CN108429595B - 基于as6802标准的交换设备时钟同步装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置及方法，其装置包括接收先入先出队列FIFO模块，帧解析模块，接收侦听模块，固化模块，压缩模块，团检测模块，时钟模块和帧合成模块。方法包括：数据缓存，侦听到达时间以及帧解析，获取固化时间，获取压缩时间，检测团结，校准时钟，帧合成。本发明在以太网中存在某些时钟偏差大的交换设备情况下，解决了交换设备频繁失步的问题，提高了交换设备时钟同步的稳定性，同时在接收到以太网中未同步交换设备时间信息的情况下，解决了交换设备发生假同步的问题，提高了交换设备时钟同步的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及以太网技术领域中的一种基于美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of Automotive Engineers)标准的交换设备时钟同步装置及方法。本发明按照美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of AutomotiveEngineers)标准对交换设备进行时钟校准，用于以太网中交换设备的时钟同步，同时保障交换设备间的无冲突同步通信。
背景技术
随着系统日益庞大复杂，分布化程度越来越高，诸多领域对网络的实时性和确定性有了更高要求，时钟同步协议的研究与实现也越来越重要。在同步协议的发展史上主要有：网络时间协议NTP(Network Time Protocol)、简单网络时间协议SNTP(Simple NetworkTime Protocol)、精确时钟同步协议标准IEEE1588和美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of Automotive Engineers)标准。其中网络时间协议NTP采用纯软件实现，时钟同步精度低；简单网络时间协议SNTP实现简单、安装方便、成本较低且无需硬件支持，但只适用于同步精度要求不高的场合；精确时钟同步协议标准IEEE1588标准是以传输线路的对称性为前提进行的延时测量,如果系统规模庞大结构复杂，网络的对称性就会变差，同步精度就会降低，同时系统节点数量庞大会使网络延迟的计算量很大，对以太网交换设备运算和处理数据的要求很高；美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of AutomotiveEngineers)标准中采用“透明时钟+固化函数”相结合的方法，使得网络延迟时间的计算简单精确，同时网络延迟计算量受网络节点数目的影响很小。此外，美国机动车工程学会SAEAS6802(Society of Automotive Engineers)标准中定义的压缩函数及同步服务都是可容错的，即集群中出现有限数目的故障节点时，仍可以实现集群中节点间的时钟同步。
黄韬在其发表的论文“TTE时间同步协议关键算法研究和仿真分析”(中航工业西安航空计算技术研究所，2014.05)中公开了一种基于美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of Automotive Engineers)标准的时间同步方法。该方法实施步骤是：第一，当收到各个链路上的不同同步帧后，集中控制器CM对这些同步帧的接收时间点进行时序保持算法，消除各个链路传输时延不同引入的时延误差，以恢复同步帧的接收顺序与其发送顺序一致；第二，对这些同步帧所包含的时间信息进行集中处理，取得折中的时间点；第三，将得到的折中的时间点与集中控制器CM预设时间点计算差值，并根据计算出的差值，校准集中控制器CM的本地时钟，完成集中控制器CM的时钟同步。该方法存在的不足之处是，由于以太网中存在某些时钟偏差大的交换设备，而导致待同步交换设备频繁失步的问题，使该同步方法不能用于时间触发以太网的网络场景，同时，由于该同步方法中没有结团检测机制，使其无法保证同步网络的可靠性。
杭州华三通信技术有限公司在其申请的专利文献“时间同步装置、时间同步系统和时间同步方法”(申请号：200810085173.2，公开号：CN101547083A)中公开了一种时间同步装置、时间同步系统和时间同步方法。该时间同步装置设有一一对应的IEEE1588以太网端口；该时间同步装置通过其IEEE1588以太网端口与支持IEEE1588标准的以太网交互以太网帧；根据该高精度时间协议PTP类型以太网帧数据域内携带的时间信息以及该以太网帧的接收时间点，进行IEEE1588以太网端口与以太网的时间同步。其装置包括以太网帧收发模块、时间戳生成模块、复用模块、解复用模块、中央处理模块。所述以太网帧收发模块，用于该装置中以太网帧的接收和发送；所述时间戳生成模块，用于该装置中接收时间点的生成；所述复用模块，用于IEEE1588以太网端口与普通以太网端口数据的复用；所述解复用模块，用于IEEE1588以太网端口与普通以太网端口数据的解复用；所述中央处理模块，用于计算该装置接收到的以太网帧时间信息与本地时钟的差值，进而校准本地时钟；该装置存在的不足之处是，在以太网中交换设备时钟同步时，无法检测处于同步状态的交换设备数量，交换设备的时钟同步抗干扰能力不强。该方法实施步骤是第一，选定其IEEE1588以太网端口之一或者其本地同步端口之一为基准时间源；第二，根据IEEE1588以太网端口第一内部时钟或者本地同步端口所连接本地时间同步设备的内部时钟同步本地的第二内部时钟；第三，当第二内部时钟取得时间同步后，根据所述第二内部时钟同步其他IEEE1588以太网端口的第一内部时钟以及其他本地同步端口所连接本地时间同步设备的内部时钟，完成全网的时间同步。该方法存在的不足之处是，由于该方法采用的是IEEE1588标准，因此，该方法只能用于对称性传输链路中交换设备进行时间同步，不适用于传输链路不对称的以太网中交换设备的时钟同步，同时，该同步方法不能对时钟偏差大的交换设备传输过来的数据进行过滤处理，使该同步方法无法保证交换设备时钟同步的稳定性。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置及方法，通过固化处理，消除了传输链路不对称导致的时延误差，提高了传输的同步精度；通过引入一个全局时钟轴，减少了以太网中交换设备运算和处理数据的负荷；采用美国机动车工程学会SAE AS6802(Society of Automotive Engineers)标准中的容错机制，增加了以太网交换设备时钟同步的容错率，提高了以太网交换设备时钟同步的稳定度。
为了实现上述目的，本发明的思路是：可编程逻辑芯片FPGA实现一个多端口的时间触发以太网交换设备，该设备主要用于时间触发网络中设备的时间同步。对经过本设备各个端口的时间同步帧的接收时间点进行侦听，并对各个接收时间点进行固化处理，得到相应的固化时间点，然后对各个固化时间点，进行压缩处理，得到相应的压缩时间点，最后通过压缩时间点与本地预设的压缩时间点的差值，进行时间校准，完成当前设备的时间同步。
为了实现上述目的，本发明的装置包括接收先入先出队列FIFO模块，帧解析模块，接收侦听模块，固化模块，压缩模块，团检测模块，时钟模块，帧合成模块；所述接收先入先出队列FIFO模块输入端与外部输入相连；接收先入先出队列FIFO模块输出端与帧解析模块输入端和接收侦听模块输入端相连；帧解析模块输出端与固化模块输入端相连；接收侦听模块输出端与固化模块输入端相连；固化模块输出端与压缩模块输入端相连；压缩模块输出端与团检测模块输入端、时钟模块输入端和帧合成模块输入端相连；团检测模块输出端与时钟模块输入端相连；时钟模块输出端与帧合成模块输入端相连；帧合成模块输出端与外部输出相连。其中，
所述接收先入先出队列FIFO模块，用于将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中；
所述接收侦听模块，用于读出先入先出队列FIFO中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间；
所述帧解析模块，用于将读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据；
所述固化模块，用于通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延；用最大传输时延减去拆解后数据中的透明时钟，将差值作为固化时延；将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点；
所述压缩模块，用于开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数；用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值；将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点；
所述团检测模块，用于设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备数；判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则通知时钟模块进行时钟校准；否则，通知接收先入先出队列FIFO模块接收后续的数据；
所述时钟模块，用于用压缩模块得到的压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值，将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准；
所述帧合成模块，用于将同步后的数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
本发明的方法使用基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置，在实时性强的通信网络系统中对交换设备实现时钟同步，其具体步骤包括如下：
(1)数据缓存：
待同步交换设备将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中；
(2)侦听到达时间以及帧解析：
(2a)读出先入先出队列FIFO中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间；
(2b)将读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据；
(3)获取固化时间：
(3a)通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延；
(3b)用最大传输时延减去拆解后数据中的透明时钟，将差值作为固化时延；
(3c)将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点；
(4)获取压缩时间：
(4a)当交换设备时钟计数值等于第一个固化时间点时，开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数；
(4b)用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值；
(4c)将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点；
(5)检测结团：
(5a)设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备；
(5b)判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则执行步骤(6)，否则，同步失败，执行步骤(1)
(6)校准时钟：
(6a)待同步交换设备用压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值；
(6b)将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准；
(7)帧合成：
同步后的交换设备将同步后的数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明装置中的压缩处理模块，开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数，采集窗口的设定使待同步的交换设备只接收时钟偏差小的固化时间点，克服了现有技术由于以太网中存在某些时钟偏差大的交换设备，而导致待同步交换设备频繁失步的问题，使得本发明具有对以太网中时钟偏差大的交换设备过滤其对应固化时间点的优点。
第二，由于本发明装置中的结团检测模块，用于判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则通知时钟模块进行时钟校准；否则，通知接收先入先出队列FIFO模块接收后续的数据，具有对以太网中其他交换设备同步状态进行监测的功能，能够将以太网中同步交换设备的数量维持在特定阈值上，克服了现有技术在接收到以太网中未同步交换设备时间信息的情况下，待同步交换设备发生假同步的问题，使本发明具有提高以太网中交换设备时钟同步可靠性的优点；
第三，由于本发明的方法在侦听到达时间时，采用过一级入先入先出队列FIFO后侦听到达时间的方式，能够直接获取同步帧到达数据链路层的稳定时刻点，消除了上层协议栈的延时不确定性，克服了现有技术由于数据链路MAC层与物理PHY层之间存在跨时钟域，而导致在数据链路MAC层与物理PHY层之间侦听到达时间，引入时间误差的问题，使本发明具有获得更高精度到达时间的优点；
第四，由于本发明的方法通过获取固化时间点，消除了因每条传输链路延时不同，引入的时间误差，克服了现有技术只能在传输线路对称的前提下进行时钟同步的问题，使本发明具有不受传输链路时延限制的优点，可以应用于更复杂的网络结构中。
附图说明
图1为本发明装置的方框图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1装置方框图，对本发明装置做进一步的描述。
本发明装置接收先入先出队列FIFO模块1，帧解析模块2，接收侦听模块3，固化模块4，压缩模块5，团检测模块6，时钟模块7，帧合成模块8；所述接收先入先出队列FIFO模块1输入端与外部输入相连；接收先入先出队列FIFO模块1输出端与帧解析模块2输入端和接收侦听模块3输入端相连；帧解析模块2输出端与固化模块4输入端相连；接收侦听模块3输出端与固化模块4输入端相连；固化模块4输出端与压缩模块5输入端相连；压缩模块5输出端与团检测模块6输入端、时钟模块7输入端和帧合成模块8输入端相连；团检测模块6输出端与时钟模块7输入端相连；时钟模块7输出端与帧合成模块8输入端相连；帧合成模块8输出端与外部输出相连。其中，
所述接收先入先出队列FIFO模块1，用于将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中。
所述接收侦听模块2，用于读出先入先出队列FIFO中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间。
所述帧解析模块3，用于将读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据。
所述固化模块4，用于通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延；用最大传输时延减去拆解后数据中的透明时钟，将差值作为固化时延；将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点。
所述压缩模块5，用于开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数；用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值；将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点。
所述团检测模块6，用于设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备数；判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则通知时钟模块进行时钟校准；否则，通知接收先入先出队列FIFO模块接收后续的数据。
所述时钟模块7，用于用压缩模块得到的压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值，将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准。
所述帧合成模块8，用于将同步后的数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
参照附图2，对本发明的方法做进一步的描述。
使用基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置，在实时性强的通信网络系统中对交换设备实现时钟同步，其具体步骤包括如下：
步骤1，数据缓存。
接收入先入先出队列FIFO模块1将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中。
步骤2，侦听到达时间以及帧解析。
接收侦听模块2读出接收先入先出队列FIFO模块1中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间；
帧解析模块3对读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据。
所述以太网帧中的数据包括集成周期、成员数、同步优先级、同步域、帧类型、透明时钟参数。
步骤3，获取固化时间。
固化模块4通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延。
帧解析模块3将解析出来的透明时钟参数发送到固化模块4。
固化模块4用最大传输时延减去透明时钟，将差值作为固化时延。
接收侦听模块2将以太网帧首字节的到达时间发送到固化模块4。
固化模块4将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点。
所述透明时钟是指离线测量的待同步交换设备与以太网中其他交换设备的传输时延。
步骤4，获取压缩时间。
固化模块4将数据帧的固化时间点发送到压缩模块5。
当压缩模块5的时钟计数值等于第一个固化时间点时，开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，对每个固化时间点对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数。
压缩模块5用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值。
压缩模块5将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点。
所述特定长度的采集窗口的长度由以下方式取得：
第1步，判断采集窗口数为1时所采集的固化时间点数目是否小于2，若是，则执行第4步；否则，采集窗口数加1后执行第2步；
第2步，判断当前采集窗口数大于等于2时是否采集到固化时间点，若是，则执行第4步；否则，采集窗口数加1后执行第3步；
第3步，判断当前采集窗口数是否等于最大采集窗口数，若是，则执行第4步；否则，执行第2步；
第4步，将当前采集窗口数与交换设备的时间精度值相乘，将积作为采集窗口的特定长度。
步骤5，检测结团。
团检测模块6设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备数。
压缩模块5将整合后的成员数发送到团检测模块6。
团检测模块6判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则执行步骤6，否则，同步失败，执行步骤1。
步骤6，校准时钟。
压缩模块5将压缩时间点数发送到时钟模块6。
时钟模块7用压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值。
时钟模块7将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准。
步骤7，帧合成。
压缩模块5将数据信息发送到帧合成模块8。
在时钟模块7完成时钟校准后，帧合成模块8将数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
所述数据信息包括集成周期、整合后的成员数、同步优先级、同步域、帧类型、拆解后数据中的透明时钟。
Claims (6)
1.一种基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置，其特征在于，包括接收先入先出队列FIFO模块，帧解析模块，接收侦听模块，固化模块，压缩模块，团检测模块，时钟模块，帧合成模块；所述接收先入先出队列FIFO模块输入端与外部输入相连；接收先入先出队列FIFO模块输出端与帧解析模块输入端和接收侦听模块输入端相连；帧解析模块输出端与固化模块输入端相连；接收侦听模块输出端与固化模块输入端相连；固化模块输出端与压缩模块输入端相连；压缩模块输出端与团检测模块输入端、时钟模块输入端和帧合成模块输入端相连；团检测模块输出端与时钟模块输入端相连；时钟模块输出端与帧合成模块输入端相连；帧合成模块输出端与外部输出相连；其中，
所述接收先入先出队列FIFO模块，用于将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中；
所述接收侦听模块，用于读出先入先出队列FIFO中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间；
所述帧解析模块，用于将读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据；
所述固化模块，用于通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延；用最大传输时延减去拆解后数据中的透明时钟，将差值作为固化时延；将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点；
所述压缩模块，用于开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数；用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值；将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点；
所述团检测模块，用于设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备数；判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则通知时钟模块进行时钟校准；否则，通知接收先入先出队列FIFO模块接收后续的数据；
所述时钟模块，用于用压缩模块得到的压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值，将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准；
所述帧合成模块，用于将同步后的数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
2.一种基于AS6802标准的交换设备时钟同步方法，其特征在于，使用基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置，在实时性强的通信网络系统中对交换设备实现时钟同步，其具体步骤包括如下：
(1)数据缓存：
待同步交换设备将接收的以太网帧数据，缓存入先入先出队列FIFO中；
(2)侦听到达时间以及帧解析：
(2a)读出先入先出队列FIFO中的以太网帧数据，侦听所读出的以太网帧首字节的到达时间；
(2b)将读出的每一帧以太网帧数据进行拆帧，获取拆解后以太网帧中的数据；
(3)获取固化时间：
(3a)通过网线连接待同步交换设备与以太网中其他交换设备，测量各传输链路的时延，从中选出最大传输链路时延；
(3b)用最大传输时延减去拆解后数据中的透明时钟，将差值作为固化时延；
(3c)将固化时延与以太网帧首字节的到达时间相加，将和值作为数据的固化时间点；
(4)获取压缩时间：
(4a)当交换设备时钟计数值等于第一个固化时间点时，开启特定长度的采集窗口，采集窗口内的固化时间点，将每个固化时间对应的以太网帧数据成员数进行累加，得到一个整合后的成员数；
(4b)用后续采集到的固化时间点分别减去第一个固化时间点，将对应差值的中值数作为压缩修正值；
(4c)将第一固化时间点与压缩修正值相加，将和值作为压缩时间点；
(5)检测结团：
(5a)设置待同步交换设备的阈值，该阈值的大小等于以太网中的交换设备；
(5b)判断整合后的成员数是否大于等于阈值，若是，则执行步骤(6)，否则，同步失败，执行步骤(1)；
(6)校准时钟：
(6a)待同步交换设备用压缩时间点减去最大传输时延，得到时钟差值；
(6b)将待同步交换设备的时钟计数与时钟差值进行相加，完成时钟的校准；
(7)帧合成：
同步后的交换设备将同步后的数据信息，封装成以太网帧转发出去，作为以太网中其他交换设备时钟同步的参考数据。
3.根据权利要求2所述的基于AS6802标准的交换设备时钟同步方法，其特征在于，步骤(2b)中所述以太网帧中的数据包括集成周期、成员数、同步优先级、同步域、帧类型、透明时钟参数。
4.根据权利要求2所述的基于AS6802标准的交换设备时钟同步方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的拆解后数据中的透明时钟是指，离线测量的待同步交换设备与以太网中其他交换设备的传输时延。
5.根据权利要求2所述的基于AS6802标准的交换设备时钟同步方法，其特征在于，步骤(4a)中所述特定长度的采集窗口的长度是由下述步骤取得的：
第一步，判断采集窗口数为1时所采集的固化时间点数目是否小于2，若是，则执行第四步；否则，将采集窗口数加1后执行第二步；
第二步，判断当前采集窗口数大于等于2时是否采集到固化时间点，若是，则执行第四步；否则，将采集窗口数加1后执行第三步；
第三步，判断当前采集窗口数是否等于最大采集窗口数，若是，则执行第四步；否则，执行第二步；
第四步，将当前采集窗口数与交换设备的时间精度值相乘，将积作为采集窗口的特定长度。
6.根据权利要求2所述的基于AS6802标准的交换设备时钟同步方法，其特征在于，步骤(7)中所述同步后的数据信息包括集成周期、整合后的成员数、同步优先级、同步域、帧类型、拆解后数据中的透明时钟。
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