SDH网络同步仿真算法

1、SDH网络同步仿真算法1算法思想本方案采用非对称式自适应算法。所谓非对称式是指时钟同步系统中的节点 地位和作用不同。在原型机之间的同步问题中，系统中并不存在一个标准的参考 时间，所有的时钟节点都拥有相同地位和作用，即系统是一个对称式的系统。在 这个对称式的时钟同步系统中，不存在一个节点能够提供标准时间，为其他节点 提供同步参考，因此如何保证系统内部时钟运行正确是一个非常困难和复杂的问 题。为了将降低原型机之间同步问题的复杂性，本研究将尝试改变系统中节点的 对称关系，从地位和作用相同的节点中选出一个节点作为参考节点，使系统中的 节点的关系成为非对称式，即参考节点与从节点在系统中有着不同的地位，发

2、挥 不同的作用，共同协作实现系统的时钟同步。这个参考节点还将负责通过计算每 个节点的时钟运行精度，选出新的参考节点，以保证系统有一个较优的标准时间， 从而使系统达到一个较高的时钟同步精度。自适应是指该方案中，由从节点根据主节点提供的信息，自身计算时钟同步 需要的信息，传输迟延，漂移率等，然后根据时钟同步精度的要求，或快或慢地 调整自身的时钟，从而实现自适应的时钟同步，使得系统达到较的时钟同步精度。为了便于描述，我们规定参考节点发送的时间为标准时间，（尽管第一个 随机指定的参考节点的时间并不一定是标准时间），除了参考节点外的节点都成 为从节点，从节点是需要进行时钟同步调整的节点，从节点的时间成为

3、本地时间。 下面详细介绍一下运用非对称式自适应算法进行时钟同步调整的过程：（1）在时钟同步开始时，随机指定一个节点作为参考节点。这个节点只是从系 统中所有节点中随机选择出来的，并不一定是时钟精度差最小的，最准确，最理 想的节点。在下一个参考节点被选择出来之前，该节点暂时充当参考节点，并向 各个从节点通知哪个节点是参考节点。（2）从节点收到参考节点的信息后，以相同的时间间隔向参考节点发送时间戳， 时间戳中包含节点的当前本地时间信息。参考节点根据接收到的各个从节点的时 间戳信息，计算出平均时钟精度差，若超出了规定的最大值，则选择最接近平均 时钟精度差的节点作为新的参考节点，并向其他节点广播新的参考

4、节点的信息。（3）从节点收到新的参考节点的信息后，以相同的时间间隔向参考节点发送时 间戳，时钟戳中包含从节点的本地时间孔。（4）参考节点收到从节点发送的时间戳后，立即返回给从节点一个时间戳，其 中包括三个时间信息：从节点发送的时间戳中包含的从节点本地时间信息T，参 考节点收到时间戳的标准时间信息T2以及参考节点发送响应时间戳的时间信息 T。（5）从节点接收到来自参考节点的时间戳后，向其中添加第四个时间戳，即从 节点接收到时间戳的本地时间信息7。从节点根据这四个时间信息，计算出传输 延迟和时钟偏移量。对比规定的时话偏移量，若超过规定值，从节点向参考节点 发送同步请求，根据参考节点发送的标准时间，

5、调整自身的时钟，从而完成一次 自适应时钟同步。（6）参考节点根据每次收到的从节点的时间戳信息，计算出平均时钟精度差， 并与前一次进行滑动平均值计算，判断是否要选择新的参考节点，若不需要的话， 则从步骤（3）开始重复进行，若需要选择新的参考节点，则从步骤（2）开始重 复进行。在上面的时钟同步过程中，涉及到许多重要参数的获取，步骤（3）中从节 点需要计算与标准时间的时间精度差，和自身的时钟漂移率；步骤（5）中主节 点需要收集各个从节点的时钟精度差，并计算平均值，从而判断是否要选出新的 参考节点。下一节将对这些计算过程和方法进行详细的介绍。2时钟同步算法中的相关数学符号和公式为了对时钟同步算法进行一

6、个详细的描述，以达到通用性和普遍性，下面先 给出一些算法将会涉及到的概念，定义和假设。首先，假设整个时钟同步系统中有个节点，它们之间能够相互通信，交换 和处理信息。节点的集合p的描述如下：p = p , p , p , , p （2-D123n其中，p可以代表时钟，也可以代表同步系统中的时钟节点，每个节点都拥有 相同的地位和作用。为了便于对下文具体算法的准确描述，下面给出一些基本的定义，这在之后的算 法实现过程中将有重要意义。定义4.1时钟同步：在时钟同步系统中，任意一个时钟p，对于一个给定i的正数5，它们应该满足如下条件：11 - LC （t） 1 5定义4.2时钟精度差：在时钟同步系统中，

7、任意一个时钟p与任意时刻标 准时钟t的差，称作这个时钟p勺时钟精度差：I t - LC （t） 1= A定义4.3时钟漂移率：在时钟同步系统中，任意一个时钟p勺运行速度与标准时钟Z运行速度的比值，称作这个时钟已的时钟漂移率：dLC ,.(t) _ dt时钟漂移率p是一个绝对值小于1的值，它与标准时间和逻辑时间的关系如下图 所示：标准时钟p = 0运行慢的时钟p 04.3时钟漂移率与标准时间和逻辑时间之间的关系 TOC o 1-5 h z 其中，当p= 0时，即时钟的运行速度与标准时钟t 一致，即时钟已是一个理 想的标准时钟；当p 0时，即时钟p的运行速度大于标准时间t，时钟运行轨迹在标准时间下

8、 方。!3时钟同步算法中重要参数的计算在4.2节中已经详细介绍了算法思想和同步过程，4.3节中对于算法涉及的概念 和参数进行了定义，这一节将用数学的方法详细介绍如何计算相关参数，实现时 钟同步。我们已经知道，要实现时钟同步，需要解决的主要问题有：参考时钟节点的选择从节点时钟同步的实现 3.1参考时钟节点的选择本章研究的原型机之间的时钟同步，可以看作是外部时钟同步模型，艮L系 统中并不存在一个标准时间，系统中所有节点的作用和地位是相同的，系统是对 称式的。要实现对称式系统的时钟同步，首先要将对称式系统转化为非对称式系 统，也就是说，需要在这些节点中选择一个作为参考节点，为其他节点提供时钟 同步所

9、需要的标准时间。根据非对称式自适应时钟同步算法的思想，在系统开始运行时，首先随机指 定一个参考节点，这个参考节点并不一定是最理想的，提供的时间信息也并不一 定和标准时间一致，但是这里，我们要考虑的是系统内部节点间的同步，而不是 节点与标准时钟的同步。因此，仍然把这个参考节点提供的时间信息称作标准时 间。由于随机指定的参考节点并不一定是系统中最优的时钟节点，因此，需要充 分利用各个节点的时间信息，通过对比和计算，选择一个较好的时钟，以保证整 个系统有一个较高的时钟同步精度，并将各个节点的时钟同步调整次数尽量减 小，使得系统能够稳定运行。本算法采用的选择参考节点的思想如下：系统初始时刻指定了一个参

10、考节点，从节点收到参考节点的信息后，以规定好的 时间间隔向参考节点发送时间戳，时间戳中包含节点的当前本地时间信息。参考 节点根据接收到的各个从节点的时间戳信息，计算出平均时钟精度差，若超出了 规定的最大值，则选择最接近平均时钟精度差的节点作为新的参考节点，并向其 他节点广播新的参考节点的信息。图4.4参考节点与从节点之间时钟信息传输图其中，T，：代表从节点第j次向参考节点发送时间戳的时间值。T”：代表从节点发送的包含T 的时间戳到达参考节点的时间。通常我们认 为这个时间是一个标准时间。jT:代表从节点向参考节点发送时间戳的固定时间间隔，这个固定间隔int erval是系统规定的，所有节点都能够

11、获得的。A :按标准时间计算的，参考节点第j次发送的时间戳与到达从节点/的时 间的偏差，即到达时间与标准时间的偏差。系统中，n - 1个从节点均以时间间隔T，向参考节点发送时间戳，那么，参考节点能够根据这些从节点的时间信息，血计算整个系统的平均时钟精度差。其中，根据第一次时间间隔内收集的节点时间信息，计算出的平均时钟精度 差为：=1 (T T )n i=1若r5，则选出最接近平均时钟精度差的节点1作为新的参考节点。根据第二次时间间隔内收集的节点时间信息，计算出的平均时钟精度差为：1骸12 = n - 1 支气一i =1此时，参考节点的计算的平均时钟精度差为：1 = 一 ( + )2212若r

12、- 5，则选出最接近平均时钟精度差的节点2作为新的参考节点。根据2第j次(j 1)时间间隔内收集的节点时间信息，计算出的平均时钟精 度差为： = (T - T )ni=1 , =，,+)j 2 j -1 j对于第二次以后的计算，采用滑动平均值的方法，不仅考虑到本次的时钟精 度差，还考虑到了前面的时钟精度差，能够化解由于网络传输情况不稳定而引起 的过大误差，全面，稳定，准确的为参考节点的选择提供依据，也为整个系统的 良好运行提供保障。3.2从节点时钟同步的实现根据非对称式自适应算法的思想，时钟同步的调整由从节点自身完成。要实 现时钟同步，主要问题时，如何获得当前的准确时间。时钟同步的实现过程主要

13、 是依靠参考节点和从节点之间时间戳的传输来实现的，而网络传输是需要时间 的，因此，从节点接收到来自参考节点的标准时间并不是当前的标准时间，而是 一段时间以前的时间信息。为了实现时钟同步，关键就是要获得这一段时间，即 在网络上传输所需要的时间，因此必须考虑传输延迟。又由于参考节点与从节点 之间时钟是不一致的，要获得延迟信息，就必须采用双向通信，即通过时间戳的 来回程时间来估算传输延迟。首先从节点向参考节点发送时间戳，其中包含从节点本地时间t，参考节点 接收到数据戳后，立即记下收到数据戳时的标准时间7，并向从节点1发送响应时 间戳，其中包含发送时间7，从节点接收到响应时间戳时，记下收到时间戳的本

14、地时间t。此时，从节点获得四个时间信息，T， T， T， T，并利用这四个 41234时间信息计算出从节点和参考节点之间的时间偏移量和传输延迟，然后根据计算 的时间偏移量调整自身的时钟。参考节点和从节点通信过程如下图：4.4参考节点与从节点双向延迟测量图其中，a是网路传输过程中所花费的时间，即传输延迟; 9是参考节点与从节点之间的时间偏移量，即时钟精度差 由图中我们可以得到两个式子：T +9 + = T122T -9 + = T324可以计算出：传输延迟 a = (T - T ) + (T - T )时钟精度差9 =(广I-(广2计算出时间精度差9后，可将9与规定的最大值做比较：若9 5，则从

15、节点利用时间精度差9调整自身的时间，实现一次同步调整 过程。其中，时间精度差的计算也是采用滑动平均值的思想，本次的时间精度差由 本次计算出的结果和上一次的结果求平均值，使得时钟同步的调整比较平稳。2系统时钟同步算法思想原型机内部的时钟同步可以看作是外部时钟同步问题，即系统中有一个固定 的参考节点，定期向其他节点发送标准时间戳，为其他节点同标准时间的同步提 供参照。在这里，我们注意到原型机内部的时钟同步与原型机之间的时钟同步有 共同点，艮L当原型机之间的时钟同步系统通过一定的算法选出参考节点时，剩 下的同步过程可以说与原型机内部的时钟同步基本一致。因此我们可以采用原型 机之间同步算法的一部分思想

16、来解决原型机内部时钟同步问题。为了将原型机内部的时钟同步算法描述清楚，这里将原型机内部各逻辑部件 所代表的节点称作时钟同步子节点，这些子节点的参照节点是原型机之间同步系 统的从节点：子节点周期性地，即以相同的时间间隔向从节点发送时间戳，时间戳中包 含子节点的时间信息T。在原型机内部的时钟同步系统中，对子节点来说，从节 点的发送的时间即为标准时间。从节点收到子节点的时间信息后，立即记下时间戳到达时从节点的当前时 间信息7，并返回给子节点一个时间戳，其中包含发送时间T3。子节点接收到来自参考节点的时间戳后，向其中添加第四个时间戳，即从 节点接收到时间戳的本地时间信息7。从节点根据这四个时间信息，计

17、算出传输 延迟和时钟偏移量。对比规定的时话偏移量，若超过规定值，从节点向参考节点 发送同步请求，根据参考节点发送的标准时间，调整自身的时钟，从而完成一次 自适应时钟同步。从上面的时钟同步过程我们可以看出，由于在原型机内部时钟同步系统中 有参 考节点（从节点）的存在，使得同步算法与原型机之间的时钟同步相比，简化了 非常多。可是说，原型机内部时钟同步系统的运行过程就是参考节点发送标准时 间给从节点（子节点），从节点根据一些数学模型的计算，判断是否需要调整本 地时钟。若需要的话，则根据计算出的时钟精度差，时钟漂移率和传输延迟等参 数，自身或快或慢地完成时钟同步过程。同样，原型机内部的时钟同步过程中，

18、也涉及到许多重要参数的获取，主要 是步骤（2）和步骤（3）中子节点需要计算与从节点的时间精度差，和自身的时 钟漂移率。具体计算过程可以参考4.4.1小节，这里不再重复介绍。4.5.1时钟节点功能模块的设计上一节给出了时钟节点的一般结构，实际应用中，根据时钟同步系统中各节 点的不同作用，或者根据时钟同步系统所处的网络环境的影响，时钟节点的结构 并不完全和上述的结构一致。如系统中的参考节点的模块应该比其他节点的功能 和结构更加复杂和丰富。在非对称式自适应算法中，每个节点和地位和作用是相同的，即节点是对称 的，但是在系统开始运行时，将随机指定一个节点作为参考节点，并且在系统的 运行过程中，会采用一定

19、的算法来选出新的参考节点。也就是说，每个节点都有 可能成为参考节点，也有可能成为从节点。在这种情况下，若要参考节点的结构 和从节点的结构分开设计的话，将是不可用的。因此，必须设计一个节点结构， 使得这个节点既能充当参考节点，又能充当从节点，即具有参考节点和从节点的 双重功能。根据非对称式自适应算法的思想，设计的节点功能模块图如下：参考节点选择模块时钟同步判断模块消息发送模块消息接收模块时钟调整模块初始化模块时钟同步节点模块设计时钟同步系统中的节点共包括六大功能模块：初始化模块，消息发送模块，消息 接收模块，参考节点选择模块，时钟同步判断模块，时钟调整模块。初始化模块：在系统开始启动时，随机指定

20、一个节点作为参考节点，并通过 消息发送模块向所有节点广播参考节点的信息。消息发送模块：对于参考节点来说，消息发送模块主要是向从节点以相同的 时间间隔发送时间戳，并在选出新的参考节点后，向其他从节点广播消息；对于 参考节点来说，消息发送模块主要是向参考节点发送自身的时钟精度差，以供参 考节点通过计算，判断和选择出新的参考节点。消息接收模块：对于参考节点来说，消息接收模块主要是接收从节点发送的 时钟精度差信息；对于从节点来说，消息接收模块主要是接收参考节点发送的新 的参考节点的信息。参考节点选择模块：参考节点根据从节点发送的时钟精度差信息，计算系统 中时钟节点的平均时钟精度差，当这个平均时钟精度差大于规定的最大值时，选 出时钟精度差最接近平均时钟精度差的节点作为新的参考节点，完成参考节点的 选择。时钟同步判断模块：参考节点以相同的时间间隔向从节点发送包含标准时间 的时间戳消息，从节点根据