CN107070573A - 监测基于以太网的网络中的时钟同步状态 - Google Patents

Abstract

本发明涉及监测基于以太网的网络中的时钟同步状态。为了监测基于以太网的网络（20）的时钟同步状态，其中，网络（20）包括主时钟（1）并且其中，主时钟（1）在网络启动时向网络（20）中的至少一个节点（12、13、14）传输同步报文，建议在接收同步报文和同步内部时钟时，每一个节点（12、13、14、15）均向监测节点（11）传输同步状态报文（16、17）。在已经从网络（20）内的每一个节点（12、13、14、15）接收同步状态报文的情况下，监测节点（11）发送网络共同时间状态报文以便告知重要数据的发送者（15）关于贯穿网络（20）的共同时基的存在。

Description

监测基于以太网的网络中的时钟同步状态

技术领域

本发明涉及监测基于以太网的网络的时钟同步状态，其中，网络包括主时钟，并且其中，主时钟在网络启动时将同步报文传输至网络中的至少一个节点。

背景技术

设计时间敏感的系统中的一个挑战是共同时基。原因在于网络中的通信设备对当前时间具有不同的视角（view），因为它们通常具有不同的时钟特性，比如频率漂移、粒度等，且其时常具有不同的初始时间。该状况在一些汽车时间-和-安全-重要应用中导致无法忍受的时钟偏差，因为这些应用具有目标在于具体地相对于整个交通保证安全的小汽车驾驶的强烈要求。因此，对于运载工具中的网络而言，需要严格的时间操纵。这对于小汽车内的若干设备和/或电子控制单元的相互作用而言尤其重要，因为它们都必须在相同的时间交接（relay）。因此，遍及整个网络使用时间同步机制。

针对建立在基于以太网的网络中的共同时基已经规定了IEEE 802.1 AS时间同步协议。其基本上作用在用作时间参考的主时钟上，通过将其时间信息经由网络分配到其它设备，使得其能够修正且因此同步其内部时钟以便与主时钟一致。

在重要的汽车应用中，操纵重要的数据包或报文的设备必须具有共同的时间感，以避免任何时基抖动（jitter）、意外延时和实际状况的错误解释，否则这些能够引起运载工具行为的惊人结果。因此，必须在运载工具中时间和安全重要的网络中在启动时间以及在运行时间期间建立共同时基。

事实上，在网络启动之后，在传输第一次和/或安全重要的数据包之前，每一个重要数据的发送者均必须知晓共同时基的存在，以便避免上文提及的问题。

发明内容

本发明并且具体地本方法，监测节点和如由从属权利要求限定的基于以太网的运载工具中网络描述了用于通知预期传输重要数据的设备关于网络的同步状态的监测机制。具体地，一旦贯穿网络建立共同时基，就告知这些设备。

本发明因此改进了运载工具中时间-和-安全重要的网络中的安全的可靠性。通过改进像例如IEEE 802.1 Qbv的时间-触发机制的性能，本发明改进了运载工具中网络的逻辑和时间确定论（logical and temporal determinism），因此改进了运载工具时序行为的可预测性。本发明也促进针对一些基于以太网的交通操纵机制（比如时间触发的以太网或时间感知整形器（IEEE 802.1 Qbv））的配置，其要求高的工程技术工作。

附图说明

本发明的实施例以示例且不限制于附图中的图的方式图示，在附图中，同样的附图标记指示相似的元件，并且附图中：

图1示出在基于以太网的网络中的时间分配机制的示例；

图2示出基于以太网的网络拓扑结构的示例；

图3示出同步状态报文从桥和开关到监测节点的传输；

图4示出同步状态报文从重要数据发送者到监测节点的传输；

图5示出网络共同时间状态报文从监测节点到重要数据发送者的传输；以及

图6是创造性方法的可能的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出通常在基于以太网的运载工具中网络系统中使用的基本同步和时间分配机制。图1示出从主节点1（例如主时钟或祖时钟（grand master））传输到桥节点8的报文。

在时间t₃₁处，主节点1向桥8发送同步报文3，具体地向桥8的从端口9。时间t₃₁储存在主节点1处且经由同步后续报文4传输到桥8。同步后续报文4包括比如标记为精确发出时间戳（Precise origin time stamp）的信息，其描述了根据主节点1的内部时钟的同步报文3的传输时间t₃₁。

通常，同步后续报文4包括至少两个其它字段，所谓的修正字段和所谓的率比（rate ratio）。在从主时钟节点传输的同步后续报文4中，修正字段被设置为0，且率比被设置为1。在频率f₁的情况下，主节点1再次向桥8发送同步报文3。

在接受同步报文3时，桥8保存对应的接收时间t₃₂。在已接收同步后续报文4的情况下，桥8现在能够使用以下等式修正其内部时钟：

当前_时间_桥 = t ₃₁ + 路径延时 _{主_到_桥} + d ₁ ·邻近率比 _{主_到_桥}

路径延时是报文或帧在网络上从一个节点到另一节点的传播时间，且经由所谓的对等延时机制确定。

计算邻近率比以补偿主时钟和从时钟之间的漂移。其由从节点基于具有相同大小的两个报文的传输和接收时间计算。例如，能够使用两个连续的同步报文3。

在已调整内部时钟的情况下，桥8然后生成同步报文3并在时间t₃₃将同步报文3转发到从节点2。从节点2在时间t₃₄处接收该同步报文3。在这之后，桥8向从节点2发送同步后续报文4。在该同步后续报文4内，精确发出时间戳被传输至从节点2，且邻近率比_{主_到_桥}和修正字段也被传输至从节点2，其中基于以下等式计算修正字段：

修正字段 _桥 = 路径延时 _{主_到_桥} + （t ₃₃ – t ₃₂ ）·邻近率比 _{主_到_桥}

在接收从桥8传输的同步后续报文4之后，从节点2将能够使用以下等式修正其内部时钟：

当前_时间_从 = t ₃₁ + 修正字段 _桥 + 路径延时 _{桥_到_从} + d ₂ ·邻近率比 _{主_到_桥} ·邻近率 比 _{桥_到_从}

图2示出基于以太网的网络20，包括主时钟1和监测节点11。网络20还包括三个节点12、13、14，其用作网络20内的桥和/或开关。节点15是重要数据发送者。

不言而喻，网络20仅是示例网络。当然，通常存在更多节点，且具体地存在不发送重要数据的设备或节点，且存在接收重要数据的节点或设备。

图3示出其中桥和/或开关12、13、14已经接收来自主节点1的同步报文3的状况。此外，桥和/或开关12、13、14已经将其内部时钟调整到主时钟。

如图3中所示，桥和/或开关12、13、14现在将同步状态报文16传输到监测节点11，以便通知监测节点11关于桥和/或开关12、13、14现在已经根据主时钟调整了其内部时钟的事实。如图1中所描述的，桥和/或开关12、13、14也负责将同步报文3从主时钟1转发到相邻或随后的节点，因此使得这些节点也能够调整其内部时钟以及向其相邻节点转发时间信息。

图4示出其中节点15也将其内部时钟调整到主时钟1的参考时间的状况。其现在向桥和/或开关12和14发送同步状态报文17，桥和/或开关12和14相应地将这些同步状态报文17转发到监测节点11。

图5示出其中监测节点11已经从网络20内的所有节点接收同步状态报文16和17的状况。监测节点11现在将网络共同时间状态报文18至少传输到重要数据发送者节点15。如图5中所示，网络共同时间状态报文18经由桥和/或开关12和14传输到节点15。

现在，发送重要数据的所有节点都被告知在整个网络20内存在共同时间状态的事实。因此，重要数据发送者节点15能够现在开始发送其重要数据。

所描述的方法的益处在于，一旦网络具有共同时基，就告知重要数据的发送者，这意味着它们能够在网络启动之后尽可能快地传输其重要数据。

根据优选的实施例，同步状态报文16、17包括特定数据字段。具体地，能够针对依赖于（relied to）共同时基确立监测的报文限定特定类型的以太网帧。

同步状态报文16、17的特定字段中的一些可以包括：

报文ID：其可以被限定在三个比特位上。这些比特位指示数据包是同步状态报文。值“001”可以是针对这种种类的报文的ID值。

状态：该字段可以被限定在一个比特位上。如果该比特位被设定为“1”，则其示出已经发送这种报文的节点已由于网络启动而第一次调整其时钟。

节点ID：该字段可以识别已经生成当前同步状态报文的节点。该字段可包括六个字节，其代表发出节点的MAC地址。

网络共同时间状态报文18也可以包括三个专用字段，比如：

报文ID：该字段可以被限定在三个比特位上。其指示数据包是网络共同时间状态报文。例如，“010”是针对这种种类的报文的ID值。

状态：该字段可以被限定在一个比特位上。只要当同步整个网络时，其就被设定为“1”。

节点ID：该字段识别监测节点11，且被限定在六个字节上，且代表监测节点11的MAC地址。

图6示出共同时基监测机制的可能实施例的流程图。其在步骤100中开始，其中，在网络启动之后，同步报文和后续报文（如果网络处于两步骤模式中）从主节点1被传输到如图1中所描述的网络中的每一个节点。

在步骤101中，接收同步报文3和同步后续报文4的每一个节点均调整其内部时钟。

在步骤102中，已调整其内部时钟的每一个节点然后向监测节点11传输同步状态报文16、17。

在步骤103中，监测节点11接收同步状态报文16、17。

在步骤104中，监测节点11接收同步状态报文16、17，且等待直到网络中的每一个节点均已传输其同步状态报文。

在步骤105中，监测节点11已经从网络20中的每一个节点接收同步状态报文16、17，且现在至少将网络共同时间状态报文18传输到在网络上发送重要数据的节点。

在步骤106中，从监测节点11接收网络共同时间状态报文的节点现在开始发送重要数据或至少能够发送重要数据。

当然，网络共同时间状态报文18也能够被传输到不生成和/或传输重要报文的节点。例如，这些网络共同时间状态报文18也能够被传输到操纵重要数据的节点。具体地，如果网络中的所有节点都必须知晓网络在启动之后第一次具有共同时基的事实，则共同时间状态报文18可以被传输至网络内的所有节点。

Claims (10)

1.一种用于监测基于以太网的网络（20）的时钟同步状态的方法，其中，所述网络（20）包括主时钟（1），并且其中，所述主时钟在网络启动时向所述网络（20）中的至少一个节点（8）传输同步报文（3），其特征在于

-在接收所述同步报文（3）和同步内部时钟时，每一个节点（12、13、14、15）均向监测节点（11）传输同步状态报文（16、17）；以及

-在已接收到来自所述网络（20）内的每一个节点（12、13、14、15）的同步状态报文之后，所述监测节点（11）发送网络共同时间状态报文（18），以便告知重要数据的发送者（15）关于共同时基在所述网络中的存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络共同时间状态报文（18）也被传输到网络（20）中的其它节点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述同步状态报文（16、17）包括报文ID、所述同步状态报文（16、17）的发送者的时钟的状态，和用于识别所述同步状态报文（16、17）的发送节点（12、13、14、15）的节点ID。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述网络共同时间状态报文（18）包括报文ID、所述网络（20）的同步状态，和用于识别所述监测节点（11）的节点ID。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在接收所述网络共同时间状态报文（18）之后，所述重要数据的发送者（15）开始发送重要数据。

6.在网络（20）中的监测节点（11），其中，所述网络（20）包括主时钟（1），并且其中所述主时钟（1）在网络启动时向所述网络（20）中的至少一个节点传输同步报文（3），其特征在于，所述监测节点（11）包括用于以下特征的装置：

-从所述网络（20）中的其它节点（12、13、14、15）接收同步状态报文（16、17）；

-检测是否所述网络（20）中的所有节点（12、13、14、15）均已经发送同步状态报文（16、17）；以及

-在检测到所述网络（20）中的所有节点（12、13、14、15）均已经发送同步状态报文（16、17）时，向至少一个重要数据的发送者（15）传输网络共同时间状态报文（18）。

7.根据权利要求6所述的监测节点（11），其特征在于，监测节点（6）包括用于执行根据权利要求2到4中的任一项所述的方法的装置。

8.一种基于以太网的运载工具中网络（20），其包括主时钟（1）、监测节点（11）和用于在所述网络（20）启动时执行时钟同步机制的装置，所述时钟同步机制包括从所述主时钟（1）向至少一个节点（12、13、14、15、8）传输同步报文（3）的步骤，其特征在于：

-每一个节点（12、13、14、15）均包括用于在已经接收到所述同步报文（3）和已经同步所述内部时钟之后向所述监测节点（11）传输同步状态报文（16、17）的装置；以及

-所述监测节点（11）包括一种装置，其用于检测是否所述网络（20）中的所有节点（12、13、14、15）均已经发送同步状态报文（16、17），并且在已经接收到来自所述网络（20）中的所有节点（12、13、14、15）的同步状态报文（16、17）之后，向至少一个重要数据的发送者（15）发送网络共同时间状态报文（18），其中，所述网络共同时间状态报文（18）告知所述至少一个重要数据的发送者（15）关于共同时基贯穿所述网络（20）的存在。

9.根据权利要求8所述的网络（20），其特征在于，所述网络（20）被配置成用于执行根据权利要求1到5中的任一项所述的方法。

10.一种计算机可读媒介，其包括用于执行权利要求1到5中的任一项所述的方法的计算机可执行指令。