CN105634715A - 一种机载网络ieee1588协议透明时钟端口同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法，IEEE1588协议透明时钟包括上行解析单元、上行封装单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、下行解析单元、PTP时标与驻留时间桥单元、处理器、本地时钟单元和MAC硬核，其特征在于，包括以下步骤：(1)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的同步报文，同时PTP时标单元记录同步报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制模块中的处理器单元。

Description

一种机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法

技术领域

一种机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法，属于网络化机载测试领域。

背景技术

在新一代网络化通用机载测试系统中，可以采用边界时钟解决跨网段的网络设备之间的时间同步问题，但是边界时钟采用逐级同步的方式，各级网络设备的同步误差会逐级放大，采用IEEE1588协议E2E透明时钟可以解决这个问题；但在E2E透明时钟中，计算事件消息驻留时间的本地时钟如果不与PTP域的主时钟同步，会给驻留时间计算带来误差。IEEE1588协议中的E2E透明时钟是一种由多个物理端口组成的具有交换功能的时钟节点，对于经过交换设备的PTP事件消息需要计算其在交换设备的驻留时间，并根据驻留时间修改事件消息的修正域。E2E透明时钟节点由多个物理端口(每个物理端口包括事件接口、普通接口和时间标注单元)、本地时钟、PTP时钟引擎和驻留时间桥组成。

目前IEEE1588协议的可以采用支持IEEE1588协议的专用硬件电路实现，也可以采用软件实现。但是在机载网络化测试系统中，现有支持IEEE1588协议的专用硬件和软件均不能满足系统的速度和同步精度要求。

由于支持IEEE1588协议的网络化机载测试系统在国内属于首次，而国外关于IEEE1588协议的实现方法和资料对我国封锁严密，因此，在机载网络环境下采用支持IEEE1588协议的透明时钟端口同步方法来实现数据采集设备之间的高精度时间同步。

发明内容

本发明主要是采用一种机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法来解决现有网络化机载测试系统PTP协议中边界时钟存在的同步误差逐级放大以及透明时钟节点中本地时钟的同步问题。

本发明机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法包括本地时钟与PTP域主时钟同步、PTP事件消息驻留时间的计算以及PTP事件消息修正域的修改，具体技术方案如下：

IEEE1588协议透明时钟包括上行解析单元、上行封装单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、下行解析单元、PTP时标与驻留时间桥单元、处理器、本地时钟单元和MAC硬核，其中部分概念的解释如下：

上行/下行解析单元的任务：对MAC接收的报文进行检测，判断是否为PTP报文，即读取数据包头中目的MAC地址，判断是否为PTP协议规定固定的MAC地址，若为PTP协议规定固定的MAC地址，说明接收到是一个PTP报文，若是，则进行IP效验和UDP效验，进行报文解析和提取报文中的时间戳，将时间戳送往PTP消息产生模块或控制模块的处理器；否则，将报文直接送往交换模块。

PTP消息处理单元的主要功能包括：根据PTP组包命令产生同步(Sync)报文、延迟响应(Delay_Resp)报文、延迟请求(Delay_Req)报文等消息的IEEE1588净核部分，并携带MAC层和IP层的相关信息，一起送到下行封装单元中。

本地时钟单元主要是指机载网络系统的内部时间。

下行/上行封装单元的主要任务是把PTP消息产生模块发送来的IEEE1588净核，按照时钟包的模版进行封装，并完成UDP效验和IP效验。

PTP时标与驻留时间桥单元的主要任务包括：一是完成PTP事件报文(Sync和Delay_Req)的检测，二是在PTP事件报文离开、到达使终端口的时刻时间戳标注。

MAC硬核分为发送和接收两部分，其基本功能是：将MAC子层形成的数据帧转换成4bit或8bit的并行比特流发送到物理层，将从物理层接收4bit或8bit的并行比特流将其转换成MAC子层的数据帧，并对数据帧进行CRC校验。

本发明机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法，IEEE1588协议透明时钟包括上行解析单元、上行封装单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、下行解析单元、PTP时标与驻留时间桥单元、处理器、本地时钟单元和MAC硬核，透明时钟和从时钟同步的步骤如下：

(1)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的同步(Sync)报文，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制模块中的处理器单元；

(2)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的跟随(Follow_Up)报文，把接收进来的跟随(Follow_Up)报文上传到上行解析模块，提取跟随(Follow_Up)报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制模块中的处理器单元；

(3)由下行封装模块组延迟请求(Delay_Req)报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

(4)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的延迟响应(Delay_Resp)报文，把接收进来的报文上传到上行解析模块，提取延迟响应(Delay_Resp)报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制模块中的处理器单元；

(5)处理器根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制模块的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步；

(6)MAC硬核的接口接收事件消息，PTP时标单元记录时间戳，上行解析模块判断事件消息是否是本地的事件消息，如果不是则认为是需要交换的PTP事件报文，则上行/下行封装模块通过PTP时标和驻留时间桥单元，记录上行/下行报文出端口的时间戳，将上行/下行/出端口时间戳减去上行/下行/进端口时间戳，将结果植入报文修正域发送出去。

附图说明

附图1IEEE1588协议从时钟端口结构框图；

附图2为IEEE1588协议透明时钟和从时钟联合模块的结构框图；

附图3为透明时钟延时测量示意图；

附图4为透明时钟节点间链路传输延时测量图。

具体实施方式

本发明机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法，IEEE1588协议透明时钟包括上行解析单元、上行封装单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、下行解析单元、PTP时标与驻留时间桥单元、处理器、本地时钟单元和MAC硬核(参见图1和图2)，透明时钟和从时钟同步的步骤如下：

步骤1：接收发送给本地的同步(Sync)报文和记录同步(Sync)报文到达时间戳

MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的同步(Sync)报文，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制模块中的处理器单元；

步骤2：接收给本地跟随(Follow_Up)报文和解析跟随(Follow_Up)报文包含时间戳

MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的跟随(Follow_Up)报文，把接收进来的报文上传到上行解析模块，提取跟随(Follow_Up)报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制模块中的处理器单元；

步骤3：组包发送延迟请求(Delay_Req)报文和记录延迟请求(Delay_Req)报文离开时间戳t3；

由下行封装模块组延迟请求(Delay_Req)报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

步骤4：接收延迟响应(Delay_Resp)报文和解析报文包含时间戳

MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的延迟响应(Delay_Resp)报文，把接收进来的报文上传到上行解析模块，提取延迟响应(Delay_Resp)报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制模块中的处理器单元；

步骤5：时间差和频率差的计算

处理器根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制模块的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步。

步骤6：PTP事件消息驻留时间计算和事件消息修正域的修改

MAC硬核的接口接收事件消息，PTP时标单元记录时间戳，上行解析模块判断事件消息是否是本地的事件消息，如果不是则认为是需要交换的PTP事件报文，则上行/下行封装模块通过PTP时标和驻留时间桥单元，记录上行/下行报文出端口的时间戳，将上行/下行/出端口时间戳减去上行/下行/进端口时间戳，将结果植入报文修正域发送出去。

透明时钟时间偏差的计算方法如下：

透明时钟的延时测量机制采用的是请求一应答机制。其中t₀为Sync报文离开主时钟的时间戳，t₁为Sync报文到达从时钟的时间戳，△1为主时钟与透明时钟1间的传输延时，△tc₁为Sync报文经过透明时钟1的滞留时间，△2为透明时钟1与透明时钟2间的传输延时，△tc₂为Sync报文经过透明时钟2的滞留时间，△3为透明时钟2与从时钟间的传输延时。

透明时钟下链路传输延时的估计要采用Pdelay_Req报文和Pdelay_Resp报文，其延时测量机制如图3所示。图中pt1为Pdelay_Req报文离开透明时钟1的时间戳，pt₂为Pdelay_Req报文到达透明时钟2的时间戳，pt₃为Pdelay_Resp报文离开透明时钟2的时间戳，pt₄为Pdelay_Resp报文到达透明时钟1的时间戳，到达透明时钟2的Pdelay_Resp报文携带有pt₂和pt₃。

根据透明时钟1和透明时钟2之间的时间关系，有下面两式成立：

pt₂＝pt₁+offset+△2(1)

pt₄＝pt₃-offset+△2(2)

由式(1)和式(2)，可推导出从透明时钟2与透明时钟1的传输延时△2为：

$\mathrm{\Δ}2=\frac{({\mathrm{pt}}_2-{\mathrm{pt}}_1)+({\mathrm{pt}}_4-{\mathrm{pt}}_3)}{2}---\left(3\right)$

同样道理也可以测量出为主时钟与透明时钟1间的传输延时△1以及透明时钟2与从时钟间的传输延时△3。

根据图3可得到，主、从时钟设备之间的时间关系为：

t₀+△1+△tc₁+△2+△tc₂+△3+offset＝t₁(4)

在式(4)中令correction＝△1+△tc₁+△2+△tc₂+△3，显然correction表示的是从主时钟节点到从时钟节点的传输延时。由于t₀和correction分别由Sync报文携带的时间戳和校正域的值，t₁为Sync报文到达从时钟节点的时间戳。根据式(4)可得到从时钟、主时钟设备之间的时间偏差为：

offset＝t₁-t₀-correction(5)

本地时钟则可根据式(5)得到的时间偏差值对本地时钟计数器和控制环路进行调整，最终使得本地时钟与主时钟同步。

Claims (1)

1.一种机载网络IEEE1588协议透明时钟端口同步方法，IEEE1588协议透明时钟包括上行解析单元、上行封装单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、下行解析单元、PTP时标与驻留时间桥单元、处理器、本地时钟单元和MAC硬核，其特征在于，包括以下步骤：

(1)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的同步报文，同时PTP时标单元记录同步报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制模块中的处理器单元；

(2)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的跟随报文，把接收进来的跟随报文上传到上行解析模块，提取跟随报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制模块中的处理器单元；

(3)由下行封装模块组延迟请求报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

(4)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发给本地的延迟响应报文，把接收进来的报文上传到上行解析模块，提取延迟响应报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制模块中的处理器单元；

(5)处理器根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制模块的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步；

(6)MAC硬核的接口接收事件消息，PTP时标单元记录时间戳，上行解析模块判断事件消息是否是本地的事件消息，如果不是则认为是需要交换的PTP事件报文，则上行/下行封装模块通过PTP时标和驻留时间桥单元，记录上行/下行报文出端口的时间戳，将上行/下行/出端口时间戳减去上行/下行/进端口时间戳，将结果植入报文修正域发送出去。