一種分布式實時測試系統時鐘同步方法

2023-06-28 01:42:31

一種分布式實時測試系統時鐘同步方法
【專利摘要】本發明涉及一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，將時鐘同步過程分為測試開始前時鐘同步和測試進行中兩個過程，其中，在測試開始前，利用類似IEEE?1588的時鐘同步方法，保證主從節點之間的時鐘同步精確性，同時利用分層同步的方法，使得每輪同步的節點數指數上升，保證了系統時鐘同步的效率；同時，在測試開始前的同步中，從節點可以得到與主節點之間的傳輸時延，故測試過程中的時鐘同步在測試開始前的同步過程的基礎之上，進一步提高了同步的效率；最後，測試過程中節點獲得時鐘漂移之後與系統時鐘最小顆粒度進行比較，如果時鐘漂移小於最小顆粒度則記錄漂移並在測試完成後對測試結果的時間標籤進行修正，這就避免了頻繁地修正時鐘導致節點的定時任務執行紊亂。
【專利說明】一種分布式實時測試系統時鐘同步方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，屬於嵌入式軟體測試【技術領域】。

【背景技術】
[0002]嵌入式軟體在航空航天等領域的應用面正在日益擴大，針對嵌入式軟體的測試需求也越加迫切。一方面，為成功的完成測試任務，嵌入式軟體測試系統必須能夠在規定的時間點上準確無誤的完成預定的任務；另一方面，隨著嵌入式系統本身的複雜性越來越強，對測試系統容納負載的能力也相應提出越來越高的要求，採用分布式架構的測試系統可以將負載平均分配到各個節點互不幹擾的運行。
[0003]分布式實時測試系統需要將各節點的測試數據收集並且歸併起來以供分析，所以要求系統記錄所有測試數據產生的時間標籤，並且要求各節點的時鐘必須一致，也就是說，在測試開始之前，必須對系統內的各節點進行時鐘同步。然而，由於各節點由各自的定時器獨立定時，整個測試的過程中不可能保證各節點的時鐘完全一致，這就要求在測試過程中也需要對系統進行時鐘同步。
[0004]目前在分布式系統中常用的時鐘同步方法主要有以下幾種:
[0005]Gossip算法:採用gossip算法,分布式系統中的所有節點之間隨機兩兩互相發送時鐘信息，分別計算平均值並將兩個節點的時鐘都設置為平均值；通過一段時間的同步操作，最後系統中的所有節點的時鐘均將收斂於所有節點時鐘的平均值。然而測試系統往往需要一個節點作為標準時鐘節點，系統中各節點的時鐘應該收斂於標準時鐘節點的時鐘；另外，gossip算法需要執行一段時間才能完成足夠多的隨機時鐘同步操作，故對於要求能夠快速完成時鐘同步操作的用於嵌入式軟體測試的分布式實時測試系統來說，基於gossip算法的時鐘同步方法不能滿足要求。
[0006]時鐘廣播法:目前存在多種基於廣播時鐘信息的時鐘同步方法，這些方法選取一個節點作為標準時鐘節點，向其他所有節點周期性的廣播本節點的時鐘信息，其他節點收到信息後進行時鐘修正，但由於這種方法往往不考慮信息在網絡中傳播的傳輸時延造成的誤差，故無法應用於對實時性要求高的分布式系統。
[0007]IEEE 1588協議的全稱是「網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議」，簡稱PTP(Precis1n Time Protocal)。它具有配置容易、收斂快速以及對網絡帶寬和資源消耗少等優點。PTP協議採用以下方法完成時鐘同步操作:主時鐘向從時鐘發送同步指令並記錄發送時間，從時鐘記錄收到指令的時間，主時鐘向從時鐘發送記錄的時間，從時鐘向主時鐘發送延時請求並記錄時間，主時鐘向從時鐘發送收到延時請求的時間，從時鐘根據所得的四個時間標籤通過公式可以得到從時鐘相對主時鐘的時間漂移。PTP協議可以快速完成兩個節點之間的時鐘同步操作，但多個節點之間同步速度不能滿足分布式實時測試系統的時鐘同步要求。而且主時鐘與多個從時鐘分別進行時鐘同步不僅需要佔用主時鐘節點大量的資源，也需要長時間佔用網絡資源影響系統的通信，對於測試系統來說，在測試過程中帶來的花銷更是無法接受。
[0008]在嵌入式軟體測試領域，測試往往要求在實時性很高的情況下進行，執行的測試任務往往要求以準確的周期多次執行，如果頻繁地進行時鐘同步將會擾亂測試系統的定時器，造成執行周期紊亂。
[0009]因此，需要一種方法，一方面能夠在消耗少量資源的情況下快速完成高精度的時鐘同步操作；另一方面能夠避免測試過程中頻繁調整時鐘導致的定時任務執行紊亂。


【發明內容】

[0010]本發明技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，一方面能夠在消耗少量資源的情況下快速完成高精度的時鐘同步操作；另一方面能夠避免測試過程中頻繁調整時鐘導致的定時任務執行紊亂。
[0011]本發明技術方案如下:一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，所述方法分為測試開始前的時鐘同步和測試進行中的時鐘同步，其中:
[0012]所述測試開始前的時鐘同步步驟如下:
[0013](11)從系統的所有節點中選出一個節點作為標準時鐘節點；
[0014](12)根據系統內部的節點總數計算需要將節點分為多少層來進行時鐘同步，計算方法如下:如果系統內節點總數為N，則計算同步層數η的公式為2*2(n_2)〈N-K = 2*2(η_? ；
[0015](13)為所有節點編號，標準時鐘節點為「0」，其餘節點從「I」至「N -1」編號；
[0016](14)將節點I至節點N -1分層，其中，第η層節點數為2 (η -1)個；
[0017](15)逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每次同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數；
[0018](16)在主從節點進行時鐘同步的過程中，從節點獲取時鐘漂移Tdiff和與主節點之間、的傳輸時延Tdelay,從節點按照Tdiff修正時鐘，並且記錄與主節點之間的傳輸時延；
[0019](17)節點修正時鐘後向標準時鐘節點發送同步完成消息，標準時鐘節點收到所有節點的冋步完成消息後，測試開始如的時鐘冋步完成；
[0020]所述測試進行中的時鐘同步步驟如下:
[0021](21)由標準時鐘節點周期性地向各時鐘同步層發出同步指令，每個同步周期內整個系統進行一次時鐘同步，每次同步各節點逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每次同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點2(ffl-1)+k作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數；
[0022](22)測試過程中主從節點同步，同步按照以下過程進行:
[0023](221)從主節點向從節點發送同步指令消息Sync,並且主節點記錄發送指令的時間點Tl ；
[0024](222)從節點記錄接收到Sync消息的時間點T2 ；
[0025] (223)主節點向從節點發送跟隨消息Follow_up,其中包含記錄的Tl ;
[0026](224)從節點根據公式計算時鐘漂移Tdiff，Tdiff = [ (T2 -Tl) -Tdelay]，其中，Tdelay為從節點記錄的主從節點之間的傳輸時延；
[0027](225)如果計算得出的Tdelay小於等於系統時鐘的最小顆粒度Tatom,記錄第m個同步周期的時鐘漂移Tdelayjn，否則進行時鐘修正；
[0028](226)測試結束後按照各從節點記錄的各同步周期內的時鐘漂移Tdelay修正測試數據的時間標籤。
[0029]所述步驟(11)中從系統的所有節點中選出一個節點作為標準時鐘節點的步驟如下；
[0030]根據應用的測試系統的不同，標準時鐘節點的選取按照以下幾種原則進行:
[0031](111)如果測試系統包含主節點，將主節點作為標準時鐘節點；
[0032](112)如果測試系統只關注相對時間，則可任意選取節點作為標準時鐘節點；
[0033](113)如果測試系統關注絕對時間，則該測試系統須經過網絡或者GPS手段進行校時，將對外校時的節點作為系統內部的標準時鐘節點。
[0034]所述步驟(21)中測試過程中的同步周期為:設置為10?200倍系統時鐘最小顆粒度，實時性要求較高的系統，同步周期越小；所謂系統時鐘最小顆粒度是指系統中需要周期執行的測試任務中最小的周期。
[0035]本發明與現有技術相比的優點在於:本發明將時鐘同步過程分為測試開始前時鐘同步和測試進行中兩個過程，其中，在測試開始前，利用類似IEEE 1588的時鐘同步方法，保證主從節點之間的時鐘同步精確性，同時利用分層同步的方法，使得每輪同步的節點數指數上升，保證了系統時鐘同步的效率；同時，在測試開始前的同步中，從節點可以得到與主節點之間的傳輸時延，故測試過程中的時鐘同步在測試開始前的同步過程的基礎之上，進一步提高了同步的效率；最後，測試過程中節點獲得時鐘漂移之後與系統時鐘最小顆粒度進行比較，如果時鐘漂移小於最小顆粒度則記錄漂移並在測試完成後對測試結果的時間標籤進行修正，這就避免了頻繁地修正時鐘導致節點的定時任務執行紊亂。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發明所述的一種分布式實時測試系統時鐘同步方法的實現過程；
[0037]圖2為本發明說書方法的實施例中分三輪進行時鐘同步的過程。

【具體實施方式】
[0038]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0039]本發明涉及一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，這種方法一方面能夠在消耗少量資源的情況下快速完成高精度的時鐘同步操作；另一方面能夠避免測試過程中頻繁調整時鐘導致的定時任務執行紊亂。
[0040]如圖1所示，本發明在實施例中的具體步驟如下:
[0041]測試開始前的時鐘同步步驟如下:
[0042]步驟一:從系統的所有節點中選出一個節點作為標準時鐘節點。選取標準時鐘節點按照如下原則進行:
[0043](I)如果測試系統包含主節點，將主節點作為標準時鐘節點；
[0044](2)如果測試系統只關注相對時間，則可任意選取節點作為標準時鐘節點；
[0045](3)如果測試系統關注絕對時間，則該測試系統須經過網絡或者GPS等手段進行校時，將對外校時的節點作為系統內部的標準時鐘節點；
[0046]在發明本實施例中，需進行時鐘同步的系統採用主節點控制從節點完成測試任務的結構，故將系統中的主節點最為標準時鐘節點。
[0047]步驟二:根據系統內部的節點總數計算需要將節點分為多少層來進行時鐘同步，計算方法如下:
[0048]如果系統內節點總數為N，則計算同步層數η的公式為2*2(η_2)〈Ν - 1< = 2*2(η_? ；在本實施例中，節點總數為8個，根據公式計算得出需要分為3層完成時鐘同步，也就是說，需要同步3輪才能完成整個系統內所有節點的時鐘同步。
[0049]步驟三:為所有節點編號，標準時鐘節點為「0」，其餘節點從「 I」至「Ν-1 」編號。
[0050]在本發明實施例中，將主節點編號為「0」，其餘節點從「I」至「7」編號。
[0051]步驟四:將節點I至節點N-1分層，其中，第η層節點數為2(η_?個。
[0052]在發明本實施例中,將節點I至節點7分層,根據公式計算可知,節點I在第一層；節點2至3在第二層；節點4至7在第三層。
[0053]步驟五:逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每輪同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數。
[0054]在本發明實施例中，需要進行3輪同步，根據公式計算可知，第一輪同步在節點
O-1之間進行，O為主節點，I為從節點；第二輪同步分為兩組:0為主節點，2為從節點；1為主節點，3為從節點；第三輪同步分為四組:0為主節點，4為從節點；1為主節點，5為從節點；2為主節點，6為從節點；3為主節點，7為從節點，同步過程可見附圖2。
[0055]步驟六:在主從節點進行時鐘同步的過程中，從節點可以獲取時鐘漂移Tdiff和與主節點之間的傳輸時延Tdelay,從節點按照Tdiff修正時鐘,並且記錄與主節點之間的傳輸時延。
[0056]在發明本實施例中，系統中節點之前採用乙太網連接，節點η的ip地址設置為192.168.1.(n+1),故使用socket通訊完成時鐘同步。主從節點之間時鐘同步的實現過程如下:
[0057](I)從節點作為伺服器端，綁定埠 1620並開始監聽，埠的選定只要保證和已佔用的埠沒有衝突即可，對本發明所述方法本身的實現沒有影響；主節點作為伺服器端連接伺服器端發送Sync消息並且記錄此時的系統時間Tl ；
[0058](2)從節點接收到Sync消息後立即記錄此時的系統時間T2 ；
[0059](3)主節點向從節點發送Follow_up消息,其中包含記錄的Tl ；
[0060](4)從節點收到Follow_up消息之後，向主節點發送Delay_req消息並且記錄發送消息的時間T3 ；
[0061](5)主節點記錄收到Follow_up消息的時間點T4並且向從節點發送消息Delay_resp,其中包含記錄的T4,主從節點分別關閉socket結束通訊；
[0062](6)根據公式Tdiff = [(Tl - T2) - (T4 - T3)]得出從節點相對主節點的時鐘漂移，根據公式Tdelay = [(Tl - T2) + (T4 - Τ3)]得出主節點與從節點之間的傳輸時延。
[0063]步驟七:節點修正時鐘後向標準時鐘節點發送同步完成消息，標準時鐘節點收到所有節點的冋步完成消息後，測試開始如的時鐘冋步完成。
[0064]測試進行中的時鐘同步步驟如下:
[0065]步驟八:由標準時鐘節點周期性地向各時鐘同步層發出同步指令，與測試前的時鐘同步過程類似，每個同步周期內整個系統進行一次時鐘同步，每次同步各節點逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每次同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點20^1)+k作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數。
[0066]測試過程中的同步周期為:
[0067]根據本發明應用的測試系統的不同，測試進行中的時鐘同步周期也不同，可將同步周期設置為10~200倍系統時鐘最小顆粒度，實時性要求較高的系統，同步周期越小；所謂系統時鐘最小顆粒度是指系統中需要周期執行的測試任務中最小的周期。
[0068]在本發明實施例中，系統的最小顆粒度為0.5ms，將測試過程中的時鐘同步周期設定為20ms，即40倍系統時鐘最小顆粒度。
[0069]步驟九:在本實施例中，測試過程中的時鐘同步與測試開始前的時鐘同步類似，也使用socket通訊完成時鐘同步。主從節點之間時鐘同步的實現過程如下:
[0070](1)從節點作為伺服器端，綁定埠 1620並開始監聽；主節點作為伺服器端連接伺服器端發送Sync消息並且記錄此時的系統時間Tl ；
[0071](2)從節點接收到Sync消息後立即記錄此時的系統時間T2 ；
[0072](3)主節點向從節點發送Follow_up消息,其中包含記錄的Tl ；
[0073](4)從節點根據公式計算時鐘漂移Tdiff, Tdiff = [(T2 - Tl) - Tdelay]，其中，Tdelay為從節點記錄的主從節點之間的傳輸時延；
[0074](5)如果計算得出的Tdelay小於等於系統時鐘的最小顆粒度Tatom,記錄第m個同步周期的時鐘漂移Tdelay_m，否則進行時鐘修正；從節點使用單向鍊表保存每個同步周期獲得的時鐘漂移，如果某周期進行了時鐘修正，將該周期的時鐘漂移保存為O ;
[0075](6)測試結束後按照各從節點記錄的各同步周期內的時鐘漂移Tdelay修正測試數據的時間標籤；測試結束後首先對獲得的測試數據進行處理，例如，假設從節點第一個同步周期內的時鐘漂移為+0.1ms，則將所有時間標籤在O - 20ms範圍內的測試數據的時間標籤都-0.1ms。
[0076]本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
[0077]以上所述，僅為本發明部分【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種分布式實時測試系統時鐘同步方法，其特徵在於所述方法分為測試開始前的時鐘同步和測試進行中的時鐘同步，其中: 所述測試開始前的時鐘同步步驟如下: (11)從系統的所有節點中選出一個節點作為標準時鐘節點； (12)根據系統內部的節點總數計算需要將節點分為多少層來進行時鐘同步，計算方法如下:如果系統內節點總數為N，則計算同步層數η的公式為2*2(η_2)〈Ν - 1< = 2*2(η_? ； (13)為所有節點編號，標準時鐘節點為「O」，其餘節點從「I」至「N-1」編號； (14)將節點I至節點N-1分層，其中，第η層節點數為2(η-?個； (15)逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每次同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點2(m_D+k作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數； (16)在主從節點進行時鐘同步的過程中，從節點獲取時鐘漂移Tdiff和與主節點之間、的傳輸時延Tdelay,從節點按照Tdiff修正時鐘,並且記錄與主節點之間的傳輸時延； (17)節點修正時鐘後向標準時鐘節點發送同步完成消息，標準時鐘節點收到所有節點的冋步完成消息後，測試開始如的時鐘冋步完成； 所述測試進行中的時鐘同步步驟如下: (21)由標準時鐘節點周期性地向各時鐘同步層發出同步指令，每個同步周期內整個系統進行一次時鐘同步，每次同步各節點逐層進行多輪時鐘同步，需要進行的同步輪數與節點分成的層數η相同，每次同步在多組主節點和從節點之間進行，第m輪同步時，由節點k作為時鐘同步的主節點，節點+k作為從節點，其中k為從O至2*2(π_2) -1的自然數； (22)測試過程中主從節點同步，同步按照以下過程進行: (221)從主節點向從節點發送同步指令消息Sync,並且主節點記錄發送指令的時間點Tl ； (222)從節點記錄接收到Sync消息的時間點T2； (223)主節點向從節點發送跟隨消息Follow_up,其中包含記錄的Tl； (224)從節點根據公式計算時鐘漂移Tdiff，Tdiff=[(T2 - Tl) - Tdelay]，其中，Tdelay為從節點記錄的主從節點之間的傳輸時延； (225)如果計算得出的Tdelay小於等於系統時鐘的最小顆粒度Tatom,記錄第m個同步周期的時鐘漂移Tdelayjn，否則進行時鐘修正； (226)測試結束後按照各從節點記錄的各同步周期內的時鐘漂移Tdelay修正測試數據的時間標籤。
2.根據權利要求1所述的分布式實時測試系統時鐘同步方法，其特徵在於:所述步驟(11)中從系統的所有節點中選出一個節點作為標準時鐘節點的步驟如下；根據應用的測試系統的不同，標準時鐘節點的選取按照以下幾種原則進行: (111)如果測試系統包含主節點，將主節點作為標準時鐘節點； (112)如果測試系統只關注相對時間，則可任意選取節點作為標準時鐘節點； (113)如果測試系統關注絕對時間，則該測試系統須經過網絡或者GPS手段進行校時，將對外校時的節點作為系統內部的標準時鐘節點。
3.根據權利要求1所述的分布式實時測試系統時鐘同步方法，其特徵在於:所述步驟(21)中測試過程中的同步周期為:設置為10~200倍系統時鐘最小顆粒度，實時性要求較高的系統，同步周期越小；所謂系統時鐘最小顆粒度是指系統中需要周期執行的測試任務中最小 的周期。
【文檔編號】H04J3/06GK104079364SQ201410277069
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】楊順昆, 劉斌, 司維 申請人:北京航空航天大學