时钟同步协议的一个示例在用于联网测量和控制系统的精确时钟同步协议的IEEE 1588-2002标准，IEEE，2002年11月8日，ISBN 0-7381-3369-8(IEEE 1588协议)中有所描述，。
IEEE 1588协议是主/从协议，其中每个从时钟同步到特定的主时钟。根据IEEE 1588协议主时钟和从时钟之间的通信路径可以包括充当边界时钟的转发器、交换机或路由器。边界时钟对于其除了一个端口以外的所有端口充当主时钟，并且对于其剩余端口上的另一个主时钟充当从时钟。在具有边界时钟的网络中，为了时钟同步目的，一个时钟充当顶级主时钟或最高级(grandmaster)时钟。
时钟同步协议可以支持多个同步域。例如，IEEE 1588协议包括关于操作多个同步域的规定，其中每个同步域有不同的名称。这些域彼此独立。在现有的联网系统中，多个同步域可用来使诸如仪器架或仪器台之类的系统能够维持单独的时基。单独的时基可用来防止在诸如改变仪器等之类的事件期间，利用一个同步域对一组组件进行的实验与利用不同的同步域进行的第二组类似实验相互干扰。
发明内容
本发明公开了时钟同步协议的多个同步域的应用。本技术包括利用多个同步域来处理双环网络拓扑中消息传送中的不对称延迟，利用多个同步域来提供备用同步域，以及利用多个同步域来收集关于主时钟的精度的信息。
本发明的其他特征和优点将从下面的详细描述中显现出来。
参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，并相应地参考了附图，在附图中图1示出了采用根据本技术的多个同步域的网络；图2示出了使一组从时钟能够利用多个同步域提供主时钟的精度的增强视图的网络拓扑；图3示出了使一组从时钟能够利用多个同步域提供主时钟的精度的增强视图的另一种网络拓扑。
具体实施例方式
图1示出了采用根据本技术的多个同步域的网络100。网络100具有以一组通信交换机S1-S4和一组网络通信线路10-17实现的双环拓扑。网络通信线路10-17连接到通信交换机S1-S4的相应端口。顺时针(CW)环包括网络通信线路10-13，逆时针(CCW)环包括网络通信线路14-17。在CW和CCW环上的消息传播是单向的。例如，在CW环上消息经由网络通信线路10从通信交换机S1传播到通信交换机S2，而在CCW环上消息经由网络通信线路14-16从通信交换机S1传播到通信交换机S2。
通信交换机S1的端口之一连接到具有时钟C1的节点31。类似地，交换机S2-S4中每一个都有连接到具有相应时钟C2-C4的相应节点32-34的端口。节点31-34的示例有很多，其中包括可以在分布式测量和控制系统以及分布式软件应用中采用的组件，例如传感器节点、致动器节点、计算节点、应用控制器、计算机系统、仪器等。
节点31-34通过根据包括多个同步域的时钟同步协议经由网络通信线路10-17交换定时消息，来同步在时钟C1-C4中保持的时间。在一个实施例中，节点31-34通过根据IEEE 1588协议经由网络通信线路10-17交换定时消息来同步时间。在其他实施例中也可以使用提供多个同步域的其他时钟同步协议。
本技术包括利用多个同步域来处理在双环网络拓扑(例如网络100)中的定时消息传送中的不对称延迟。在下面的示例中，节点31中的时钟C1是主时钟，节点32-34中的时钟C2-C4是从时钟。例如，节点32通过经由网络100的CW环与节点31交换一组定时消息，来确定用于将时钟C2同步到主时钟C1的第一偏移。CW环上的定时消息指定根据IEEE1588协议的CW同步域。节点32还在CCW同步域中通过经由CCW环与节点31交换一组定时消息，来确定用于将时钟C2同步到主时钟C1的第二偏移。节点32通过组合第一和第二偏移来确定用于调整时钟C2中的时间的偏移。在一个实施例中，节点32通过计算第一和第二偏移的平均值来组合第一和第二偏移。
节点32可以包括用于CW同步域的从时钟和用于CCW同步域的从时钟，并且可以利用组合的偏移来调整每个从时钟中的时间。或者，节点32可以包括用于两个同步域的一个从时钟，并且可以利用组合的偏移来调整从时钟中的时间。
下面图示了在时钟C1和时钟C2经由线性通信链路而不是双环相连的情况下根据IEEE 1588协议的同步计算。表1示出了相关的计算，O是从时钟C2和主时钟C1之间的偏移。
表1.
节点32计算下面的量以获得用于将从时钟C2调整到主时钟C1的时间的偏移O。
dms＝Ts2-Tm1dsm＝Tm4-Ts3然后注意到dms＝Tm1+O+Lms-Tm1＝O+Lms且dsm＝Tm3+Lsm-Tm3-O＝-O+Lsm并且假定Lms＝Lsm+Ld则O＝(dms-dsm-Lms+Lsm)/2且L＝(Lms+Lsm)/2＝(dms+dsm)/2且Lms＝L-Ld/2O＝dms-Lms＝dms-L-Ld/2从而，如果主到从延时Lms等于从到主延时Lsm，则Ld为0并且偏移O是由线性链路的表观(apparent)单向延时L校正的表观主从差dms。然而，网络100的双环拓扑可以在主到从延时和从到主延时LCCWms、LCWms和LCCWsm、LCWsm中产生极度的不对称。表2示出了用于将从时钟C2同步到主时钟C1的定时。对于其他从时钟C3和C4存在类似的计算。
表2.
从表2中可见，可以对CCW同步域导出以下内容dCCWms＝TCCWs2-TCCWm1dCCWsm＝TCCWm4-TCCWs3然后注意到dCCWms＝TCCWm1+OCCW+LCCWms-TCCWm1＝OCCW+LCCWms且dCCWsm＝TCCWm3+LCCWsm-TCCWm3-OCCW＝-OCCW+LCCWsm并且假定LCCWms＝LCCWsm+LdCCW则OCCW＝(dCCWms-dCCWsm-LCCWms+LCCWsm)/2且LCCW＝(LCCWms+LCCWsm)/2＝(dCCWms+dCCWsm)/2且LCCWms＝LCCW-LdCCW/2OCCW＝dCCWms-LCCWms＝dCCWms-LCCW-LdCCW/2从表2中可见，可以对CW同步域导出以下内容dCWms＝TCWs2-TCWm1dCWsm＝TCWm4-TCWs3并且注意到dCWms＝TCWm1+OCW+LCWms-TCWm1＝OCW+LCWms且dCWsm＝TCWm3+LCWsm-TCWm3-OCW＝-OCW+LCWsm并且假定LCWms＝LCWsm+LdCW则OCW＝(dCWms-dCWsm-LCWms+LCWsm)/2且LCW＝(LCWms+LCWsm)/2＝(dCWms+dCWsm)/2且LCWms＝LCW-LdCW/2OCW＝dCWms-LCWms＝dCWms-LCW-LdCW/2除了正好与主时钟相距环的一半的从时钟以外，不对称值LdCCW和LdCW可能很大。考虑方程OCCW＝(dCCWms-dCCWsm-LCCWms+LCCWsm)/2和OCW＝(dCWms-dCWsm-LCWms+LCWsm)/2从图1可以看出LCCWms～＝LCWsm且LCWms～＝LCCWsm将最后这两个的方程相加计算平均偏移得到
O＝(OCCW+OCW)/2＝(dCCWms-dCCWsm+dCWms-dCWsm)/4以上方程表明为了在如上匹配的CCW和CW延时的精度内，所计算的偏移O独立于延时LCCWms和LCWsm。结果，根据本发明的教导使用两个独立的同步域消除了计算延时的必要。双环拓扑可以与时隙型通信协议一起使用，在时隙型通信协议中，在交换机中不进行排队，从而不那么需要大量统计信息以消除以上计算中的队列的作用。即使在排队情形中(例如在普通以太网中)，该技术也可以是有利的。
在一个实施例中，每个时钟C1-C4包括用于CCW和CW同步域中每一个的单独物理时钟。每个从时钟被向平均偏移回转，从而最终使两个时钟达到相同的时基。这可以增强冗余和故障容差。或者，这两个域可以共享相同的物理时钟。
下面是对网络100中由通信线路12和15的断开引起的故障的分析。对于CCW同步域，从时钟C1到时钟C2的主到从路径是经由分段A(网络通信线路14)的，而从时钟C2到时钟C1的从到主路径是经由分段B、C、D、E和F(网络通信线路13、10、11、16和17)的。对于CW同步域，从时钟C1到时钟C2的主到从路径是经由分段C、D、E、F和A的，而从时钟C2到时钟C1的从到主路径是经由分段B的。
对于以上的计算，在考虑到通信线路12和15的断开的情况下重新评估条件LCCWms～＝LCWsm和LCWms～＝LCCWsm。路径描述如下LCCWms＝A的延时LCWsm＝B的延时LCWms～＝C+D+E+F+A的延时LCWsm～＝B+C+D+E+F的延时比较如下LCCWms～＝LCWsm吗？＝＞A的延时～＝B的延时吗？LCWms～＝LCCWsm吗？＝＞C+D+E+F+A的延时～＝B+C+D+E+F的延时吗？如果A的延时～＝B的延时，则答案是“是”，这是与前面环未断开时相同的假设。从而，当综合使用两个相分离的时间同步域(每一个用于在无故障情况下环的一个方向)时，简化了对环延时的考虑。
本技术包括利用多个同步域来提供用于同步的备用机制。如果网络100中的故障妨碍了主要同步域中的时钟同步，则时钟C1-C4可以立即切换到备用同步域。这避免了花费不然就会花费在重新计算新的主时钟的延时或其他同步参数上的时间。
例如，上述的CW和CCW同步域可用作主要同步域和备用同步域。节点32在主要同步域中通过经由CW环与节点31交换一组定时消息，来同步到节点31中保持的时间，并且在备用同步域中通过经由CCW环与节点31交换一组定时消息，来确定用于同步到节点31中保持的时间的备用偏移。节点32响应于CW环中的故障而将同步切换到备用同步域，即，其利用备用偏移来调整时钟C2中的时间。
主要和备用同步域可以具有相同的一个或多个主时钟，这一个或多个主时钟从公共源(例如，诸如GPS时间之类的可示踪时间源)导出时间。例如，节点32可以包括用于主要同步域的主时钟和用于备用同步域的主时钟，以使得这些主时钟在正常操作期间彼此同步。或者，节点32可以包括既用于主要同步域又用于备用同步域的公共主时钟。
用于主要同步域的不对称性的校正值和用于备用同步域的不对称性的校正值可以利用上述计算来确定，并且不对称值可以被选择成与利用这两个同步域确定的时间吻合。在故障情况下，假定故障并不改变免于故障的环的拓扑，例如在故障只是其中一个环的断开的情况下，则不对称值是已知的。
本技术包括利用多个同步域来收集关于主时钟的精度的信息。例如，IEEE 1588协议包括关于主时钟的从时钟确定主时钟的精度(例如偏离和抖动)的视图的规定。本技术包括选择多个同步域从而使每个域提供了主时钟的不同拓扑视图。如果拓扑使得主时钟具有若干个从时钟，则可以获得主时钟的多个视图。例如，每个同步域可以提供从从时钟到被评估的主时钟的不同的通信路径，即通信线路的部署。
从时钟可以获得两类关于其主时钟的信息。从时钟可以获得的第一类信息是由从时钟自身和其主时钟的一个或多个其他从时钟所见的其主时钟的视图。从时钟可以基于其自身的时基来评估其主时钟的漂移和抖动。IEEE 1588协议规定可以经由管理消息访问漂移和偏离测量结果。因此，任何具有其自身对其主时钟的漂移和偏离评估结果的从时钟都可以经由管理消息结构从相同主时钟的其他从时钟取得类似的信息。或者，可以使用单独的机制从系统中的所有时钟提取该信息。
从时钟可以获得的关于主时钟的第二类信息是如果主时钟有一个主时钟的话则它如何看待其自身的主时钟。该信息可以由从时钟用来评估其观察到的其主时钟的漂移和变动是否相对于主时钟对其主时钟的视图有所退化。
图2示出了具有主时钟C11和一组从时钟C12、C14和C15的示例性网络拓扑，这一组从时钟中每一个都提供了主时钟C11的精度的视图。网络拓扑向每个从时钟C12、C14和C15提供到主时钟C11的独立通信路径。这使得能够基于从时钟C12、C14和C15的组合视图以及其各自的内部规格(例如其自身的偏离和抖动规格)来评估主时钟C11的精度。如果从时钟C12是普通交换机，则也可以组合由从时钟C16、C13和C17提供的视图来评估主时钟C11。
如果多个同步域不共享公共通信路径和组件，则对于主时钟的评估的信任度增加。优选地，每个同步域有其处于战略地位的自身的最高级时钟，以使公共模式最小化，并且该最高级时钟具有单独的关于若干个最高级时钟的同步程度的“带外”量度。例如，两个同步域可以以C14和C16处的一对最高级时钟来实现，并且可以与上述的内部量度相组合以提供关于时钟精度的增强的信息。
图3示出了另一种网络拓扑，其使得一组从时钟C22-C23能够用多个同步域来评估主时钟C21的精度。时钟C21是包含时钟C21-C23的第一同步域的最高级时钟。网络拓扑包括第二同步域，该第二同步域用于利用链接时钟C21和C23的单独通信路径30来比较时钟C21和C23。该网络拓扑使得能够通过观察时钟C21和C23之间的累积误差，来比较沿时钟C21-C23的链向下的同步恶化。该信息与内部量度的组合可以被用来评估对居间的但是未被测量的时钟的偏移的限制。
对本发明的前述详细描述仅用于示例目的，并不是穷举性的，也不是要将本发明限制到确切的所公开的实施例。因此，本发明的范围由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于时间同步的系统，包括第一节点，其经由双环通信网络的第一环和第二环进行通信；第二节点，其在第一同步域中通过经由所述第一环与所述第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到与所述第一节点相关联的主时钟的第一偏移，并在第二同步域中通过经由所述第二环与所述第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到所述主时钟的第二偏移，并且通过组合所述第一和第二偏移来调整所述第二节点中的本地时间。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二偏移是根据IEEE1588协议来确定的。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第二节点包括用于所述第一同步域的从时钟和用于所述第二同步域的从时钟。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第二节点利用组合后的偏移来调整每个从时钟中的时间。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述第二节点包括从时钟，并且利用组合后的偏移来调整所述从时钟中的时间。
6.一种用于时间同步的方法，包括在第一同步域中通过经由双环通信网络的第一环与第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到与所述第一节点相关联的主时钟的第一偏移；在第二同步域中通过经由所述双环通信网络的第二环与所述第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到所述主时钟的第二偏移；通过组合所述第一和第二偏移来调整本地时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中确定包括根据IEEE 1588协议来确定所述第一和第二偏移。
8.如权利要求6所述的方法，其中组合所述第一和第二偏移包括确定所述第一和第二偏移的平均值。
9.一种用于时间同步的系统，包括第一节点，其经由双环通信网络的第一环和第二环进行通信；第二节点，其在主要同步域中通过经由所述第一环与所述第一节点交换一组定时消息，来同步到所述第一节点中保持的时间，并在备用同步域中通过经由所述第二环与所述第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到所述第一节点中保持的时间的备用偏移，并且响应于所述第一环中的故障将同步切换到所述备用同步域。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第二节点通过响应于所述备用偏移调整所述第二节点中的本地时间来将同步切换到所述备用同步域。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述第一节点包括用于所述主要同步域的主时钟和用于所述备用同步域的主时钟。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述第一节点包括用于所述主要同步域和用于所述备用同步域的公共主时钟。
13.一种用于时间同步的方法，包括在主要同步域中通过经由双环通信网络的第一环与第一节点交换一组定时消息，来同步到所述第一节点中保持的时间；在备用同步域中通过经由所述双环通信网络的第二环与所述第一节点交换一组定时消息，来确定用于同步到所述第一节点中保持的时间的备用偏移；响应于所述第一环中的故障将同步切换到所述备用同步域。
14.如权利要求13所述的方法，其中切换同步包括响应于所述备用偏移调整本地时间。
15.一种用于时间同步的系统，包括通信网络上的节点，所述节点具有主时钟；所述通信网络上的第一节点，所述第一节点具有从时钟，所述从时钟在第一时间同步域中收集关于所述主时钟的精度的第一组信息；所述通信网络上的第二节点，所述第二节点具有从时钟，所述从时钟在第二时间同步域中收集关于所述主时钟的精度的第二组信息，从而使所述第一和第二时间同步域在所述通信网络中具有不同拓扑。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二时间同步域遵从IEEE 1588协议。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二时间同步域在所述主时钟和从时钟之间具有独立的通信路径。
18.一种用于时间同步的方法，包括在第一时间同步域中收集关于主时钟的精度的第一组信息；在第二时间同步域中收集关于所述主时钟的精度的第二组信息，从而使所述第一和第二时间同步域在主时钟和一组从时钟之间的通信网络中具有不同拓扑。
19.如权利要求18所述的方法，其中收集包括根据IEEE 1588协议收集所述第一和第二组信息。
全文摘要
时钟同步协议的多个同步域的应用包括利用多个同步域来处理双环网络拓扑中的消息传送中的不对称延迟，利用多个同步域来提供备用同步域，以及利用多个同步域来收集关于主时钟的精度的信息。
文档编号H04L29/06GK1835433SQ20061000324
公开日2006年9月20日 申请日期2006年2月6日 优先权日2005年3月14日
发明者约翰·C·艾德森 申请人:安捷伦科技有限公司