CN108809464A - 一种有线交换式以太网的时钟同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有线交换式以太网的时钟同步方法，采用一种基于简易同步协议帧传输的设计理念，为交换式以太网提供了较高精度的时钟同步。该设计方法丰富了用户对于航空电子系统的机载总线的时钟同步设计选型的方法，该方法保证了时钟同步的高精度需求，降低了时钟同步信息对通信带宽占用量，为交换式以太网的时间触发通信提供全局时钟；同时该专利的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。

Description

一种有线交换式以太网的时钟同步方法
技术领域
本发明属于航空电子系统中机载总线的时钟同步技术领域，特别涉及时间触发通信架构下基于有线传输的交换式网络的时钟同步的设计方法。
背景技术
随着机载信息量、综合化程度不断提升，安全关键和任务关键性的分布式通信应用要求不断提高，极大地推动了航空机载网络技术的发展。
传统以太网由于其自身开放性，无法保证严格的时间特性，无法满足目前航空机载网络的高实时需求。AFDX作为一种确定性的飞机数据网络总线，它在以太网基础上引入流量控制机制，通过有限带宽的虚链路技术和BAG定时调度机制，改善了以太网的确定性和实时性。但对于AFDX的确定性而言，只有一个可算的端到端的数据传输时延上界值，无法满足一些苛刻的时间关键性的通信应用的需求。
时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)是一种在交换式网络互连环境下的时间触发通信网络，适用于分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统中。TTE通过建立微秒级精度的时钟同步，在全网同步下提供无竞争的时间触发信息，保证了DIMA系统的安全关键性任务的严格的实时性和确定性。SAE AS6802作为国际上发布的一种高精度、具备故障容忍功能的时钟同步协议，其专门应用于时间触发以太网中。该协议采用了复杂的同步状态机，需要专用的网络离线配置工具为时钟同步计算大量的时间配置参数，同时同步过程中需要通过状态机控制实现冷启动过程中两次回环通信，并完成固化计算、压缩计算，总体而言，该同步方法复杂性太高，不适用于高可靠、低复杂的时间触发网络的时钟同步设计；IEEE1588时钟同步协议作为一种应用于分布式测量和控制系统的时钟同步协议，曾被引入到交换式以太网系统中为其提供高精度的时钟同步，该同步机制需要专用的硬件支撑增加了系统成本，同时该机制完成一次同步需要在主从时钟设备之间进行四个同步信息帧传输，占用较大的有效通信带宽。
本专利创新性地设计了一种通过同步协议帧的传输实现基于有线传输的交换式以太网的时钟同步方法，相对于SAE AS6802和IEEE1588等传统的交换式以太网的时钟同步机制而言，该方法在节约了时钟同步带宽消耗、减低实现的复杂度的基础上，保证了网络系统高精度的时间同步，为基于有线传输的交换式以太网的时间触发通信提供了全局时钟，较好的适用于航空电子系统的不同安全关键性和安全性相关的分布式通信应用。该设计方法可以移植到其它类型的基于有线传输的交换式网络系统中实现高精度时钟同步，为该种网络系统的时间触发通信提供全局时钟，如航空领域的FC、AFDX等网络。
发明内容
发明目的
SAE AS6802协议定义交换式以太网的时间同步标准，但该同步方法复杂性太高，极大地增加了时间触发网络系统的开发难度。IEEE1588时钟同步机制在主从时钟设备之间完成一次同步需要四个同步信息帧传输，占用较大的有效通信带宽。本发明通过深入研究交换式以太网架构和通信特性，在保证较高的同步精度基础上，提出了基于有线传输的交换式以太网的时钟同步的设计方法。该设计方法进行周期性的时钟同步维护，只需要发送一次同步协议帧，大大提高了同步的效率，降低了时钟同步设计的复杂度。
技术方案
本发明提供了一种有线交换式以太网的时钟同步方法，所述有线交换式以太网采用同步协议帧传输，该同步协议帧携带主时钟的发送时戳和高精度的时延信息，从主时钟设备向从时钟设备传输同步协议帧，将主时钟的时间信息和传输链路时延信息传递给从时钟设备，实现主从时钟之间的偏差纠正到达主从时钟同步的功能，为交换式以太网的数据传输提供时间触发的全局时钟基准。
该技术涉及的几个核心时间参数：1、Tm为主时钟派送SPF的本地时钟计时时刻点；2、Ts为从时钟设备接收SPF第一个bit位计时时刻点；3、Delay为SPF从主时钟派送时刻点到从时钟接收时刻点在链路上的传输时延；4、Offset代表主从时钟间的偏差。该设计基本计算方式如下：
Ts＝Tm+Offset+Delay；
Offset＝Ts–Tm–Delay。
对于从设备而言Ts为本地时钟值，Tm和Delay携带在接收的SPF中，Offst计算可得，用于纠正本地的同步时钟。从时钟纠正准则：
1、Offset为零，代表主从时钟无偏差，无需纠正；
2、Offset为正，代表从时钟快于主时钟，从设备本地时钟计时往后倒退Offset；
3、Offset为负，代表从时钟慢于主时钟，从设备本地时钟计时往前推进Offset。
附图说明
图1种基于有线传输的交换式以太网的时钟同步的结构示意图；
图2以太网通信设备两种同步计时器示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种有线交换式以太网的时钟同步方法，所述有线交换式以太网采用同步协议帧传输，该同步协议帧携带主时钟的发送时戳和高精度的时延信息，从主时钟设备向从时钟设备传输同步协议帧，将主时钟的时间信息和传输链路时延信息传递给从时钟设备，实现主从时钟之间的偏差纠正到达主从时钟同步的功能，为交换式以太网的数据传输提供时间触发的全局时钟基准。
该技术涉及的几个核心时间参数：1、Tm为主时钟派送SPF的本地时钟计时时刻点；2、Ts为从时钟设备接收SPF第一个bit位计时时刻点；3、Delay为SPF从主时钟派送时刻点到从时钟接收时刻点在链路上的传输时延；4、Offset代表主从时钟间的偏差。该设计基本计算方式如下：
Ts＝Tm+Offset+Delay；
Offset＝Ts–Tm–Delay。
对于从设备而言Ts为本地时钟值，Tm和Delay携带在接收的SPF中，Offst计算可得，用于纠正本地的同步时钟。从时钟纠正准则：
4、Offset为零，代表主从时钟无偏差，无需纠正；
5、Offset为正，代表从时钟快于主时钟，从设备本地时钟计时往后倒退Offset；
6、Offset为负，代表从时钟慢于主时钟，从设备本地时钟计时往前推进Offset。
如上图所示，本同步算法设计不仅完成以太网设备的本地时钟同步，还完成网络通信的簇周期计时时钟的同步，同步算法的计算方式同上。网络设备通过主时钟算法确定自身为主时钟，设定本设备的通信簇周期的同步零时刻点并进行周期计时，同时发送SPF(synchronization protocol frame：SPF)完成网络通信设备的簇周期计时校对。对于簇周期计时同步校对而言，Tm参数为0，同时从设备的簇周期计时时刻点设置为Delay时刻点开始计时。根据用户需求的同步精度设置网络同步周期，每个周期完成一次主从时钟的同步校对。在本设计论述的时钟同步方法中，网络选择主时钟算法不作为创新点，但选用的主时钟算法必须保障在网络同步过程中只存在有效且唯一的主时钟。
本发明的同步协议帧定义：协议帧选择以太网最小的帧长度减少带宽消耗，其中MAC_DST、MAC_SRC为标准以太网中实现源到目的通信的寻址参数；TYPE为以太网帧的类型/长度复用字段，为了不与其他已定义类型和长度信息重叠，定义为0x5a5a；Intergratecycle代表网络通信簇周期与同步周期的比值；Transparent Clock字段为主从时钟传输时延子段，精确地记录SPF在主从设备间的传输时延；Local Timer为主时钟本地时钟的计时值字段，为主时钟发送SPF的计时时刻点；剩余字段为保留字段，用于将来扩展使用。
SPF的传输时延记录需要高精度的记录SPF通过主设备到从设备之间的各设备的时延，包括SPF在主节点派送时刻到帧发送到物理链路的时刻延迟和经过交换机交换转发处理延迟等。在同步过程中，从设备接收到主时钟的同步协议帧，记录当前接收时刻点Ts，提取同步协议帧中携带的主时钟信息，并且在提取协议帧的传输时延参数的时刻点记录当前时钟值为current_pit，计算处理时延的补偿值为current_pit–Ts，该补偿值作为从时钟的处理时延与SPF携带的时延参数求和，即为系统的主从时延参数Delay。

Claims (1)

1.一种有线交换式以太网的时钟同步方法，所述有线交换式以太网采用同步协议帧传输，该同步协议帧携带主时钟的发送时戳和高精度的时延信息，从主时钟设备向从时钟设备传输同步协议帧，将主时钟的时间信息和传输链路时延信息传递给从时钟设备，实现主从时钟之间的偏差纠正到达主从时钟同步的功能，为交换式以太网的数据传输提供时间触发的全局时钟基准。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112073229A (zh) * 2020-08-27 2020-12-11 中国航空无线电电子研究所 与标准TTE网络系统直通的uTTE网络系统

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CN101257442B (zh) * 2008-04-03 2010-05-12 中国人民解放军国防科学技术大学 基于时间压力的时间确定性数据交换方法
CN101330342B (zh) * 2008-07-30 2011-11-30 中兴通讯股份有限公司 一种用端口镜像实现时间同步协议的方法及其装置

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