CN101330342B - 一种用端口镜像实现时间同步协议的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用端口镜像实现时间同步协议的方法及其装置，其包括：用于与交换网实现信息交流的信息交换模块，用于与以太网端口实现信息交流的物理层模块，串联在信息交换模块与物理层模块之间的多路复用器，用于生成时间戳的时间戳设定模块，以及用于控制含有时间戳的数据包对外发送的控制单元；时间戳设定模块用于获取多路复用器输出的数据包的镜像数据，并生成该数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该数据包的时间戳；所述控制单元用于根据所述时间戳生成含有该时间戳的数据包，并将该数据包依次通过所述信息交换模块、多路复用器、物理层模块发送至以太网端口。本发明从硬件上具体提供了实现IEEE 1588时间同步协议的方案。

Description

一种用端口镜像实现时间同步协议的方法及其装置

技术领域

本发明涉及同步以太网领域，尤其涉及一种用端口镜像实现IEEE 1588时间同步协议的方法及其装置。

背景技术

随着电信网络从电路技术向分组技术逐步转型，网络时钟与同步技术也要相应发展，以支持新的IP基础设施，此时需要一种TOP(Timing-over-Packet，分组时钟)的技术来实现。IEEE 1588标准是一种比较通用的TOP技术，可以实现时间和相位的同步。

IEEE 1588是在2002年批准作为标准，目的在于将(以太网为对象的)分布式通信网络扩大作为测量和控制系统时，借助软件和硬件方法将组网器件的从时钟与控制机的主要时钟实现同步。时间同步协议应用前景非常广阔，IEEE 1588协议的目标应用包括对时间敏感的电信服务，这些服务要求通信节点之间的精确时间同步。IEEE 1588可在工业网络交换机上使用，这些交换机通过一个有线分布式控制网络，让传感器和制动器保持同步，从而控制自动装配过程。该协议还用于电力线网络，使大型分布式电力网交换机保持同步，从而顺利输送电力。测试/测量设备必须与在不同操作环境下接受测试的设备保持精确的时间同步，它们也是IEEE 1588协议的一个主要应用。

由此可见，IEEE 1588时间同步的应用前景非常广阔，但要实现高度精确的IEEE1588时间同步，就必须采用硬件方案。目前还没有实现IEEE 1588时间同步的硬件方案。

可见现有技术中存在一定的问题，有待进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用端口镜像实现时间同步协议的方法及其装置，其能够按照IEEE 1588协议的要求通过网络实现两个设备的时钟同步。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种用端口镜像实现时间同步协议的装置，所述装置包括：用于与交换网实现信息交流的信息交换模块，用于与以太网端口实现信息交流的物理层模块，串联在所述信息交换模块与物理层模块之间的多路复用器，用于生成时间戳的时间戳设定模块，以及用于控制含有时间戳的数据包对外发送的控制单元；所述时间戳设定模块用于获取所述多路复用器输出的数据包的镜像数据，并生成该数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该数据包的时间戳；所述控制单元用于根据所述时间戳生成含有该时间戳的数据包，并将该数据包依次通过所述信息交换模块、多路复用器、物理层模块发送至以太网端口。

所述的装置，其中，从以太网端口到交换网之间、或者从交换网到以太网端口之间的多路复用器均设置有两路数据输出端口，第一路数据输出端口用于向所述信息交换模块或向所述物理层模块输出原始数据包，第二路数据输出端口用于输出所述原始数据包的镜像数据包，且该第二路数据输出端口与所述时间戳设定模块相连。

所述的装置，其中，所述时间戳设定模块由可编成逻辑控制器件来实现。

所述的装置，其中，所述时间戳设定模块包括：解析单元，用于解析来自所述多路复用器的镜像数据包，并获取数据包中关于时间同步协议的相关信息；时间戳记录单元，用于记录与所述镜像数据包的原始数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该镜像数据包的原始数据包的时间，生成相应的时间戳，并发送到所述控制单元中。

所述的装置，其中，所述装置还包括：计算单元，用于根据所述时间戳记录单元生成的时间戳以及所述解析单元解析出的相关信息，计算本装置与以太网上其他装置的时钟偏差以及时钟延迟。

基于上述装置的主时钟设备实现时间同步协议的方法，所述方法包括：

A、向以太网上需要同步的从时钟设备发送含有同步请求信息的同步数据包，并生成该同步数据包的镜像数据包；

B、解析所述同步数据包的镜像数据包，获取所述同步请求信息，生成所述同步数据包发送到以太网端口的同步请求时间戳；

C、向所述从时钟设备发送含有所述同步请求时间戳的跟单信息包；

D、接收来自所述从时钟设备的含有延迟请求信息的延迟数据包，并生成该延迟数据包的镜像数据包；

E、解析所述延迟数据包的镜像数据包，获取所述延迟请求信息，生成从以太网端口接收到所述延迟数据包的延迟请求时间戳；

F、向所述从时钟设备发送含有所述延迟请求时间戳的响应信息包。

基于上述装置的从时钟设备实现时间同步协议的方法，所述方法包括：

a、接收来自主时钟设备的同步数据包，并记录该数据包的接收时间；

b、接收来自所述主时钟设备的跟单信息包，并解析该数据包，获取同步请求时间戳；

c、计算本设备与主时钟设备的时钟偏差；

d、向所述主时钟设备发送含有延迟请求信息的延迟数据包；

e、接收来自所述主时钟设备的响应信息包，并解析该数据包，获取延迟请求时间戳；

f、计算本设备与主时钟设备的时间延迟；

g、根据计算结果，调整本设备的时钟，实现与主时钟设备的时间同步。

相比于现有技术而言，本发明从硬件上具体提供了实现IEEE 1588时间同步协议的方案，是一种能够实现多端口IEEE 1588时间同步的方法或装置。本发明通过硬件来实现IEEE 1588协议栈的设置，这样会提高时间同步的精度，从而避免软件实现时因处理流程和操作系统的多任务导致协议栈处理延时的抖动。

附图说明

图1为本发明实现时间同步的电路结构示意图；

图2为本发明实现实践同步方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明采用端口镜像实现时间同步协议的装置包括以下几个部分：

(1)用于与交换网实现信息交流的信息交换模块，比如MAC+SWITCH，MAC是Media Access Control的简称，义为介质访问控制；SWITCH广义为交换机。

(2)用于与以太网端口实现信息交流的物理层模块(PHY)，一般指与外部信号接口的芯片，比如，硬件网卡设备。

(3)多路复用器(Multiplexer，多路复用器，简称MUX)，其串联在所述信息交换模块与物理层模块之间，一般用来进行数据包身份识别PID的重新设置，比如扰码、加密等等，最后形成加密的数据包。

(4)用于生成时间戳的时间戳设定模块，该时间戳设定模块用于获取多路复用器MUX输出的数据包的镜像数据，并生成该数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该数据包的时间戳。具体在实现该功能可以通过建立以下两个单元来实现：

解析单元，用于解析来自所述多路复用器MUX的镜像数据包，并获取数据包中关于时间同步协议的相关信息；和

时间戳记录单元，用于记录与所述镜像数据包的原始数据包发送到以太网端口、或从以太网端口接收到该镜像数据包的原始数据包的时间，生成相应的时间戳，并发送到所述控制单元中。

通常所述时间戳设定模块由可编成逻辑控制器件来实现，比如FPGA(Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列)。

(5)用于控制含有时间戳的数据包对外发送的控制单元(以下简称CPU)，所述控制单元用于根据所述时间戳生成含有该时间戳的数据包，并将该数据包依次通过所述信息交换模块、多路复用器、物理层模块发送至以太网端口。该控制单元可以由单一的单片机完成。

从上述可见，多路复用器MUX存在生成镜像数据包的功能，则在多路复用器MUX上需要设置有两路数据输出端口，第一路数据输出端口用于向所述信息交换模块或向所述物理层模块输出原始数据包，第二路数据输出端口用于输出所述原始数据包的镜像数据包，且该第二路数据输出端口与所述时间戳设定模块相连。而且，从以太网端口到交换网之间、或者从交换网到以太网端口之间的MUX均需要满足这一结构特点。

上述5个部分实现时间同步的原理如下：

如图1所示，数据从交换网进入设备，则依次通过MAC+SWITCH、MUX、PHY到达以太网端口，并向网络的其他设备发送出去；反过来，网络的其他设备发送到本设备的数据包，则依次通过PHY、MUX、MAC+SWITCH到达交换网。

为了实现IEEE 1588时间同步协议，本发明在主时钟设备的MUX处备份一份镜像数据，通过(2)号线送到时间戳设定模块，在时间戳设定模块处解析出数据包的Sync(同步请求信息)等IEEE1588信息，并打上时间这时候的时间戳，这个时间戳就是数据包发送到以太网端口，即主时钟设备实际发出数据包的真实时间。然后，时间戳设定模块再把这个真实时间上送到CPU，CPU接着发出一个FOLLOW UP信息包(跟单信息包)通过(1)号线依次经过MAC+SWITCH、MUX、PHY、以太网端口，最后发送到从时钟设备，从时钟设备根据IEEE1588时间同步的时间算法，算出来本设备与主时钟设备之间的OFFSET(时间偏差)。

从时钟设备通过网络向主时钟设备发出的包含IEEE1588信息的数据包，并依次经过以太网端口进来，经过PHY、MUX、MAC+SWITCH，再发到交换网，同时本发明也需要在MUX处备份一份镜像数据通过(3)号线送到时间戳设定模块，时间戳设定模块解析出数据包中的Delay_Req(延迟请求信息)等IEEE1588信息，打上主时钟设备接收到含有Delay_Req信息的数据包的准确时间戳，上送到CPU，由CPU发出包含有这个时间戳得响应数据包，经过(1)号线、MAC+SWITCH、MUX、PHY、以太网端口，发送到从时钟设备，从时钟设备根据IEEE1588时间同步的时间算法，算出来本设备与主时钟设备之间的Delay(时钟延迟)。这样从时钟设备就可以根据前面算出来的Offset和Delay，实现与主时钟设备的精确同步。

从上述原理可以看出，为了实现计算Offset和Delay的过程，本发明的装置还应该包含一计算单元，用于根据所述时间戳记录单元生成的时间戳以及所述解析单元解析出的相关信息，计算本装置与以太网上其他装置的时钟偏差以及时钟延迟。当然在实际操作时，并不一定要具体定义哪个设备为主时钟设备或从时钟设备，所以最好每个设备均包含上述图1所示的结构，这样的话，就可以通过网络实现任意两个设备之间的时钟同步。

基于上述结构的，本发明还提供主时钟设备和从时钟设备的时钟同步方法，如图2所示。

步骤110，首先控制CPU初始化系统，将CPU外挂的FPGA，MAC+SWITCH等外围器件运行起来；

步骤120，主时钟设备初始完了以后，从时钟设备就可以与主设备连接通信，从时钟设备就可以通过主时钟设备利用交换网实现与其他从时钟设备进行数据交换；

步骤130，主时钟设备主动向从时钟设备发送含有Sync信息(同步请求信息)的同步数据包，主时钟设备对该数据包进行镜像，通过解析相关镜像数据包获得Sync信息，并记录主时钟设备发出同步数据包的真实时间，生成所述同步数据包发送到以太网端口的同步请求时间戳；

步骤140，主时钟设备向从时钟设备发出包含发出SYNC的真实时间(即同步请求时间戳)的Follow up信息包(即跟单信息包)；

步骤150，从时钟设备接收来自主时钟设备的同步数据包，并记录该数据包的接收时间，从时钟设备还接收来自主时钟设备的Follow up信息包，并解析该数据包，获取同步请求时间戳；依据这两个时间，根据IEEE1588协议从时钟设备计算本设备与与主时钟设备的Offset(即时钟偏差)；

步骤160，从时钟设备向主时钟设备发延时请求信息Delay Req的延迟数据包，主时钟设备接收来自从时钟设备的延迟数据包，并生成该延迟数据包的镜像数据包，解析该镜像数据包，获取延迟请求信息，并记下接收该延迟数据包的真实时间，生成从以太网端口接收到该延迟数据包的延迟请求时间戳，然后，把这个延迟请求时间戳包含在一响应信息包中发送给从时钟设备；

步骤170，从时钟设备接收来自主时钟设备的响应信息包，并解析该数据包，获取延迟请求时间戳，计算本设备与主时钟设备的时间延迟Delay；

步骤180，根据计算结果，从时钟设备调整自己的时间，实现与主时钟的精确同步。

综上所述，本发明通过硬件实现了IEEE1588时间同步协议，并且通过MUX端口镜像获得相关参数的方式，保证了本发明硬件实现时间同步的可靠性，其精确度高于单独由软件实现的技术方案。

上述各具体步骤的举例说明较为具体，并不能因此而认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用端口镜像实现时间同步协议的装置，其特征在于，所述装置包括：用于与交换网实现信息交流的信息交换模块，用于与以太网端口实现信息交流的物理层模块，串联在所述信息交换模块与物理层模块之间的多路复用器，用于生成时间戳的时间戳设定模块，以及用于控制含有时间戳的数据包对外发送的控制单元；

所述时间戳设定模块用于获取所述多路复用器输出的数据包的镜像数据，并生成该数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该数据包的时间戳；

所述控制单元用于根据所述时间戳生成含有该时间戳的数据包，并将该数据包依次通过所述信息交换模块、多路复用器、物理层模块发送至以太网端口；

所述装置还包括计算单元，所述计算单元用于根据所述时间戳设定模块获取的镜像数据和生成的时间戳，计算本装置与以太网上其他装置的时钟偏差以及时钟延迟。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，从以太网端口到交换网之间、或者从交换网到以太网端口之间的多路复用器均设置有两路数据输出端口，第一路数据输出端口用于向所述信息交换模块或向所述物理层模块输出原始数据包，第二路数据输出端口用于输出所述原始数据包的镜像数据包，且该第二路数据输出端口与所述时间戳设定模块相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述时间戳设定模块由可编程逻辑控制器件来实现。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述时间戳设定模块包括：

解析单元，用于解析来自所述多路复用器的镜像数据包，并获取数据包中关于时间同步协议的相关信息；

时间戳记录单元，用于记录所述镜像数据包的原始数据包发送到以太网端口或从以太网端口接收到该镜像数据包的原始数据包的时间，生成相应的时间戳，并发送到所述控制单元中。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算单元根据所述时间戳记录单元生成的时间戳以及所述解析单元解析出的相关信息，计算本装置与以太网上其他装置的时钟偏差以及时钟延迟。

6.基于权利要求1所述装置的主时钟设备实现时间同步协议的方法，其特征在于，所述方法包括：

A、向以太网上需要同步的从时钟设备发送含有同步请求信息的同步数据包，并生成该同步数据包的镜像数据包；

B、解析所述同步数据包的镜像数据包，获取所述同步请求信息，生成所述同步数据包发送到以太网端口的同步请求时间戳；

C、向所述从时钟设备发送含有所述同步请求时间戳的跟单信息包；

D、接收来自所述从时钟设备的含有延迟请求信息的延迟数据包，并生成该延迟数据包的镜像数据包；

E、解析所述延迟数据包的镜像数据包，获取所述延迟请求信息，生成从以太网端口接收到所述延迟数据包的延迟请求时间戳；

F、向所述从时钟设备发送含有所述延迟请求时间戳的响应信息包。

7.基于权利要求6所述装置的从时钟设备实现时间同步协议的方法，其特征在于，所述方法包括：

a、接收来自主时钟设备的同步数据包，并记录该数据包的接收时间；

b、接收来自所述主时钟设备的跟单信息包，并解析该数据包，获取同步请求时间戳；

c、计算本设备与主时钟设备的时钟偏差；

d、向所述主时钟设备发送含有延迟请求信息的延迟数据包；

e、接收来自所述主时钟设备的响应信息包，并解析该数据包，获取延迟请求时间戳；

f、计算本设备与主时钟设备的时间延迟；

g、根据计算结果，调整本设备的时钟，实现与主时钟设备的时间同步。

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