CN106664145A - 用于在通信网络中传输时间同步消息的方法、网络部件和通信网络 - Google Patents

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CN106664145A CN201480080996.XA CN201480080996A CN106664145A CN 106664145 A CN106664145 A CN 106664145A CN 201480080996 A CN201480080996 A CN 201480080996A CN 106664145 A CN106664145 A CN 106664145A
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Abstract

本发明涉及一种用于在通信网络(10，20)中在主时钟(11，21)和与主时钟(11，21)的时钟时间待同步的从时钟(12a‑e，22a‑e)之间传输时间同步消息的方法，其中，通信网络(10，20)的具有至少两个端口(14)的网络部件(13，23)在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息，网络部件(13，23)借助内部时钟确定在接收和发送之间相应的时间同步消息的停留时间并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟(12a‑e，22a‑e)，并且从时钟(12a‑e，22a‑e)在使用接收的相应的时间同步消息和相应地相关的停留时间信息的条件下执行与主时钟(11，21)的同步。为了在网络部件中在使用具有相对较低的精确性的内部时钟的情况下也能够尽可能精确地确定停留时间信息，提出了网络部件(10，20)在其预计接收时间同步消息的时间段内停止不是时间同步消息的其它消息的发送。本发明还涉及一种相应的网络部件(13，23)和用于传输时间同步消息的通信网络(10，20)。

Description

用于在通信网络中传输时间同步消息的方法、网络部件和通 信网络
技术领域
本发明涉及一种用于在通信网络中传输时间同步消息的方法、通信网络的网络部件，在通信网络中，时间同步消息经由通信网络在主时钟和与主时钟的时钟时间待同步的从时钟之间传输；通信网络的网络部件具有至少两个端口，在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息；网络部件借助内部时钟确定在时间同步消息的接收和发送之间相应的时间同步消息在网络部件内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟；并且从时钟在使用接收到的相应的时间同步消息和相应地相关的停留时间信息的条件下执行与主时钟的同步。
本发明还涉及一种相应构造的网络部件和一种相应构造的通信网络。
背景技术
在通信网络中通常要求与通信网络连接的设备在时间上彼此同步。为此，各个设备通常包含自己的时钟，其借助特殊方法彼此同步。对于具有经由通信网络彼此连接的在空间上分布的自动化设备的技术设备和过程，在自动化装置和控制装置中的精确的时间同步是特别重要的。
以时间同步为前提条件的要求在此例如在于，可以利用多个自动化设备时间同步地采集测量值或可以将来自多个自动化设备的测量值基于时间戳互相比较。此外，通常必须时间精确地彼此同步地执行监视任务、控制任务和调节任务。在这样的自动化装置和控制装置中不同的自动化设备的时钟通常必须在微秒范围内彼此同步。自动化装置的示例是用于控制和监视以及用于保护供电网和开关站(“Substation Automation System”，变电站自动化系统)的能量自动化装置。
用于同步分布式设备的时钟的可能性在于，在每个设备中接收借助无线电发送器分配的定时(Zeittakt)并且将相应的设备内部的时钟与该定时相匹配。为此例如可以使用由基于卫星的GPS系统(GPS-Global Positioning System，全球定位系统)发出的时间信号。该解决方案由于在所有待同步的设备中为此所需的接收器而是相对昂贵的；此外不能在任何地点都确保GPS时间信号的充分接收。
另外的可能性在于，将通信网络本身用于进行时间同步。在该情况下，在通信网络内部传输时间同步消息并且用于进行时间同步。例如，在国际标准IEEE 1588-2008中规定了借助时间同步消息执行时间同步的方法并且称为“Precision Time Protocol(精密时间协议)”(PTP)。
按照PTP标准，在通信网络内借助所谓的“最佳主时钟(Best Master Clock)”算法来选择连接的设备作为所谓的“领导时钟(Grandmaster-Uhr)”，以其时钟来同步所有其它设备(从时钟，也称为“普通时钟(Ordinary Clocks)”)。为此，领导装置(Grandmaster)在自身时钟的发送时间点t1向从属装置发送时间同步消息。该时间点t1或者被直接录入时间同步消息中或者在后续消息中被传输给从属装置。相应的从属装置接收时间同步消息，并且在领导装置中的时间同步消息的发送时间点t1与按照从属装置的时钟的相关的接收时间点t2之间的已知的时间延迟(Offset，偏移)的情况下，为了进行时间同步而执行其时钟时间的相应调整。
发送时间点t1与接收时间点t2之间的偏移通过领导装置与从属装置之间的传输时间给出，并且以有规律的间隔按照以下描述的方法来确定。为此，领导装置在自身时钟的发送时间点t1向各个从属装置发送时间同步消息。从属装置相应于其自身时钟存储其输入时间点t2。接着，从属装置向领导装置发送另外的时间同步消息(Delay_Request，延迟请求)并且存储其发送时间点t3。领导装置自从属装置接收时间同步消息并且存储其接收时间点t4。然后，将该时间点t4与响应(Delay_Response，延迟响应)一起传输到从属装置，其中现在存在时间点t1至t4。由此，从属装置可以使用以下等式来计算其时钟与领导时钟之间的差异OS(Offset，偏移)：
并且用于跟踪其自身时钟。应用该等式的前提条件是，从领导装置至从属装置发送消息需要与在相反方向上由从属装置至领导装置发送消息相同的时间。
为了也能够在更复杂的通信网络中执行时间同步，按照IEEE 1588，除了领导时钟和从时钟之外，还定义了所谓的边界时钟(“Boundary Clocks”)，其可以与领导装置相互作用成为从属装置角色，也可以与另外的从时钟相互作用成为主装置(Master)角色。原则上，主时钟与所连接的从属装置执行与上面对于领导装置-从属装置关系所描述的相同的步骤，主时钟本身仅需作为从属装置与领导时钟同步。下面，只要没有另外提出，领导时钟以及领导时钟下级的主时钟被统称为主时钟。
除了边界时间之外，自从2008年的IEEE 1588标准的版本2以来，还存在对于所谓的透明时钟(“Transparent Clocks”)的定义，其仅在主时钟和从时钟之间传输时间同步消息，而不会独立地承担一方面从时钟和另一方面主时钟的角色。这样的透明时钟例如可以是交换机或路由器形式的网络部件。但是因为时间同步消息在其传输之前停留在这样的网络部件内的持续时间取决于不同的因素并且通常不是恒定的，所以这样的网络部件必须利用自身的内部时钟确定停留时间，并且作为停留时间信息传输到从时钟，由此其可以对于与主时钟的同步共同地考虑来自于从属装置的停留时间信息与已知的偏移。
例如，由EP 2680466A1已知开头提到的类型的方法，其中使用表示透明时钟的网络部件。该已知方法在此的目的在于，对于停留时间信息的传输使用时间同步消息的特定片段，例如前同步码。EP 2680466A1在此还描述了，利用网络部件的内部时钟来测量各个时间同步消息的接收时间点和发送时间点。
然而，为了能够确定在网络部件内的停留时间，通常使用高精确性的时钟，因为特别是在多个作为级联先后布置的、表示透明时钟的网络部件的情况下，所连接的从属装置的时间同步的精确性强烈取决于所确定的停留时间的精确性。该高精确性的时钟本身必须在时间上被同步，以避免领导时钟也即主时钟与网络部件的内部时钟之间的漂移。由于要求高，要在这样的网络部件中使用的内部时钟通常相对昂贵。
发明内容
基于本文开始部分所述类型的方法，本发明要解决的技术问题是，在网络部件中，即使在使用具有相对低的精确性的内部时钟的情况下，也能够尽可能精确地确定停留时间信息。
上述技术问题通过开头提到的类型的方法来解决，其中，网络部件在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
本发明基于如下认识，即，基于同样经由通信网络传输的其它消息的将要进行的发送，形成网络部件内的时间同步消息的停留时间的主要的(变化最大的)部分。经由与时间同步消息相同的通信网络传输的其它消息，尤其例如可以包含测量值、控制命令、状态消息、绘制的测量值曲线、软件更新等。
由此，在无负载状态下(不传输其它消息)，自动化装置中的好的以太网交换机例如可以将时间同步消息的停留时间限制到大约5μs。相反，在这样的交换机的有负载状态下(同时还传输其它消息)，停留时间很容易上升到直至125μs。如果使用具有50ppm的不准确性的内部时钟，则在无负载的情况下，在测量停留时间时得出0.25ns的不准确性。相反，在有负载的情况下，停留时间的测量的不准确性上升到6.25ns。在多个先后连接的网络部件的情况下(例如在环形的通信网络中)，该不准确性快速相加，直至在时间同步中不可接受的误差。在自动化装置的通常的通信网络中，在主机和从属装置之间先后连接的网络部件的数量可以简单地取大约50的值。
本发明在这一点上着手。也就是，不是通过使用昂贵的部件来提高网络部件的内部时钟的精确性(这例如以使用具有0.5-lppm的精确性的网络部件的内部时钟为前提条件)，而是按照本发明，保证时间同步消息在网络部件内的停留时间尽可能小。因为所确定的停留时间的不准确性原则上作为网络部件的内部时钟的不准确性与停留时间本身的乘积给出，所以也可以通过这种方式(并且在不使用昂贵的部件的条件下)实现在确定停留时间时的不准确性的降低。由此例如可以使用具有50ppm或更差的精确性的更便宜的内部时钟。
简单来说，通过按照本发明的方法，网络部件主动(proaktiv)准备时间同步消息的发送。因为为此仅需暂时停止其它消息的发送，所以也不需要对网络部件的控制软件实施麻烦的措施。此外，对待由网络部件传输的其它消息的延迟效果可以在足够小地选择的时间范围的情况下和基于时间同步消息本身的短小而保持为极小。
根据按照本发明的方法的一个优选的实施方式设置为，当已经接收并发送了在时间段中预计的时间同步消息时，继续发送其它消息。
通过这种方式，其它消息的发送的中断可以保持为尽可能短。也就是，不一定强制等候预计时间同步消息的时间段结束。也就是，只要已经发送了预计的时间同步消息，即使发送的时间点处于有关的时间范围结束之前，也立即恢复其它消息的发送。
按照本发明的方法的另外的优选的实施方式在于，为了停止其它消息的发送，网络部件中断消息等候队列的执行，在该消息等候队列中，其它消息在其发送之前被临时中间存储。
由此，时间同步消息在其发送之前被直接移入其中的发送存储器主动对于时间同步消息保持空闲，因为至此暂时不再移动待发送消息的等候队列(Queue)中的其它消息。
此外按照本发明的方法的另外的优选的实施方式在于，通过以有规律的间隔从主时钟和/或从时钟发送时间同步消息，来预先给定预计接收时间同步消息的时间段。
也就是，通常以恒定的时间间隔有规律地从主机发送时间同步消息。时间同步消息例如可以每秒发送一次。因此，网络部件可以在获知发送定时(Versendetakt)的情况下，从最后接收的时间同步消息中导出接收下一个时间同步消息的预计的时间点。即使发送定时不是事先已知的，除了接收下一个时间同步消息的预计的时间点之外，网络部件也还可以从两个或多个已经接收的时间同步消息的时间点中导出发送定时。也可以按照相应的方式以有规律的间隔发送由从时钟向主时钟发送的时间同步消息。在该情况下，时间段的开始例如可以被设置为在从属装置中已知的、主机的时间同步消息的发送时间点。
然而，作为后面提到的实施方式的替换方案还可以设置为，主时钟和/或从时钟在发送时间同步消息之前发送预告消息，其预告时间同步消息的随后发送，并且网络部件引入预告消息，以确定其预计接收时间同步消息的时间段。
由此，特别是可以在不规律地发送时间同步消息的情况下，通过网络部件确定预计接收时间同步消息的时间段。或者在此可以约定，在预告消息之后的固定的时间间隔结束之后发送时间同步消息，从而网络部件可以直接从预告消息的接收时间点导出时间段。替换地，预告消息可以包含处于预告消息和时间同步消息之间的时间间隔或者时间同步消息的规划的发送时间点。
按照本发明的方法的另外的优选的实施方式在于，网络部件将停留时间信息直接录入相关的时间同步消息，并且发送这样修改后的时间同步消息而不发送原始接收的时间同步消息。
这尤其可以在快速的基于硬件的停留时间信息的确定中进行。
作为对此的替换还可以设置为，网络部件将停留时间信息录入后续消息中，并且在相关的时间同步消息之后发送后续消息。
该方案特别是在较慢的基于软件的停留时间信息的确定中使用。
上面提到的技术问题还通过用于在通信网络中运行的网络部件来解决，该通信网络用于在主时钟和与主时钟的时钟时间待同步的从时钟之间传输时间同步消息，其中，网络部件具有至少两个端口并且构造为，在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息，并且其中，网络部件构造为，借助内部时钟确定在时间同步消息的接收和发送之间相应的时间同步消息在网络部件内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟。
按照本发明设置为，网络部件构造为，在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
此外，上面提到的技术问题还通过用于在主时钟和与主时钟的时钟时间待同步的从时钟之间传输时间同步信息的通信网络来解决，其中，通信网络具有网络部件，该网络部件具有至少两个端口并且构造为，在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息，其中，网络部件还构造为，借助内部时钟确定在时间同步消息的接收和发送之间相应的时间同步消息在网络部件内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟，并且其中，从时钟构造为，在使用接收到的相应的时间同步消息和相应地相关的停留时间信息的条件下执行与主时钟的同步。
按照本发明设置为，网络部件构造为，在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
对于按照本发明的网络部件和按照本发明的通信网络，所有前面和后面关于按照本发明的方法进行的描述都适用，并且反之以相应的方式，特别地按照本发明的网络部件和按照本发明的通信网络构造为用于以任意实施方式或任意实施方式的组合执行按照本发明的方法。关于按照本发明的网络部件和按照本发明的通信网络的优点也参见对于按照本发明的方法所描述的优点。
附图说明
下面根据实施例详细解释本发明。实施例的具体构造对于按照本发明的方法、按照本发明的网络部件和按照本发明的通信网络的一般构造不应当限制地理解；相反，实施例的各个构造特征可以以任意方式自由地彼此组合以及与上面描述的特征组合。
附图中：
图1示出了具有主时钟和多个与主时钟待同步的从时钟的通信网络的第一实施例；
图2示出了具有主时钟和多个与主时钟待同步的从时钟的通信网络的第二实施例；以及
图3示出了用于解释时间同步消息经由网络部件的传输的示意性流程图。
具体实施方式
图1以示意性视图示出了通信网络10，在其上连接有主时钟11和多个从时钟12a-e形式的具有网络功能的设备。这些设备尤其可以是例如用于进行供电网的自动化的自动化装置的自动化设备。在此例如可以是电能自动化装置的保护设备、测量设备、相量测量设备、功率计、电能质量设备、主控和控制设备、开关控制器等。一般地，这样的自动化设备也可以被称为现场设备或称为IED(“intelligent electronic device”，智能电子设备)。但是在此因为时间同步功能很重要，所以从这个角度下面将这些设备称为主时钟或从时钟。如前面已经提到的那样，概念主时钟还包括所选择的、通信网络中的所有设备最终同步到其的领导时钟。
此外，通信网络10包括网络部件13，其例如可以是具有多个端口14的交换机、桥接器或路由器。网络部件13在标准IEEE 1588-2008的意义上表示“透明时钟(TransparentClock)”。
与按照图1的简化示图不同，通信网络还可以包括表示这样的透明时钟的多个先后连接的网络部件。
在通信网络10中交换消息，消息例如可以包含测量值、控制命令、状态消息、绘制的测量值曲线或软件更新。将这些消息统称为“其它消息(andere Nachrichten)”。此外，为了进行从时钟12a-e关于主时钟11的同步，在通信网络10中附加地还交换时间同步消息。这稍后要更详细地描述。
图2示出了通信网络20的另外的实施例，其中，通信网络20与图1的通信网络10相比具有环形的拓扑结构。图2以示意性视图示出了通信网络20，在其上连接有主时钟21和多个从时钟22a-e形式的具有网络功能的设备。
主时钟21和从时钟22a-e包括集成的网络部件23，其例如可以是集成的三端口交换机。网络部件23在标准IEEE 1588-2008的意义上也表示“透明时钟”，因为从时钟22b与主时钟21的同步例如经由作为透明时钟的从时钟22a的网络部件23进行。
为了关于主时钟21同步从时钟22a-e，在通信网络20中交换时间同步消息。此外还交换其它消息。
下面根据图1和图3示例性地描述根据在通信网络10中传输的时间同步消息进行时间同步的方法。下面描述的方法还可以以相应的方式转用到通信网络20或转用到其中执行时间同步的其它通信网络。为此在图3中附加地给出了流程图，其中沿着时间线绘制了时间同步消息的传输。在此，时间线31表示主时钟11侧的事件；时间线32表示从时钟12a-e侧的事件(对于下面的描述，为了简单起见，示例性地选择从时钟12a)；并且时间线33a和33b表示网络部件13的第一和第二端口处的事件。
在时间点t＝t1，主时钟11作为广播消息向从时钟12a-e、其中也向从时钟12a发送时间同步消息“Sync”。作为信息向时间同步消息“Sync”添加发送时间点t1。作为直接添加发送时间点的替换，也可以借助随后的后续消息(通过虚线箭头34a表示)传输该发送时间点。
时间同步消息“Sync”在时间点t＝t1'在网络部件13的第一端口处被接收，在内部进行处理，并且在时间点t＝t1”在网络部件13的第二端口处向从时钟12a的方向发送。网络部件13在此采集停留时间t1”-t1'并且将其作为停留时间信息直接录入传输的时间同步消息“Sync”中。替换地，停留时间信息也可以，如图3中通过虚线箭头34b示出的那样，由网络部件13录入后续消息中并且向从时钟12a的方向发送。
从时钟12a接收时间同步消息“Sync”(和可能的后续消息34a、34b)，采集接收时间点t＝t2，由此具有关于时间点t1和t2以及关于停留时间信息t1”-t1'的信息。在已知偏移OS和同步的时钟正确的情况下，在此必须满足以下关系
t2-(OS+(t1``-t1`))＝t1。
否则，为了进行时间同步，必须相应地调整从时钟。偏移OS可以一次性地或有规律地按照上面解释的方法来确定。
为了能够确定在网络部件13内的停留时间信息，网络部件具有内部时钟，其测量时间同步消息的接收时间点和发送时间点。在此必须尽可能精确地确定停留时间，因为其直接进入从时钟的时间同步。特别是在具有多个先后布置的网络部件的通信网络(例如如图2所示的环形的通信网络)中，因为在确定停留时间时不准确性相加，由此时间同步的结果发生错误。
为了在确定停留时间时，不必使用特别精确且由此昂贵的用于网络部件的内部时钟，来降低不准确性，影响停留时间本身，使得其尽可能小。为此设置为，网络部件13在其预计从主时钟接收时间同步消息的时间段内，停止其它消息的发送。通过这种方式，可以消除长的停留时间的主要原因，也就是，由于当前还待发送的其它消息而阻止时间同步消息的发送。例如，网络部件在有关的时间段期间暂时地中断对具有待发送的其它消息的等候队列(Queue)的处理，以便时间同步消息在其到达时可以直接被进一步传输，也就是不必等待其它消息的发送。由此时间同步消息的停留时间减小到绝对的最小值，由此即使使用具有相对低的精确性的内部时钟，在确定本身已经小的停留时间时总体上仅产生小的不准确性。
在时间同步消息的发送结束之后，可以直接继续进行其它消息的发送。
在主时钟和/或从时钟有规律地发送时间同步消息时，例如可以从接收相应地最后的时间同步消息的时间点，导出预计接收时间同步消息的有关的时间段。作为其替换，主时钟或从时钟也可以发送预告消息，其预告不久就要传输下一个时间同步消息。

Claims (9)

1.一种用于在通信网络(10，20)中传输时间同步消息的方法，其中，
-经由通信网络(10，20)在主时钟(11，21)和与主时钟(11，21)的时钟时间待同步的从时钟(12a-e，22a-e)之间传输时间同步消息；
-通信网络(10，20)的具有至少两个端口(14)的网络部件(13，23)在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息；
-网络部件(13，23)借助内部时钟确定在接收和发送时间同步消息之间相应的时间同步消息在网络部件(13，23)内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟(12a-e，22a-e)；并且
-从时钟(12a-e，22a-e)在使用接收的相应的时间同步消息和相应地相关的停留时间信息的条件下执行与主时钟(11，21)的同步，
其特征在于，
-网络部件(10，20)在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-当已经接收并发送了在所述时间段中预计的时间同步消息时，继续发送其它消息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
-为了停止其它消息的发送，网络部件(13，23)中断对消息等候队列的处理，其它消息在其发送之前被临时中间存储在所述消息等候队列中。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-通过以有规律的间隔从主时钟(11，21)和/或从时钟(12a-e，22a-e)发送时间同步消息，来预先给定预计接收时间同步消息的时间段。
5.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
-主时钟(11，21)和/或从时钟(12a-e，22a-e)在发送时间同步消息之前发送预告消息，该预告消息预告时间同步消息的随后发送；并且
-网络部件(13，23)引入预告消息，以确定其预计接收时间同步消息的时间段。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-网络部件(13，23)将停留时间信息直接录入相关的时间同步消息中，并且发送这样修改后的时间同步消息而不发送原始接收的时间同步消息。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
-网络部件(13，23)将停留时间信息录入后续消息中，并且在相关的时间同步消息之后发送后续消息。
8.一种用于在通信网络(10，20)中运行的网络部件(13，23)，该通信网络用于在主时钟(11，21)和与主时钟(11，21)的时钟时间待同步的从时钟(12a-e，22a-e)之间传输时间同步消息，其中，
-网络部件(13，23)具有至少两个端口(14)并且构造为，在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息；并且其中，
-网络部件(13，23)构造为，借助内部时钟确定在接收和发送时间同步消息之间相应的时间同步消息在网络部件(13，23)内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟(12a-e，22a-e)；
其特征在于，
-网络部件(13，23)构造为，在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
9.一种用于在主时钟(11，21)和与主时钟(11，21)的时钟时间待同步的从时钟(12a-e，22a-e)之间传输时间同步消息的通信网络(10，20)，其中，通信网络(10，20)具有网络部件(13，23)，该网络部件具有至少两个端口(14)并且构造为，在一个端口处接收并且经由另一个端口发送时间同步消息；并且其中，
-网络部件(13，23)构造为，借助内部时钟确定在接收和发送时间同步消息之间相应的时间同步消息在网络部件(13，23)内的停留时间，并且将说明停留时间的停留时间信息传输到从时钟(12a-e，22a-e)；并且其中，
-从时钟(12a-e，22a-e)构造为，在使用接收的相应的时间同步消息和相应地相关的停留时间信息的条件下执行与主时钟(11，21)的同步；
其特征在于，
网络部件(13，23)构造为，在其预计接收时间同步消息的时间段内，停止不是时间同步消息的其它消息的发送。
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