CN107070575B - 基于以太网的网络中的时钟同步监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于以太网的网络中的时钟同步监测，公开了一种用于网络（100）中的时钟同步的方法和对应系统，该方法包括以下步骤‑由第一时钟主机（101）发送寻址于网络（100）中的至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的第一消息（203、610）；‑由第二时钟主机（102）发送寻址于网络（100）中的至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的第二消息（204、620）；其中，第一消息和第二消息包含用于使至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的时钟同步的同步时间信息。

Description

基于以太网的网络中的时钟同步监测

技术领域

本发明涉及一种用于网络（具体地基于以太网的车辆中时间和安全关键网络）中的时钟同步的方法。

背景技术

设计时间敏感的系统的一个挑战是建立共同的时基。原因在于网络中的通信设备具有不同的当前时间视图，因为它们通常具有不同的时钟特性，比如频率漂移、粒度等，并且它们通常具有不同的初始时间。这种情形导致一些汽车时间和安全关键应用中的不可容忍的时钟偏差，因为这些应用具有旨在确保安全的汽车驾驶（特别是关于整个交通）的强烈要求。因此，需要对车载网络进行严格的时间处理。这对于汽车内的若干设备和/或多个设备的交互尤其重要，因为其全部均必须依赖于相同时间。因此，穿过整个网络使用时间同步机制。

IEEE 802.1 AS时间同步协议已被指定为用于在基于以太网的网络中建立公共时基。它基本上通过经由网络将其正时信息分布于其它设备来作用在用作时间基准的主时钟上，使得所述其它设备能够校正并且因此使其内部时钟同步以便与主时钟一致。

在关键的汽车应用中，处理关键数据包或消息的设备必须具有公共的时间感，以避免任何抖动、意外延迟和对实际情况的错误解释，否则这能够在车辆行为方面引起严重后果。因此，必须在启动时以及在运行时间期间在车载时间和安全关键网络中建立公共时基。

然而，网络不受保护以免受能够不利地影响时钟同步的所有种类的错误的影响。对于一些安全关键应用，比如专用于自主或半自动驾驶的应用，必须检测这种错误以防止车辆遭受任何危险行为。因此，基于以太网的车载网络中的增强时钟同步机制是有价值的。

发明内容

本发明提供了一种网络中增强的容错时钟同步机制。这允许对能够不利地影响系统的故障的增强的容忍度。此外，进一步减少了故障恢复时间。

本发明的增强的容错时钟同步机制使用第一主时钟和第二主时钟同时工作。特殊性在于，在该配置中使用不是从设备的第二主时钟，并且不关心并且不通知第一主时钟的任何故障。

本发明也限定了优选实施例。

附图说明

借由参考附图的示例说明本发明的实施例，其中同样的附图标记指示相似的元件，并且附图中：

图1示出车载网络的一部分的示例；

图2示意性地示出用于时间同步的两个祖时钟（grand master）之间的消息传输；

图3示意性地示出用于车载网络中的时间同步的消息传播；

图4示出在运行时间同步消息输送的第一示例；

图5示出在运行时间同步消息输送的第二示例；

图6示出用所提出的容错时钟同步机制实现的减少的恢复时间；和

图7是时间同步方法的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，引入了多个具体细节以提供对于所建议的同步状态监测机制的实施例的透彻理解，并且使得能够描述这些实施例。然而，相关领域的技术人员将认识到，能够在没有该具体细节中的一个或多个的情况下实践这些实施例，或者与其它部件、系统等一起实践这些实施例。在其它情况下，未示出或未详细描述众所周知的结构或操作，以避免使所公开的实施例的方面模糊。

图1示出车载网络100的示例。车载网络例如基于树形拓扑。网络100包括以下被称为第一祖时钟（grand master）的第一主时钟101。网络100包括以下被称为第二祖时钟的第二主时钟102。网络100包括经由第一数据链路121连接到第一祖时钟101的第一网桥111。网络100包括经由第二数据链路122连接到第二祖时钟102的第二网桥112。第三数据链路123连接第一网桥111和第二网桥112。

网络100包括经由第四数据链路124连接到第一网桥111的第三网桥113。网络100包括经由第五数据链路125连接到第二网桥112的第四网桥114。

网络100包括经由第六数据链路126连接到第一网桥111和/或交换节点3、4、5的第一设备141，主时钟6和设备7、8、9。网络100包括经由第七数据链路127连接到第二网桥112的第二设备142。网络100包括经由第八数据链路128连接到第三网桥113的第三设备143。网络100包括经由第九数据链路129连接到第三网桥113的第四设备144。第十数据链路130连接第四设备144和第四网桥114。

设备141、142、143、144中的任何一个均被假定为关键数据的发送器。在一些实施例中，第一祖时钟101或第二祖时钟102被认为也是关键数据的接收器

设备141、142、143、144例如根据IEEE 802.1 AS时间同步协议操作为从设备。设备141、142、143、144例如对应于协作以实现复杂的安全关键车辆功能的电子控制单元，或者对应于协作以发送安全关键数据的传感器设备。

下文参考图2至图7解释使用第一祖时钟101和第二祖时钟102的容错时钟同步。

第一祖时钟101和第二祖时钟102实施例如IEEE 802.1AS时间同步协议。根据示例，它们同时工作。特殊性在于，在该配置中，第二祖时钟102不是从设备。第二祖时钟102独立于第一祖时钟101的任何故障而工作，并且优选地不接收关于第一祖时钟101的任何故障的信息。由此，实施操作模式以减少网络的启动时或发生故障之后时钟同步的恢复时间。

参考图2，解释了用于在第一祖时钟101和第二祖时钟102之间建立公共时基的方法。该方法例如在网络100启动时开始。

图2描绘了图1的网络100的一部分，其包括第一祖时钟101、第二祖时钟102、第一网桥111、第二网桥112以及如针对图1所描述的连接它们的数据链路121、122、123。

时间同步过程用指定消息操作。为了实现时间同步，下文描述祖时钟到祖时钟校正。

第一祖时钟101发送第一消息201“SYNC1”。第一网桥111和第二网桥112将该第一消息201转发至第二祖时钟102。

第二祖时钟102发送第二消息202“SYNC2”。第二网桥112和第一网桥111将该第二消息202转发至第一祖时钟101。

一旦实现了第一祖时钟101和第二祖时钟102之间的同步，同步时间信息就可用于使时钟从节点的时钟同步。然后，第一祖时钟101发送第三消息203“sync1”。一旦实现了第一祖时钟101和第二祖时钟102之间的同步，第二祖时钟102就发送第四消息204“sync2”。第三消息203和第四消息204是独立地向网络100发送的。重复地，优选地循环地发送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。优选地，第一消息201“SYNC1”和第二消息202“SYNC2”仅被发送一次。可以重复地，优选地循环地发送上述消息预定时间。这提供容错。

图3中示意性地描绘网络100中的消息的传播，其中对于相同的元件使用与图1和图2中所使用的附图标记相同的附图标记。

在时间同步之后，第二祖时钟102使用第三消息203“sync1”来依照参考时间校正其时钟。

在时间同步之后，第一祖时钟101使用第四消息204“sync2”来依照参考时间校正其时钟。

在没有任何时钟校正机制的网络启动下，C8M1（t）和C8M2（t）分别是在相同时间点t分别由第一祖时钟101和第二祖时钟102指示的时钟正时值。

在没有时间同步的情况下，时钟正时值C8M1（t）和C8M2（t）是不同的。

时间同步，即第一消息201“SYNC1”和第二消息202“SYNC2”分别被用于发送同步时钟正时值C8M1（t）和C8M2（t）。使用接收到的同步时钟正时值C8M1（t）和C8M2（t），第一祖时钟101和第二祖时钟102的内部时钟被修改以指示相同的时间值。优选地，在任何给定的时间点t，使用时钟正时值C8M1（t）和C8M2（t）的平均值Cmiddle（t）。替代性地，可以使用同步时钟正时值C8M1（t）和C8M2（t）中的任一者。

如上文所描述的，在执行祖时钟校正之后，将第三消息“sync1”和第四消息“sync2”发送到网络100内。

如图3中所图示的，每个从节点，即每个设备141、142、143、144均接收两个不同的“sync”消息。优选地，其仅使用两个消息中的一个来校正其时钟。

如图4中所描绘的那样并且根据图7的流程图，在第一步骤701中，交换第一消息201“SYNC1”和第二消息202“SYNC2”。优选地，仅在第一祖时钟101和第二祖时钟102之间交换上述消息。优选地在网络100启动时交换这些消息。

之后，在步骤702中，发送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。

之后，在步骤703中，用所接收的第三消息203“sync1”或所接收的第四消息204“sync2”的时间同步信息执行时钟校正c。

优选地，重复地，优选地循环地执行步骤702和703。

这意味着在循环i中，第三消息203“sync1i”和第四消息204“sync2i”周期性地由网络100中的所有时间敏感设备传输并且能够由所述设备通达。

在图4中，分别针对第一祖时钟101和第二祖时钟102描绘了在时间t内用于发送标记为Tx的消息和接收标记为Rx的消息的消息序列。相应的第三消息203“sync1i”和第四消息204“sync2i”的重复发送之间的时间段tp指示“sync”区间（interval）。在图4中，描绘了四个第一消息201“sync1i”和四个第二消息202“sync2i”的序列。

也重复地执行时钟校正c。优选地，在“sync”区间内执行时钟校正c。时钟校正c例如在接收到“sync”消息时或在“sync”消息被发送之后被触发，并且在接收或发送下一个“sync”消息之前完成。

应当注意的是，更高的时间同步频率导致更准确的时间同步。

图5描绘用于同步的消息传输的另一示例。在图5中针对等同的元件使用与图4中所使用的附图标记相同的附图标记。

优选地，向网络100中的所有时间感知设备输送第三消息203“sync1”和第四消息204“sync2”。

优选地，第一消息201“SYNC1”或第二消息202“SYNC2”仅在连接其的数据链路121、122和123上输送。

在图5的示例中，重复第一消息201“SYNC1”和第二消息202“SYNC2”。这意味着在周期j中重复第一消息201“SYNC1j”和第二消息202“SYNC2j”。优选地，周期性地传输它们。

因此，重复第一祖时钟101和第二祖时钟102之间的时间同步消息，例如，比其它时间感知设备的时间同步频繁两倍。

系统设计者还有可能更频繁地同步第一祖时钟101和第二祖时钟102。

位于连接第一祖时钟101和第二祖时钟102的路径上的第一网桥111或第二网桥112也可以具有与这些祖时钟相同的同步频率。这意味着，包括第一祖时钟101和第二祖时钟102以及位于它们之间的网桥111、112的子网络能够被表示为高度同步的子网络。

这样，改进了容错时钟同步机制的恢复时间。

网络优选地是基于以太网的车载时间和安全关键网络。下文参考图6和图3中的网络拓扑示例描述增强的时间同步的优点。对于图6中的同样的元件，使用与之前的图中所使用的相同的附图标记。在下文中，第三消息203或第四消息204也被称为“sync”帧。“sync”帧例如是对应的以太网帧。

图6描述了在时间t内分别从第一祖时钟101或第二祖时钟102向第一网桥111、第二网桥112和第三网桥113发送消息。

如图6中所描绘的，第一网桥111、第二网桥112和第三网桥113（下文被称为节点）中的任一个均能够因为第一祖时钟101从网络100断开、不正确地工作或者因为丢失或损坏同步消息而遭受参考时间不可用性。

图6描绘了两个“sync”区间tp1和tp2。优选地tp1=tp2。

在没有故障的情况下，假设循环传输，则对于不同的“sync”区间tp传输时间是相同的。

在第一示例中，在第一事件601中，同步消息，例如“sync”帧在第一网桥111和第三网桥113之间丢失。在第二示例中，在第二事件602中，第一祖时钟101例如暂时地失效。

为了说明对于第一示例和第二示例不同时钟同步方法的反应性，将第三网桥113作为目标设备，即关于时钟同步的从节点。

为了允许在从节点处的时钟同步，源自第二祖时钟102的另一“sync”帧被传输到该从节点，即在示例中的第三网桥113。

该另一个“sync”帧越快地到达第二网桥112，并因此到达目标设备（例如第三网桥113），就能够越快速地执行时钟同步，或者时间同步误差增加将越慢。

根据第一示例和第二示例，第二祖时钟102适于在相同的“sync”区间中在接收到对应的帧610之后传输帧620。

在没有失效的情况下，包含第三消息203“sync1i”的帧610在t=t1时由第一祖时钟101传输到第一网桥111。然后在t=t2时将帧610从第一网桥111传输到第二网桥112和第三网桥113。然后在t=t3时将帧610从第二网桥112传输到第二祖时钟102。对应的传输在图6中描绘。

在没有失效的情况下，包含第四消息204“sync2i”的帧620在t=t4时由第二祖时钟102传输到第二网桥112。在t=t5时，帧620由第二网桥112传输到第一网桥111。在t=t6时，帧620由第一网桥111传输到第三网桥113和第一祖时钟101。对应的传输在图6中示出。

帧610和帧620到第三网桥113的传输之间的差异为dt1=t6-t2。

在图6中描绘的第一示例中，在事件601中，在第一网桥111与第三网桥113之间转发期间，源自第一祖时钟101的“sync”帧被丢失或损坏。因此，第三网桥113不具有机会来用该“sync”帧校正其本地时钟。

在第一示例中，在t=t3时在第二祖时钟102上接收到来自第一祖时钟101的第一帧610。然后，在t=t7时由第二祖时钟102将对应的第二帧620传输到第二网桥112。然后，在t=t8时由第二网桥112将第二帧620传输到第一网桥111。然后，在t=t9时由第一网桥111将第二帧620传输到第三网桥113。对应的传输在图6中描绘。

同样地，可以在t=t8时由第二网桥112将第二帧620传输到第四网桥114。然后，在t=t9时由第四网桥114将第二帧620传输到第三网桥113。这未在图6中描绘。

在任何情况下，t=t9均是第一帧610的下一个规则传输预期在下一个“sync”区间中到达之前的时间。因此，时间同步在来自第二祖时钟102的更新的时间同步信息下更快地恢复。

在第二示例中，如图6中所描绘的那样，在第一“sync”区间tp1中，在第一祖时钟101中发生超时事件602。由此，在第二“sync”区间tp2中，发生超时dt2。超时是在第二“sync”区间tp2中在t=t1时传输帧610的时间与在稍后的时间t=t1'时实际发送帧610'之间的延迟。在t=t1时，帧610'由第一祖时钟101传输到第一网桥111。然后，在t=t2'时将帧610'从第一网桥111传输到第二网桥112和第三网桥113。然后，在t=t3'时将帧610'从第二网桥112传输到第二祖时钟102。对应的传输在图6中描绘。

这导致在第一“sync”区间tp1和第二“sync”区间tp2中来自第二祖时钟102的帧620的传输之间的延迟dt3。延迟dt3大于“sync”区间tp1。因此，在第二“sync”区间tp2中，时间t3'是比预期下一帧610的时间t3更晚的时间。

然而，第二祖时钟102适于在第一“sync”区间tp1中在t=t4时将第二帧620传输到第二网桥102。然后，在t=t5时由第二网络112将第二帧620传输到第一网桥111。然后，在t=t6时由第一网桥111将第二帧620传输到第三网桥113。对应的传输在图6中描绘。

在这种情况下，t=t6是在第二“sync”区间tp2中延迟帧610'被传输到第三网桥113之前的第二“sync”区间tp2中的时间。因此，时间同步在来自第二祖时钟102的更新的时间同步信息下更快地恢复。

在进一步增强时间同步的第三示例中，第二祖时钟102在传输第二帧620之前不等待来自第一祖时钟101的任何“sync”消息。该第三示例能够被应用于修改第一示例和第二示例的第二祖时钟102。

根据第三示例，第二祖时钟102更早地发送第二帧620，例如在由第一祖时钟101发送第一帧610的同时。然后，第二网桥112针对第一示例或第二示例所描述的那样更早地接收来自第二祖时钟102的第二帧620。

优选地，由第二祖时钟102发送第二帧620的时间被配置为由第一祖时钟101发送第一帧610的时间与第一帧610到达目标节点（例如，也是第三网桥113）处的预期时间之间的任何不同的时间。

Claims (12)

1.一种用于网络（100）中的时钟同步的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 由第一时钟主机（101）发送寻址于第二时钟主机（102）的用于使所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）的时钟同步的第一消息（201）；

- 由所述第二时钟主机（102）发送寻址于所述第一时钟主机（101）的用于使所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）的时钟同步的第二消息（202）；

- 由所述第一时钟主机（101）发送寻址于所述网络（100）中的至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的第三消息（203）；

- 由所述第二时钟主机（102）发送寻址于所述网络（100）中的所述至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的第四消息（204）；

其中，所述第三消息（203）和所述第四消息（204）包含用于使所述至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的时钟同步的同步时间信息；

其中，所述第一消息（201）和所述第二消息（202）被用于发送在相同时间点（t）分别由所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）指示的时钟正时值（C8M1（t））和（C8M2（t））；

其中，所述第一消息（201）和所述第二消息（202）仅在所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）之间交换，并且在任何给定的时间点（t），使用时钟正时值（C8M1（t））和（C8M2（t））的平均值（Cmiddle（t））。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别在第一预定时间（t1、t1'）和第二预定时间（t4、t4'）发送所述第三消息和所述第四消息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一预定时间（t1、t1'）和第二预定时间（t4、t4'）在相同的预定时间区间（tp1、tp2）内彼此独立。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一预定时间（t1、t1'）之后的第三时间（t3、t3'）在所述第二时钟主机（102）处接收所述第三消息（203），并且在所述第二时钟主机（102）处接收到所述第三消息（203）之后由所述第二时钟主机（102）在所述第二预定时间（t4、t4'）处发送所述第四消息（204）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第三消息被配置为使所述从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的时钟同步于所述第一时钟主机（101）。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四消息被配置为使所述从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的时钟同步于所述第二时钟主机（102）。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，以给定的传输频率发送所述第一消息、所述第二消息、所述第三消息和所述第四消息（201、202、203、204）。

8.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第一消息、所述第二消息、所述第三消息和所述第四消息（201、202、203、204）在以太网帧中传输。

9.一种用于网络（100）中的时钟同步的系统，其特征在于，所述系统包括：

- 第一时钟主机（101），其包括用于发送第一消息（201）的装置，所述第一消息（201）寻址于第二时钟主机（102）且用于使所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）的时钟同步，所述第一时钟主机（101）还包括用于发送第三消息（203）的装置，所述第三消息（203）寻址于所述网络（100）中的至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）；

- 第二时钟主机（102），其包括用于发送第二消息（202）的装置，所述第二消息（202）寻址于所述第一时钟主机（101）且用于使所述第一时钟主机（101）和所述第二时钟主机（102）的时钟同步，所述第二时钟主机（102）还包括用于发送第四消息（204）的装置，所述第四消息（204）寻址于所述网络（100）中的所述至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）；

其中，所述第三消息（203）和所述第四消息（204）包含用于使所述至少一个时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144）的时钟同步的同步时间信息。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于转发从所述第一时钟主机（101）或所述第二时钟主机（102）接收的消息（201、202、203、204）的网桥节点（111、112、113、114）。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述系统包括时钟从节点（111、112、113、114、141、142、143、144），其被配置成用于接收所述第三消息（203）或所述第四消息（204），并且被配置成用于根据所述同步时间信息使其内部时钟同步。

12.一种包括用于执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法的计算机可执行指令的计算机可读介质。

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