[發明專利]一種用于計算機網絡的高精度時間同步設備、系統及方法

有效

• 申請號: 200810224891.3
• 申請日: 2008-10-24
• 公開（公告）號: CN101388741A
• 公開（公告）日: 2009-03-18
• 發明（設計）人: 謝應科;王建東;祝超;謝高崗
• 申請（專利權）人: 中國科學院計算技術研究所
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司
• 代理人: 王 勇

技術領域

本發明涉及計算機網絡應用技術領域，更具體地，本發明涉及一種用于計算機網絡的高精度時間同步設備、系統和方法。?

背景技術

分布式網絡系統、計算機網絡性能測量與測試系統以及網絡仿真等應用都要求較高精度的時間同步。例如，在計算機網絡性能測量中數據包的發送、接收時，精確的時間戳標記是時延、帶寬、抖動等網絡參數測量的基礎。在一個多節點計算機網絡測量系統中，各節點時鐘除了自身要有較高精度外，還需要保持的很高的同步精度，否則通過比較節點間時間戳差值計算的延時、抖動等網絡性能參數將不準確。?

常用的時間同步方法一般是軟件時鐘同步方法，通常基于網絡時間協議(Network?Time?Protocol，NTP)。節點利用NTP協議與網絡上時間服務器同步，通過估算數據包在網絡上往返延遲，計算節點時鐘與時間服務器時鐘偏差，從而完成節點時鐘與時間服務器時鐘的同步。NTP在局域網環境下可以獲得1ms同步精度，在廣域網環境下可以獲得28.7ms同步精度。提高基于NTP協議時鐘同步精度的一個辦法是應用時間戳計數器(Time?Stamp?Counter，TSC)，主流CPU都提供了TSC寄存器，它記錄主機上電以來的時鐘周期數，該精度與CPU頻率有關，1GHz的CPU的TSC精度為1ns。結合TSC計數器的NTP同步可以將精度提高到微秒級。但這種軟件方法受緩存延遲不確定以及中斷響應時間不確定的影響，難以達到更高的精度。?

基于以太網的硬件時鐘同步技術SynUTC利用硬件電路來產生時間戳，?同步誤差可以達到100ns。但是SynUTC需要修改以太網底層結構，現有交換機硬件必須做出一定修改才能支持SynUTC，難以大范圍推廣應用。?

還存在基于IEEE?1588精密時間協議(Precision?Time?Protocol，PTP)的時間同步方法，PTP協議是網絡測量和控制系統的時間同步標準，根據應用的精度要求，采用軟件同步和硬件同步兩種實現方式。硬件實現的PTP同步精度可達233ns，但是由于同步數據包在交換機或路由器中處理時延不確定，導致同步結果不穩定。?

利用全球定位系統(Global?Position?System，GPS)的外部時鐘源，可以達到納秒級的同步精度。但是，GPS系統價格昂貴，且GPS天線安裝不方便，導致測量節點部署位置受限。?

發明內容

為克服現有計算機網絡應用中時間同步的普適性差、精度低的缺陷，本發明提出一種用于計算機網絡的高精度時間同步設備、系統和方法。?

根據本發明的一個方面，提出了一種用于網絡系統的時間同步設備，包括，GTP收發器、媒體訪問控制器、收發數據包緩沖隊列和PCIe端點控制器，其特征在于，所述時間同步設備還包括一個或者多個時間戳插入模塊和一個或者多個基于預測的時間同步算法PCS時間戳發生器；?

其中，所述PCS時間戳發生器，用于接收和發送同步時鐘信號，產生時間戳；所述時間戳插入模塊分別和PCS時間戳發生器、媒體訪問控制器以及收發數據包緩沖隊列相連接，將所述時間戳插入到數據包的物理鏈路層；所述時間戳插入模塊是在從所述媒體訪問控制器接收的數據包輸出到接收數據包緩沖隊列之前插入時間戳；發送數據包緩沖隊列中的數據包在發送到所述媒體訪問控制器之前插入時間戳。?

其中，所述PCS時間戳發生器根據預設的頻率控制字和晶振時鐘信號，輸出時間戳。?

其中，所述PCS時間戳發生器接收同步時鐘輸入信號和晶振時鐘信號，根據預設的頻率控制字，產生時間戳提供給所述時間戳插入模塊。?

其中，所述PCS時間戳發生器包括：?

直接頻率合成器，用于根據參考時鐘信號和頻率控制字產生時鐘頻率；?

時間戳高位寄存器、時間戳低位寄存器以及時間戳低位計數器，用于接收所述直接頻率合成器所產生的時鐘頻率，輸出時間戳到時間戳插入模塊或者提供用于主時鐘時間戳。?

根據本發明的另一方面，提出了一種用于網絡系統的時間同步系統，包括多個所述的時間同步設備，其中，所述多個時間同步設備的其中一個作為主設備，其余的時間同步設備的作為從設備，所述主設備產生同步時鐘輸出信號，其余的從設備接收所述同步時鐘輸出信號，實現系統的時間同步。?

其中，所述主設備的PCS時間戳發生器根據預設的頻率控制字和晶振時鐘信號，輸出時間戳給所述主設備的時間戳插入模塊和所述從設備。?