一种基于车载边缘云环境的时间同步系统和实现方法
技术领域
本发明涉及云边缘计算领域，尤其涉及一种基于车载边缘云环境的时间同步系统和实现方法。
背景技术
近年来，物联网等技术不断发展，越来越多的业务系统开始上云。“云+智能”成为未来趋势。随着数据量不断增加，传统的云解决方案渐渐无法满足人们日益增长的数据安全、实时性等需求。边缘云技术应运而生，逐渐发展为云业务的支撑平台，广泛运用于军事、金融、工业等行业。
随着军队业务上云技术的逐步推进，基于车载服务器搭建的边缘云前景广阔。为实现多车协同等作战需求，车内的各业务终端需要通过卫星设备或上级终端进行授时。由于车载装备及软件迭代的速度不一，车内通常部署为虚拟化环境与物理终端并存的模式且各用户终端的时钟往往不一致。为满足作战需求，需要在车内部署时间同步解决方案来保障各设备时间一致，但使用传统的时间同步方法进行授时往往成本高、误差大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于车载边缘云环境的时间同步系统和实现方法。该系统和方法无需专用北斗NTP服务器便能以较低成本实现当前车辆网络中任意车辆间时间同步，同时保障物理终端与虚拟机的时间同步，适用于边缘云环境。
根据本发明的一方面，提供一种基于车载边缘云环境的时间同步系统，该系统包括：
主车辆和至少一个第二车辆，每个所述车辆都包括：
至少两台多单元服务器，每个所述多单元服务器上创建有多个虚拟机；
交换机，所述交换机用于可通信地连接同一车辆内的所述至少两台多单元服务器；
其中所述主车辆的一个多单元服务器的第一虚拟机中部署有顶级时间同步服务端和时间同步客户端，顶级时间同步服务端的时间来源设置为来自卫星设备或本机系统时间；并且与所述第一虚拟机位于同一多单元服务器上的其他虚拟机或所述主车辆上的其他多单元服务器的虚拟机上部署时间同步客户端，所述时间同步客户端的时间来源为顶级时间同步服务端；以及
其中所述第二车辆的一个多单元服务器的第二虚拟机中部署有二级时间同步服务端和时间同步客户端，二级时间同步服务端的时间来源设置为来自顶级时间同步服务端；并且与所述第二虚拟机位于同一多单元服务器上的其他虚拟机或所述第二车辆上的其他多单元服务器的虚拟机上部署时间同步客户端，所述时间同步客户端的时间来源为二级时间同步服务端或顶级时间同步服务端。
根据本发明的一个实施例，所述主车辆与所述第二车辆通过有线网络或无线网络进行通信。
根据本发明的一个实施例，所述主车辆和所述第二车辆还包括用户终端，所述用户终端与所述多单元服务器可通信地连接，所述用户终端包括全加固显示器和全加固键鼠。
根据本发明的一个实施例，所述主车辆和所述第二车辆还包括全加固笔记本电脑，所述全加固笔记本电脑上部署有时间同步客户端，全加固笔记本电脑上的时间同步客户端的时间来源为二级时间同步服务端或顶级时间同步服务端。
根据本发明的一个实施例，所述全加固笔记本上部署边缘云自助门户。
根据本发明的一个实施例，其中所述多单元服务器的每个单元所对应的物理机上部署有时间同步本地端，所述时间同步本地端的时间来源为同级的时间同步服务端或同级的时间同步客户端，所述时间同步本地端对接收到的时间进行补时并据此修改所在的物理机的系统时间。
根据本发明的一个实施例，所述卫星设备为北斗设备。
根据本发明的一个实施例，所述交换机为万兆交换机并且所述多单元服务器的各板卡通过万兆网络互联。
根据本发明的一个实施例，所述第一车辆与第二车辆之间的网络传输的介质包括被覆线和/或超短波。
根据本发明的另一方面，提供一种基于车载边缘云环境的时间同步的实现方法，该方法包括以下步骤：
搭建平台，所述平台包括如上所述的系统；
使所述顶级时间同步服务端从卫星设备或本机系统时间获取授时，使得所述顶级时间同步服务端所在的虚拟机的时间与所述卫星设备的卫星时间或本机系统时间保持一致；
使所述二级时间同步服务端从所述顶级时间同步服务端获取授时，使得所述二级时间同步服务端所在的虚拟机的时间与所述顶级时间同步服务端所在的虚拟机的时间保持一致；
使所述时间同步客户端从同级别的所述时间同步服务端获取授时。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括在所述顶级时间同步服务端、所述二级时间同步服务端或所述时间同步客户端获得授时操作时，同时向虚拟机所在的物理机上的时间同步本地端发送时间数据包，所述时间同步本地端对接收到的时间进行补时并据此修改所述物理机系统的时间。
本发明的基于车载边缘云环境的时间同步系统和实现方法可以获得以下多种有益效果：
(1)该系统和方法无需专用北斗NTP服务器便能以较低成本实现当前车辆网络中任意车辆间时间同步；
(2)通过物理机上的时间同步本地端对物理机系统的时间进行修改，保障物理终端与虚拟机的时间同步，适用于边缘云环境；
(3)在全加固笔记本上部署边缘云自助门户，使全加固笔记本既可处理非上云的常规业务，也能通过自助门户登录访问各虚拟机；
(4)为应对特殊作战需求，可将时间同步客户端的时间来源从本级时间同步服务端修改为上级时间同步服务端，使整个车辆网络内的时间同步更加灵活，既可以实现多级时间同步，也可以进行任意车辆间的时间同步。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于车载边缘云环境的时间同步系统的示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的多单元服务器的结构示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的边缘云环境示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的基于车载边缘云环境的二级时间同步系统示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于车载边缘云环境的时间同步系统的示意图。如图所示，该系统总体包括主车辆10和第二车辆20。在该图中示出了仅一个第二车辆20，然而，根据本发明的教导可以想到，该系统还可以包括更多个第二车辆20。主车辆10与卫星设备S通信获取授时。第二车辆20与主车辆10通过网络30通信以获取授时。
主车辆10包括两台多单元服务器100a和100b。主车辆10内的不同的多单元服务器通过万兆网络级联构成车内局域网，例如可以采用万兆交换机实现车内局域网互联。图2示出了根据本发明的一个实施例的多单元服务器的结构示意图。每个多单元服务器包括可通信地连接的背板、交换板、存储板、管理板、电源板、图形处理板以及多块计算板(计算板1-计算板x)。各板卡通过万兆网络互联，各计算板共享存储板资源。每个多单元服务器可与一个用户终端连接，通过外接用户终端可对服务器进行操作，用户终端可以包括全加固显示器和全加固键鼠。存储板上创建有多个虚拟机。每个计算板上安装边缘云操作系统、配置虚拟化环境、运行对应的虚拟机并且安装业务应用。
其中主车辆10的一个多单元服务器100a的第一虚拟机中部署有顶级时间同步服务端和时间同步客户端。顶级时间同步服务端的时间来源设置为来自卫星设备S。位于多单元服务器100a上的其他虚拟机或主车辆10上的其他多单元服务器100b的虚拟机上部署时间同步客户端，该时间同步客户端的时间来源为顶级时间同步服务端。在本发明的另外一些实施例中，顶级时间同步服务端的时间来源可以设置为来自本机系统时间。
第二车辆20也包括两台多单元服务器100c和100d。第二车辆20内的不同的多单元服务器通过万兆网络级联构成车内局域网，例如可以采用万兆交换机实现车内局域网互联。多单元服务器100c的第二虚拟机中部署有二级时间同步服务端和时间同步客户端。二级时间同步服务端的时间来源设置为来自顶级时间同步服务端。多单元服务器100c上的其他虚拟机或第二车辆20上的其他多单元服务器的虚拟机上部署时间同步客户端。该时间同步客户端的时间来源为二级时间同步服务端或顶级时间同步服务端。
虽然上述实施例中的主车辆10和第二车辆20仅包括两台多单元服务器，然而，根据本发明的教导可以想到，这些车辆中可以设置更多的多单元服务器。可以通过通用网络控制设备控制主车辆10和第二车辆20两者之间的通信连接。
在本发明的一些实施例中，主车辆10还包括两个全加固笔记本电脑200a和200b。第二车辆20中还包括两个全加固笔记本电脑200c和200d。全加固笔记本电脑200a-d上部署有时间同步客户端。全加固笔记本电脑上的时间同步客户端的时间来源为二级时间同步服务端或顶级时间同步服务端。
图3示出了根据本发明的一个实施例的边缘云环境示意图。车内硬件主要包括两台多单元服务器、两台用户终端、两台全加固笔记本以及万兆交换机。在多单元服务器的计算板上安装边缘云操作系统并配置虚拟化环境。然后在服务器存储板上创建Windows虚拟机。用户在计算板上运行Windows虚拟机并安装业务应用，可靠性强，保障应用和数据安全。在全加固笔记本上部署边缘云自助门户，使全加固笔记本既可处理非上云的常规业务，也能通过自助门户登录访问各虚拟机。车与车之间通过通用网络控制设备识别对方身份。车间网络传输介质可以采用例如被覆线和超短波等，以支持有线传输和/或无线传输。
图4示出了根据本发明的一个实施例的基于车载边缘云环境的二级时间同步系统示意图。在该实施例中，该系统包括了主车辆和两个第二车辆。主车辆中部署顶级时统，第二车辆中部署二级时统。主车辆中的多单元服务器1的计算板1对应的虚拟机上部署有顶级时间同步服务端和时间同步客户端。顶级时间同步服务端的时间来源设置为来自卫星设备，例如但不限于北斗卫星设备，北斗设备通过串口连接至顶级时间同步服务端所在的服务器，间隔固定时间对顶级时间同步服务端进行授时，使顶级时间同步服务端所在虚拟机的时间与北斗时间保持一致。主车辆上的其他虚拟机(例如多单元服务器1中与计算板2相对应的虚拟机以及多单元服务器2中所包含的虚拟机)上部署有时间同步客户端，主车辆的时间同步客户端的时间来源为顶级时间同步服务端。每个第二车辆中的多单元服务器1的一个虚拟机上部署有二级时间同步服务端和时间同步客户端。该二级时间同步服务端的时间来源为顶级时间同步服务端，如图中带箭头的粗实线所示出的，使得二级时间同步服务端所在的虚拟机的时间与顶级时间同步服务端所在的虚拟机的时间保持一致。每个第二车辆中的其他虚拟机部署的时间同步客户端的时间来源于二级时间同步服务端。顶级时间同步服务端和两个二级时间同步服务端之间通过有线网络或无线网络进行授时，使图中三个时间同步服务端所在虚拟机的系统时间保持一致。本级时间同步服务端和时间同步客户端之间通过车内万兆局域网进行授时，如图中细实线箭头所示。
为应对特殊作战需求，可将时间同步客户端的时间来源从本级时间同步服务端修改为上级时间同步服务端。例如可将第二车辆中的同步客户端的时间来源修改为来源于顶级时间同步服务端，如图中虚线所示。此外，授时过程使用基于NTP协议的时间数据包，确保授时精度。借助以上策略并使用通用网络控制设备，使整个车辆网络内的时间同步更加灵活，既可以实现多级时间同步，也可以进行任意车辆间的时间同步，更适用于战时场景。
虚拟机处于运行状态时，其系统时间受到物理机影响，会与物理机时间基本保持一致。部署在虚拟机中的时间同步组件仅修改了虚拟机系统时间，没有修改物理机系统时间，会出现虚拟机系统时间与物理机系统时间不一致的情况。此时在边缘云虚拟化环境自身的调节机制作用下，虚拟机系统时间会逐渐向物理机系统时间靠拢，影响授时精度。为保证边缘云授时精度，时间同步组件需要既能够改变虚拟机系统时间也能修改物理机系统时间。为此，在本发明的一些实施例中，多单元服务器的每个单元所对应的物理机上部署有时间同步本地端。时间同步本地端的时间来源为同级的时间同步服务端或同级的时间同步客户端。时间同步本地端对接收到的时间进行补时并据此修改所在的物理机的系统时间。当虚拟机内的时间同步组件进行授时操作时，会同时向虚拟机所在的物理机上的时间同步本地端发送基于NTP协议的时间数据包。时间同步本地端对接收到的时间进行补时并据此修改物理机系统时间。最后，优化边缘云虚拟化环境自身的参数配置，使得在时间同步软件不介入的情况下，虚拟机时间和物理机时间的差值在极小的误差范围内，减少两者的时间波动，避免频繁触发边缘云虚拟化管理软件的调节机制，确保虚拟机操作系统的时间长期处于准确状态。
本发明还提供了一种基于车载边缘云环境的时间同步的实现方法。该方法首先搭建平台，该平台包括如上所述的基于车载边缘云环境的时间同步系统。在搭建平台后，使顶级时间同步服务端从卫星设备获取授时，使得顶级时间同步服务端所在的虚拟机的时间与卫星设备的卫星时间保持一致。之后使二级时间同步服务端从顶级时间同步服务端获取授时，使得二级时间同步服务端所在的虚拟机的时间与顶级时间同步服务端所在的虚拟机的时间保持一致。使时间同步客户端从同级别的时间同步服务端获取授时。
在另一些实施例中，在顶级时间同步服务端、二级时间同步服务端或时间同步客户端获得授时操作时，同时向虚拟机所在的物理机上的时间同步本地端发送时间数据包，时间同步本地端对接收到的时间进行补时并据此修改所述物理机系统的时间。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的若干实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
