CN105978652B - 冗余以太网的同步对时设备、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冗余以太网的同步对时设备、系统及方法，该设备包括：冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文；至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值；所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。本发明在冗余环网中应用时，可以实现在整个冗余环网下的多个节点设备的时间同步。

Description

冗余以太网的同步对时设备、系统及方法

技术领域

本发明涉及冗余以太网技术，特别涉及是一种满足能在工业冗余以太网应用场景中实现各网元节点的时间同步技术，主要是针对于IEC62439-3协议标准下的冗余以太网的相关技术。

背景技术

工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商，控制系统和工厂自动化系统常常采用工业以太网技术完成工业控制任务，是未来工业4.0的通讯控制领域的主打技术。然而在工厂、电力以及智能交通等很多工业控制领域的实际应用场合下，设备所处的环境相当复杂，用户对以太网的可靠性要求也越来越高。为了保证不会因通信服务器失效、网络断线或交换机故障而导致整个通信系统瘫痪，现在普遍通过以太网冗余技术来提高网络容错的能力。

因此IEC62439-3应时代而生，是一个非常先进且可靠的以太网冗余协议，是一个国际性标准，有着广泛的厂商支持。IEC62439-3有HSR(高可用性无缝冗余环)和PRP(并联冗余协议)两种应用模式。一个典型的HSR网络拓扑如图1，即所有节点设备的网络口都连接在一个双向环网上，典型的设备形态有DANH(双连接节点)和RedBox(冗余盒子，是拥有三个外部以太网端口的实体)两种。RedBox可以为目前还不具备冗余功能的设备提供代理支持，并提供多设备和多端口接入。协议规范中RedBox的功能可分为两部分，一部分是标准的冗余交换功能，另一部分为代理桥接功能。A/B口是挂在环网上，用户的数据通过InterLink(连接到以太网的端口)口进行上下业务，管理口称之为CPU口，实现网络的监控配置等操作。发端发送数据时，数据会复制两份在环的两个方向进行传输，数据到达目的地后，节点设备会根据协议所规范的标准进行选择一路作为收。换言之，数据在起点和终点是双发选收的模式，数据在链路中传播则是按照设备配置的转发规则进行，此时犹如一台正常运行的交换机。

工业以太网以及未来的工业4.0对实时性需求也逐步迫切，且要求的精度也是不断提高，精度甚至是达到纳秒级别，这就有必要在环网内部署时间同步协议，来实现所有节点设备的时间同步。选择通信领域成熟IEEE的1588V2标准无疑是最佳的选择。众所周知IEEE 1588V2协议在实现时间同步的一个前提条件，就是要满足上下行链路的延时对称。图2是没有交换网络的时间同步模型，主MS(报文处理单元)和从MS之间传输报文的延时相同，即链路延时对称，对时较为方便，图2的时基偏移计算公式如下：Offset＝(T2-T1)-(T4-T3)。然而，很显然在环网中存在多个HSR/PRP交换模块，数据在上下行链路的延时是完全不对称，且不固定，无法采用没有交换网络的时间同步模型进行对时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冗余以太网的同步对时设备，在冗余环网中应用时，可以实现在整个冗余环网下的多个节点设备的时间同步。

为解决上述问题，本发明提供一种冗余以太网的同步对时设备，包括：

冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文，其具有第一网络接口、第二网络接口、管理接口及业务接口；

至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值，其中，第一时间戳生成单元连接在所述第一网络接口和第一物理接口之间，第二时间戳生成单元连接在所述第二网络接口和第二物理接口之间，第三时间戳生成单元连接在业务接口和报文处理单元之间；

所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及

时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。

根据本发明的一个实施例，主单元发送同步请求报文，或响应于同步响应报文而发送资源报文；从单元转发接收到的同步请求报文，或响应于所述同步请求报文而发送同步响应报文、且在接收到所述资源报文后根据资源报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。

根据本发明的一个实施例，所述时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2，

其中，T1为主单元发送同步请求报文的时间戳，T2为从单元接收同步请求报文的时间戳，T3为从单元发送同步响应报文的时间戳，T4为主单元接收同步响应报文的时间戳，CorrectField[T1/T2]为在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值，CorrectField[T3/T4]为在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值。

根据本发明的一个实施例，报文处理单元在发送报文的过程中，第一个接收报文的第三时间戳生成单元采样报文到达第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳返回给所述报文处理单元，所述报文处理单元将所述时间戳插入至报文中。

根据本发明的一个实施例，报文处理单元在接收报文过程中，最后一个输出报文的第一或第二时间戳生成单元输出时间戳给所述报文处理单元，所述报文处理单元将时间戳插入至报文中。

根据本发明的一个实施例，接收从冗余单元输出报文的时间戳生成单元根据其生成的时间戳及其前一个输入给冗余交换单元报文的时间戳生成单元生成的时间戳，计算当前冗余交换单元产生的当前延时，并将当前延时与之前各冗余交换单元产生的历史延时进行累加；接收从冗余单元输出报文并将报文输出至报文处理单元的时间戳生成单元的累加结果作为最终的累加延时值。

根据本发明的一个实施例，还包括时钟单元，用于提供各单元的工作时钟及报文发送链路上的工作时钟；时钟参考源为本地晶振时钟，或者来自第一网络接口、或第二网络接口的恢复时钟。

本发明还提供一种冗余以太网的同步对时系统，包括至少三个冗余节点，所述冗余节点构成冗余环网，所述冗余节点为前述任意一项所述的冗余以太网的同步对时设备。

本发明还提供一种使用前述冗余以太网的同步对时系统的冗余以太网的同步对时方法，包括以下步骤：

S1：配置一冗余节点的报文处理单元为主单元，以使其周期性发送同步请求报文，所述冗余节点即为主设备，其余冗余节点的报文处理单元为从单元，所述其余冗余节点作为从设备；

S2：主单元发送同步请求报文给从单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步请求报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第一累计延时值；

S3：从单元接收到同步请求报文后发送一同步响应报文给主单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步响应报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第二累计延时值；

S4：主单元接收到同步响应报文后发送一资源报文给主单元，所述资源报文包含主单元发送同步请求报文的时间戳T1，从单元接收同步请求报文的时间戳T2，从单元发送同步响应报文的时间戳T3，主单元接收同步响应报文的时间戳T4，在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的第一累加延时值CorrectField[T1/T2]，在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的第二累加延时值CorrectField[T3/T4]；

S5：从单元根据接收的资源报文的时间戳和累加延时值确定时基偏移，时基单元接收报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，并提供调整的时基给各所述时间戳生成单元。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：在所述主单元发送同步请求报文的过程中，所述主设备的第三时间戳生成单元采样同步请求报文进入第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳T1发送给所述主单元，所述主单元将时间戳T1插入到正在发送的所述同步请求报文中；

S22：主设备的冗余交换单元接收主设备的第三时间戳生成单元传输过来的同步请求报文并将其转发给主设备的第一或第二时间戳生成单元，主设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步请求报文的时间生成时间戳及主设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T1，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步请求报文的修正字段；

S23：主设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，从设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步请求报文后生成时间戳T2，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第一累加延时值CorrectField[T1/T2]。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：从设备的从单元接收到同步请求报文后发送同步响应报文，从单元的第三时间戳生成单元生成同步响应报文发送时间的时间戳T3，并由从单元将时间戳T3插入到同步响应报文中；

S32：从设备的冗余交换单元接收所述第三时间戳生成单元传输过来的同步响应报文并将其转发给从设备的第一或第二时间戳生成单元，从设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步响应报文的时间生成时间戳及从设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T3，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步响应报文的修正字段；

S33：从设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，主设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步响应报文后生成时间戳T4，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第二累加延时值CorrectField[T3/T4]。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S5中，所述时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：通过具有双向冗余传输功能的冗余交换单元作为数据交换的核心模块，以使设备适用于冗余环网的场景中，在冗余交换单元的接口处设置用来生成记录时间戳的时间戳生成单元，从而在报文传输过程中能够确定进出冗余交换单元的时间，将设备应用到冗余环网中时，可对报文在各个冗余交换单元传输用的时间进行累计，报文处理单元用来发送或接收报文，通过上下行报文的交互可以获得上下行传输的延时，因而结合报文的发送时间戳、接收时间戳及累计延时值便可获得时基偏移，时基单元根据时基偏移来调整设备时间戳生成单元的时基，从而可实现设备在上下行链路传输延时不对称不确定情况下的同步对时。

附图说明

图1是典型的HSR应用网络拓扑图；

图2是不具有交换网络的时间同步模型示意图；

图3是本发明实施例的冗余以太网的同步对时设备的结构框图；

图4是本发明实施例的同步对时系统的时钟单元的结构框图；

图5是本发明实施例的冗余以太网的同步对时系统的结构示意图；

图6是本发明实施例的同步对时系统数据交互的示意图；

图7是本发明实施例具有交换网络的时间同步模型示意图；

图8是本发明实施例的冗余以太网的同步对时方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图3，本实施例的冗余以太网的同步对时设备，尤其适用在IEC62439-3协议的HSR/PRP冗余以太网应用场景中，该设备包括冗余交换单元(图中使用IEC62439-3HSR/PRP标记，在本实施例中冗余交换单元为基于HSR/PRP功能的交换单元，当然不限于此)，至少三个时间戳生成单元TSU，报文处理单元MS和时基单元Timer_Baser。

冗余交换单元可以实现双向冗余传输，根据转发路径转发报文实现交换，交换容量例如可以是8GByte，对外提供4个千兆以太网口，如图3所示，即第一网络接口A、第二网络接口B、管理接口CPU及业务接口InterLink。

三个时间戳生成单元TSU包括为第一时间戳生成单元，第二时间戳生成单元和第三时间戳生成单元，其中，第一时间戳生成单元连接在第一网络接口A和第一物理接口(图中物理接口均用PHY表示)之间，第一物理接口的输出端作为接口A port连接冗余环网，第二时间戳生成单元连接在第二网络接口B和第二物理接口之间，第二物理接口的输出端作为接口B port连接冗余环网，第三时间戳生成单元连接在冗余交换单元的业务接口InterLink和报文处理单元MS之间，报文处理单元还连接第三物理接口，第三物理接口的输出端作为接口InterLink用于用户数据接入。当然，在一个实施例中，在管理接口CPU处也可根据需要连接一时间戳生成单元，图3中，管理接口CPU连接第四物理接口，第四物理接口的输出端作为接口CPU port用于本地管理。

物理层接口可支持千兆的光口模式，也可支持10/100/1000的速率自适应的电口模式，能够从线路侧提取时钟，可作为设备的系统参考时钟用。

各时间戳生成单元TSU用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，时间戳生成单元TSU还可以分析所有进入其中的报文，还可对报文进行插入时间戳修改时间戳等一系列报文修改的操作。时间戳生成单元有一部分是接收从冗余交换单元输出的报文(也就是输出模式)，另一部分是将报文输出给冗余交换单元(也就是输入模式)，具体根据在冗余环网中的报文传输方向而定，在报文传输时，一个冗余交换单元需要时间戳生成单元成对出现的，在冗余交换单元的两端，用于测量不固定的延时。输出模式的时间戳生成单元记录报文在冗余交换单元内传输用的延时值，输出模式的时间戳生成单元根据自身测得的时间戳及前一个输入模式的时间戳生成单元的时间戳，而可以确定在当前冗余交换单元中报文的延时值，从而可以将当前延时值与历史延时值相叠加而生成累加延时值，累加延时值可以代表报文在冗余环网中传输时在所有冗余交换设备中延时的总和，也就是冗余环网中不对称的延时成分。各时间戳生成单元TSU支持MAC/VLAN/IPV4/IPV6/UDP常用协议标准，同时也兼容IEC62439-3的协议报文格式要求。

报文处理单元支持主从模式，根据配置而成为主单元master_MS或从单元slave_MS，在冗余环网中，可以是一主一从，也可以是一主多从。报文处理单元用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。报文处理单元可以采用纯硬件方式实现报文的收发转发、时间戳计算，时基调整等，解决由CPU发包无法实时插入时间戳的问题，减少一主多从模式下CPU负荷高等一系列问题。报文处理单元支持报文发送周期可配，协议可配，内容信息可配置，可以支持512个从配置项，支持Master/Slave(主从)模式，同样也支持MAC/VLAN/IPV4/IPV6/UDP常用协议标准，兼容IEC62439-3的协议报文格式要求。报文处理单元提供两个千兆以太网口，一个用于连接冗余交换单元(两者之间连接有时间戳生成单元)，一个用于连接用户数据接入侧。

具体而言，若不按工作模式来描述报文处理单元MS，则报文处理单元MS的发送侧有三个队列，一是用于周期性扫描发送PTP(Precision Time Protocol，精确时钟同步协议)的同步请求报文SYNC，采用一步法；二是用于发送用户的数据；三是用于转发、响应PTP的报文，包括同步响应报文REQ、资源报文RES。报文处理单元MS的接收侧也有三个处理通道，一是当收到资源报文RES后，需要进行时基偏移的计算和调整；二是进行响应事件报文的转发处理；三是进行用户数据的剥离。

参看图6和图7，若按照工作模式来描述数据流程：主单元master_MS会周期性发送PTP报文的同步请求报文SYNC，从单元slave_MS接收到同步请求报文SYNC后，会立即请求发送一个同步响应报文REQ；主单元master_MS收到同步响应报文REQ后，会立即响应一个资源报文RES；当从单元slave_MS收到资源报文RES后，从单元slave_MS会计算并调整设备的时基，完成时间同步。换言之，主单元发送同步请求报文，或响应于同步响应报文而发送资源报文；从单元转发接收到的同步请求报文，或响应于所述同步请求报文而发送同步响应报文、且在接收到所述资源报文后根据资源报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。

具体的，通过报文的传输，获得同步请求报文SYNC和同步响应报文REQ的发送时间戳和接收时间戳，同时获得各个冗余交换单元传输延迟的时间的总和累加延迟值，便可确定时基偏移，时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2，

其中，T1为主单元发送同步请求报文的时间戳，T2为从单元接收同步请求报文的时间戳，T3为从单元发送同步响应报文的时间戳，T4为主单元接收同步响应报文的时间戳，CorrectField[T1/T2]为在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值，CorrectField[T3/T4]为在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值。

时基单元用以接收报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，为各时间戳生成单元TSU和报文处理单元MS提供时间基准，可由报文处理单元MS来进行调整，对外可提供各种用户所需的时间脉冲。

在一个实施例中，对于报文发送时间戳的确定：报文处理单元在发送报文的过程中，第一个接收报文的第三时间戳生成单元采样报文到达第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳返回给所述报文处理单元，所述报文处理单元将所述时间戳插入至报文中。可以理解，将时间戳插入到报文中的操作也可以由时间戳生成单元来完成，具体并不作为限制，仅需将发送报文的时间戳插入到报文中即可

在一个实施例中，对于报文接收时间戳的确定：报文处理单元在接收报文过程中，最后一个输出报文的第一或第二时间戳生成单元输出时间戳给报文处理单元，报文处理单元将时间戳插入至报文中。接收报文的时间戳由哪个单元插入报文同样不做限制。

在一个实施例中，对于累加延时值的确定：接收从冗余单元输出报文的时间戳生成单元(也就是输出模式的时间戳生成单元)根据其生成的时间戳及其前一个输入给冗余交换单元报文的时间戳生成单元生成的时间戳，计算当前冗余交换单元产生的当前延时，并将当前延时与之前各冗余交换单元产生的历史延时进行累加；接收从冗余单元输出报文并将报文输出至报文处理单元的时间戳生成单元的累加结果作为最终的累加延时值。

在一个实施例中，参看图4，同步对时设备还可以包括时钟单元，用于提供各单元的工作时钟及报文发送链路上的工作时钟，工作时钟一般由PLL产生，根据设备的时钟传递属性和传递方向，时钟参考源为本地晶振时钟，或者来自线路侧的第一网络接口A、或第二网络接口B的恢复时钟。当冗余环网上的节点设备不作为主设备OC Master时，需要选择线路侧的恢复时钟作为时钟源，用来锁住一个工作时钟，以保持和它的上游设备频率同步，至于是选择A路还是B路时钟，可以进行配置控制。但要保证一点，当完成时钟参考源选取后，工作时钟不能成闭环，即时钟传递需要按一个方向固定传递。

参看图5，本实施例的冗余以太网的同步对时系统，包括至少三个冗余节点，冗余节点构成冗余环网，冗余节点为前述任意一项的冗余以太网的同步对时设备。对设备进行配置，主单元master_MS的相应设备即为主设备OC master，从单元slave_MS的相应设备即为从设备OC slave。在图5中，主设备OC master和从设备OC slave之间进行报文的交互以实现同步对时。主设备OC master的主单元发送报文，经过冗余环网中几个节点设备的转发后，报文到达从设备OC slave，主设备OC master的第三时间戳生成单元和第一时间戳生成单元之间、中间转发报文的节点设备的第一时间戳生成单元和第二时间戳生成单元、及从设备OC slave的第二时间戳生成单元和第三时间戳生成单元，构建为TC(透明时钟)模式，计算报文经过的各冗余交换单元的延时值可获得累加延时值。中间转发报文的节点设备中，报文从第一网络接口A进入冗余交换单元而后从第二网络接口B出来，不经过报文处理单元，仅起到转发的作用。

参看图6，将报文经过的所有冗余交换设备等效为一交换网络Switch，报文传输的流程：从主单元master_MS发送一同步请求报文SYNC，报文经过时间戳生成单元TSU_IN后进入到交换网络Switch中，该时间戳生成单元TSU_IN生成时间戳T1返回给主单元master_MS以插入到报文中，从交换网络Switch中出来又经过时间戳生成单元TSU_OUT，该时间戳生成单元生成时间戳T2，并传输给从单元slave_MS，最终报文进入到从单元slave_MS中，其中，中间的交换网络Switch产生的上行链路累加延时值由各冗余交换单元两端的时间戳生成单元的时间戳而确定；从单元slave_MS接收到同步请求报文SYNC后立即发送同步响应报文REQ，报文经过时间戳生成单元TSU_IN后进入到交换网络Switch中，该时间戳生成单元TSU_IN生成时间戳T3返回给从单元slave_MS以插入到报文中，从交换网络Switch中出来又经过时间戳生成单元TSU_OUT，该时间戳生成单元生成时间戳T4，并传输给主单元master_MS，最终报文进入到主单元master_MS中，其中，中间的交换网络Switch产生的下行链路累加延时值由各冗余交换单元两端的时间戳生成单元的时间戳而确定；主单元master_MS接收到同步响应报文REQ后立即发送资源报文RES，资源报文中记录有时间戳T1、T2、T3、T4及上行链路累加延时值和下行链路累加延时值，从单元slave_MS接收到资源报文RES后，计算时基偏移，从而控制时基调整，完成同步对时。

参看图8，本实施例的冗余以太网的同步对时方法，使用前述冗余以太网的同步对时系统，包括以下步骤：

S1：配置一冗余节点的报文处理单元为主单元，以使其周期性发送同步请求报文，所述冗余节点即为主设备，其余冗余节点的报文处理单元为从单元，所述其余冗余节点作为从设备；

S2：主单元发送同步请求报文给从单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步请求报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第一累计延时值；

S3：从单元接收到同步请求报文后发送一同步响应报文给主单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步响应报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第二累计延时值；

S4：主单元接收到同步响应报文后发送一资源报文给主单元，所述资源报文包含主单元发送同步请求报文的时间戳T1，从单元接收同步请求报文的时间戳T2，从单元发送同步响应报文的时间戳T3，主单元接收同步响应报文的时间戳T4，在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的第一累加延时值CorrectField[T1/T2]，在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的第二累加延时值CorrectField[T3/T4]；

S5：从单元根据接收的资源报文的时间戳和累加延时值确定时基偏移，时基单元接收报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，并提供调整的时基给各所述时间戳生成单元。

其中，在主设备OC Master上配置报文处理单元MS为主工作模式，并且配置相关参数，使之周期性发送PTP(Precision Time Protocol，精确时钟同步协议)的SYNC报文，在从设备OC slave上配置报文处理单元MS为从工作模式，接收PTP的事件报文，并作出相应的响应，以及计算出时间戳的偏差，进行调整，实现主从设备的时间同步。

在一个实施例中，在同步对时之前还可进行同步对频，由于报文是周期性的时间同步，最快的周期为3.3ms，如果以50PPM的系统频偏计算，在频率不同步的情况下，最大的秒脉冲相位漂移为167ns，这数值已经是非常小，可以不进行频率同步，如果系统要求非常严苛，可以开启频率同步，以便进一步提升时间同步性能。具体的，在过物理层的编码技术，实现整个环网中的节点设备频率同步，其中也包括了冗余环网中的主设备OC Master和从设备OC slave，即两个设备的系统工作频率一样。

步骤S2进一步包括以下步骤：

S21：在所述主单元发送同步请求报文的过程中，所述主设备的第三时间戳生成单元采样同步请求报文进入第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳T1发送给所述主单元，所述主单元将时间戳T1插入到正在发送的所述同步请求报文中；

S22：主设备的冗余交换单元接收主设备的第三时间戳生成单元传输过来的同步请求报文并将其转发给主设备的第一或第二时间戳生成单元，主设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步请求报文的时间生成时间戳及主设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T1，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步请求报文的修正字段；

S23：主设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，从设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步请求报文后生成时间戳T2，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第一累加延时值CorrectField[T1/T2]。

步骤S3进一步包括以下步骤：

S31：从设备的从单元接收到同步请求报文后发送同步响应报文，从单元的第三时间戳生成单元生成同步响应报文发送时间的时间戳T3，并由从单元将时间戳T3插入到同步响应报文中；

S32：从设备的冗余交换单元接收所述第三时间戳生成单元传输过来的同步响应报文并将其转发给从设备的第一或第二时间戳生成单元，从设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步响应报文的时间生成时间戳及从设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T3，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步响应报文的修正字段；

S33：从设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，主设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步响应报文后生成时间戳T4，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第二累加延时值CorrectField[T3/T4]。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S5中，所述时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2。

在输入模式的时间戳生成单元TSU里，时间戳生成单元TSU会实时分析进入到时间戳生成单元TSU的所有报文，并记录每个报文到达时间戳生成单元TSU的时间值。如果PTP的同步请求报文SYNC，则会把此时的时间戳的ns部分，写入到同步请求报文SYNC的Reseved字段里，之后会重新计算出CRC校验，把报文送出到下游设备。

根据前述设备中的描述，时间戳生成单元TSU具有两个功能，一是为报文处理单元MS提供时间戳，根据使用模式和分析报文的结果，送出对应的时间戳给报文处理单元MS，如T1/T2/T3/T4。使用模式分为输入模式和输出模式，对应于进入冗余交换单元和离开冗余交换单元。分析报文功能会给出PTP报文的类型，如SYNC/REQ/RES/FOLLOW UP等，以及相应的协议类型，如MAC/VLAN/IP/UDP，还是IEC62439-3协议；二是把报文在冗余交换单元中的的延时测量出来，叠加到报文的CorrectField字段里，如果整个传输路径有多个TC区域需要测量，那么时间戳生成单元TSU会叠加多次测量的结果，最终送给报文处理单元MS时是一个累加的延时结果。另外时间戳生成单元TSU是成对出现，且应该是分布在同一个设备上，即使用一个时基单元TimeBaser作为时基标准。

冗余交换单元(HSR/PRP)，主要完成数据的交换路由和数据的选收，支持端口速率为1G，交换容量为8G。数据的交换路由和常规的交换机类似，路由的规则可以是MAC地址表的自学习，或者是用户的静态配置。报文如果不是本设备的地址，数据报文会从第一网络接口A转到第二网络接口B，或者进行互转；如果是本设备的地址，那么会进行数据的选收，即在几乎同时到达第一网络接口A和第二网络接口B的数据包选取最先到达的数据包再进行转发到业务接口InterLink；当然也存在一些特殊的管理帧，会被直接交换到管理接口CPU上。

第一网络接口A和第二网络接口B的数据包几乎同时到达，但还是有个最大的偏差门限，即个偏差不能大于400ms，否则认为是下一帧数据。之所以能实现这个选收功能，是基于IEC62439-3协议中的HSR帧格式，即数据报文需要额外附带一个HSR Tag(标签)，其中包括HSR报文标识，长度，传输方向等信息，还有就是包的序列号。数据进入环网后，由冗余交换单元自动添加这个标签，出环网时由冗余交换单元自动剥离掉。冗余传输对用户来说就当没有发生过一样，但数据传输却是可靠的，稳定的。

本发明的方法部分可以参看前述设备或系统部分的具体描述内容，在此不再赘述。

本发明基于工业冗余以太网实现冗余设备的同步对时，控制简便易于被集成和扩展，能够提高冗余环网的设备实时精度。在冗余环网中，报文传输上行链路的交换网络和下行链路的交换网络所产生的延时是不对称且不固定的，本发明通过设备的扩展及报文的交互，可以将上下行链路交换网络的延时分别确定，从而确定从设备与主设备之间的时基偏移，实现了同步对时。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，包括：

冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文，其具有第一网络接口、第二网络接口、管理接口及业务接口；

至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值，其中，第一时间戳生成单元连接在所述第一网络接口和第一物理接口之间，第二时间戳生成单元连接在所述第二网络接口和第二物理接口之间，第三时间戳生成单元连接在业务接口和报文处理单元之间；

所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及

时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元；

主单元发送同步请求报文，或响应于同步响应报文而发送资源报文；从单元转发接收到的同步请求报文，或响应于所述同步请求报文而发送同步响应报文、且在接收到所述资源报文后根据资源报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。

2.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，所述时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2，

其中，T1为主单元发送同步请求报文的时间戳，T2为从单元接收同步请求报文的时间戳，T3为从单元发送同步响应报文的时间戳，T4为主单元接收同步响应报文的时间戳，CorrectField[T1/T2]为在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值，CorrectField[T3/T4]为在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值。

3.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，报文处理单元在发送报文的过程中，第一个接收报文的第三时间戳生成单元采样报文到达第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳返回给所述报文处理单元，所述报文处理单元将所述时间戳插入至报文中。

4.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，报文处理单元在接收报文过程中，最后一个输出报文的第一或第二时间戳生成单元输出时间戳给所述报文处理单元，所述报文处理单元将时间戳插入至报文中。

5.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，接收从冗余单元输出报文的时间戳生成单元根据其生成的时间戳及其前一个输入给冗余交换单元报文的时间戳生成单元生成的时间戳，计算当前冗余交换单元产生的当前延时，并将当前延时与之前各冗余交换单元产生的历史延时进行累加；接收从冗余单元输出报文并将报文输出至报文处理单元的时间戳生成单元的累加结果作为最终的累加延时值。

6.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，还包括时钟单元，用于提供各单元的工作时钟及报文发送链路上的工作时钟；时钟参考源为本地晶振时钟，或者来自第一网络接口、或第二网络接口的恢复时钟。

7.一种冗余以太网的同步对时系统，其特征在于，包括至少三个冗余节点，所述冗余节点构成冗余环网，所述冗余节点为如权利要求1-6中任意一项所述的冗余以太网的同步对时设备。

8.一种使用如权利要求7所述的冗余以太网的同步对时系统的冗余以太网的同步对时方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：配置一冗余节点的报文处理单元为主单元，以使其周期性发送同步请求报文，所述冗余节点即为主设备，其余冗余节点的报文处理单元为从单元，所述其余冗余节点作为从设备；

S2：主单元发送同步请求报文给从单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步请求报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第一累计延时值；

S3：从单元接收到同步请求报文后发送一同步响应报文给主单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步响应报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第二累计延时值；

S4：主单元接收到同步响应报文后发送一资源报文给主单元，所述资源报文包含主单元发送同步请求报文的时间戳T1，从单元接收同步请求报文的时间戳T2，从单元发送同步响应报文的时间戳T3，主单元接收同步响应报文的时间戳T4，在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的第一累加延时值CorrectField[T1/T2]，在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的第二累加延时值CorrectField[T3/T4]；

S5：从单元根据接收的资源报文的时间戳和累加延时值确定时基偏移，时基单元接收报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，并提供调整的时基给各所述时间戳生成单元。

9.一种如权利要求8所述的冗余以太网的同步对时方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：在所述主单元发送同步请求报文的过程中，所述主设备的第三时间戳生成单元采样同步请求报文进入第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳T1发送给所述主单元，所述主单元将时间戳T1插入到正在发送的所述同步请求报文中；

S22：主设备的冗余交换单元接收主设备的第三时间戳生成单元传输过来的同步请求报文并将其转发给主设备的第一或第二时间戳生成单元，主设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步请求报文的时间生成时间戳及主设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T1，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步请求报文的修正字段；

S23：主设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，从设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步请求报文后生成时间戳T2，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第一累加延时值CorrectField[T1/T2]。

10.一种如权利要求8所述的冗余以太网的同步对时方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：从设备的从单元接收到同步请求报文后发送同步响应报文，从单元的第三时间戳生成单元生成同步响应报文发送时间的时间戳T3，并由从单元将时间戳T3插入到同步响应报文中；

S32：从设备的冗余交换单元接收所述第三时间戳生成单元传输过来的同步响应报文并将其转发给从设备的第一或第二时间戳生成单元，从设备的第一或第二时间戳生成单元根据接收同步响应报文的时间生成时间戳及从设备的第三时间戳生成单元生成的时间戳T3，计算在冗余交换单元的延时值并将延时值填入到同步响应报文的修正字段；

S33：从设备的第一或第二时间戳生成单元将报文输出至冗余环网中传输，主设备的第三时间戳生成单元接收到所述同步响应报文后生成时间戳T4，冗余环网的非从设备中的第一或第二时间戳生成单元计算因冗余交换单元产生的当前延时并将其历史延时进行累计，以获得第二累加延时值CorrectField[T3/T4]。

11.一种如权利要求8所述的冗余以太网的同步对时方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述时基偏移计算公式为

Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2。