CN108833366A - 基于as6802协议的控制帧压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AS6802协议的控制帧压缩方法，主要解决现有技术压缩速度慢导致时间触发以太网与待同步设备不能同步的问题，其实现方案是：1)时间触发以太网系统端口接收同步协议控制PCF帧，并提取其端口号；2)解析同步协议控制PCF帧的数据域，对该PCF帧进行筛选，并将筛选后得到的PCF帧进行固化运算获取固化时间点；3)对固化时间点预整合得到固化完成信号到达时间点一致的成员向量；4)采集固化时间点并进行压缩运算，得到压缩时间点，并转发给各待同步设备。本发明通过对接收到的同步协议控制PCF帧的预整合，提高了压缩速率和系统时钟同步可靠性，可用于时间触发以太网系统与待同步设备间的时钟同步。

Description

基于AS6802协议的控制帧压缩方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种控制帧的压缩方法，可用于时间触发以太网系统与待同步设备间的时钟同步。

背景技术

随着分布式系统的快速发展，系统中网络设备之间数据交互的实时性、可靠性以及高安全性需求更加迫切，传统以太网技术已无法支持具备这些需求的应用业务。而时间触发以太网TTE兼容时间触发技术与传统以太网技术，成为最具发展潜力的实时网络技术。TTE既具有时间触发技术的高实时性和全面容错机制，又继承了普通以太网的灵活性、高带宽等特性，被广泛应用于航空航天、工业控制等具有高实时性、高安全性需求的领域。

AS6802时间同步协议作为时间触发以太网的核心，一方面为网络中的数据提供了一个全局时钟基准，保障了时间触发以太网的时间确定性，另一方面引入了时间容错机制，保障了时间触发以太网数据传输的可靠性和安全性。而同步协议控制帧PCF的压缩过程是AS6802协议中最为关键的一步，所以研究出高性能的压缩优化方法是时间触发以太网的关键问题，可以有效提高以太网系统的同步性能，具有很大的市场前景。

西安微电子研究所申请的专利“一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法”(申请号201710526478.1公开号CN107147465A)公开了一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法，包括用于还原同步协议控制帧发送顺序的固化模块、用于计算同步主机SM时钟偏差平均值的压缩模块和最优压缩点选择模块、用于校正本地时钟并生成新PCF帧的本地时钟模块、用于网络状态检测的团检测模块和用于协调各模块工作的状态机控制模块。该发明的压缩过程分为以下几个步骤，第一当收到固化模块任一固化点时，按照三级流水的方式启动压缩函数进行运算，第二计算时钟偏差值，得到三个压缩点，然后将压缩点信息进行转发；该发明的主要不足在于，由于以太网系统的端口数量比较多，到来的固化完成信号数目以及同步周期的不确定性，若直接对所有端口接收的PCF帧同时处理，需要耗费更多的时间进行判断与收集，降低了压缩过程的处理速度。

西安电子科技大学在其申请的专利“基于AS6802标准的交换设备时钟同步装置及方法”(申请号201810056411.0)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。该方法的压缩过程主要是通过对不同周期的同步协议控制帧并行的开启压缩函数，同时进行压缩运算，其主要不足是:在于多个同步协议控制帧到来时，需要同时开启多个压缩函数进行计算，消耗了大量系统资源，并且压缩函数不能被重复利用，无法保证所有同步协议控制帧都能被及时压缩，大大降低了时钟的同步精度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于AS6802协议的控制帧压缩方法，以提高同步协议控制帧的压缩速度，提高系统资源利用率。

实现本发明的具体思路是，在以太网系统中的固化时间点传入压缩过程之前增加预整合过程，通过对所有端口输出的PCF帧进行有限步分组整合，得到固化完成信号同时到达且处于相同同步周期的成员向量，将此向量进行压缩；通过顺序执行的方式调用四个压缩函数，计算出相应的压缩修正值，从而获得整个系统的全局时间基准，完成当前系统的时间同步，其实现方案包括如下：

(1)时间触发以太网系统的各个端口接收从网络中其他设备转发来的同步协议控制PCF帧；

(2)系统接收到不同端口转发的同步协议控制PCF帧后，提取所有同步协议控制PCF帧的端口号信息；

(3)解析同步协议控制PCF帧的数据域，得到同步优先级SP和同步域SD，并将同步优先级SP和同步域SD与本地的同步优先级SP_L和同步域SD_L进行比较：

若解析得到的同步优先级SP和同步域SD均与本地同步优先级SP_L和同步域SD_L相同，则执行(4)；

反之，丢弃该同步协议控制PCF帧，继续等待下一个同步协议控制PCF帧的到来；

(4)对同步协议控制PCF帧进行固化运算，获取固化时间点：

4a)用传输链路固有延迟减去同步协议控制PCF帧携带的透明时钟值，将其差值作为固化时延；

4b)用固化时延与同步协议控制PCF帧的接收时间点相加，将其和值作为同步协议控制PCF帧的固化时间点，并产生相应的固化完成信号pmd；

(5)对固化时间点预整合：

5a)采集各个同步协议控制PCF帧的固化时间点；

5b)根据(2)提取出的端口号进行分组，每组分配3个端口，将一个N端口的时间触发以太网系统分为组；

5c)对组内各端口固化完成信号到达时间点一致的同步协议控制PCF帧进行整合，得到一个成员向量，若组内的固化完成信号到达时间点不同时，则舍弃该同步协议控制PCF帧；

5d)将整合后的成员向量按5b)方式继续分组，再依照5c)继续整合，直至剩余1个分组；

5e)经过次整合，得到固化完成信号同时到达的成员向量，并产生一个有效脉冲gad；

(6)时间触发以太网系统在检测到有效脉冲后，对成员向量携带的固化时间点进行压缩运算：

6a)系统开启采集窗口对成员向量携带的固化时间点进行采集，若有效脉冲到达的时间间隔大于采集窗口的收集时间，则开启新的采集窗口对成员向量携带的固化时间点进行采集；

6b)将后续采集的固化时间点分别减去第一个采集的固化时间点作为系统的相对时间差值，把相对时间差值的中位数作为压缩修正值；

6c)把第一个固化时间点与压缩修正值相加，将其和值作为压缩时间点，压缩过程结束，并产生压缩完成标志cod；

(7)当系统检测到压缩完成标志后，同步协议控制PCF帧的压缩过程结束，再向系统中的各个设备转发压缩时间点。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)加快了压缩处理速度

由于本发明在固化时间点传入压缩过程之前增加了预整合部分，通过预先分组方式，完成同步协议控制PCF帧固化时间点的初步筛选，得到了一个固化完成信号同时到达的成员向量，节约了压缩过程中的筛选时间，克服了传统技术只在压缩过程中判断同步协议控制PCF帧固化完成信号的缺点，解决了传统采用轮询方式筛选固化时间点带来的高延时问题，减少了不同端口的PCF固化时间点在压缩过程中的堆积，提高了压缩处理速度。

2)提升了时钟的计算精度及同步效率

由于本发明的方法在压缩过程中可开启多个采集窗口采集成员向量的固化时间点，保证了所有固化时间点都能够无丢失的被采集；并通过压缩运算出多个系统相对时间差，选其中位数作为压缩修正值，降低了最终压缩时间点的误差，克服了现有技术中由于以太网系统中不同设备之间时钟偏差较大，压缩时间点忽大忽小而导致整个系统频繁失步且不易校正的问题，使得时钟计算精度及同步效率有了明显的提高。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中的对同步协议控制PCF帧的预整合子流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的实施例是通过一个12端口的时间触发以太网系统，对待同步设备发送的同步协议控制PCF帧进行压缩，最终获得压缩时间点，并向待同步设备转发压缩时间点。

参照图1，本发明对待同步设备发送的同步协议控制PCF帧进行压缩的实现步骤如下：

步骤1，系统接收同步协议控制PCF帧。

待同步设备向时间触发以太网系统发送同步请求，告知系统本设备准备向其发送同步协议控制PCF帧，当系统检测到同步协议控制PCF帧时，对该帧进行接收并缓存。

步骤2，记录同步协议控制PCF帧的端口号信息。

时间触发以太网系统接收到不同端口接收的同步协议控制PCF帧后，记录每一帧的端口号S，本实例中是12端口的时间触发以太网系统，故S的取值范围为[1,12]。

步骤3，解析同步协议控制PCF帧的数据域。

3a)启动字节偏移计数器cnt提取同步协议控制PCF帧数据域中的相应字段，该计数器以字节为单位且初始值为0，每个时钟周期增加1；

3b)根据字节偏移计数器cnt的计数值，确定同步协议控制PCF帧的同步优先级SP与同步域SD：

当字节偏移计数器cnt＝12时，将提取得到的数值作为同步优先级SP；

当字节偏移计数器cnt＝13时，将提取得到的数值作为同步域SD；

3c)将得到的同步优先级SP和同步域SD与本地的同步优先级SP_L和同步域SD_L进行比较：

若SP＝SP_L和SD＝SD_L两个条件同时成立，则执行步骤4；

反之，则丢弃该帧，继续等待下一个同步协议控制PCF帧的到来。

步骤4，对同步协议控制PCF帧进行固化运算，获取固化时间点。

4a)用传输链路固有延迟减去同步协议控制PCF帧携带的透明时钟值，将计算得到的差值作为固化时延；

4b)用固化时延与同步协议控制PCF帧的接收时间点相加，将计算得到的和值作为同步协议控制PCF帧的固化时间点，并产生相应的固化完成信号pmd；

所述传输链路固有延迟，是指时钟触发以太网系统与其他设备的传输过程中的最大时延。

所述产生的固化完成信号pmd，是指计算出固化时间点后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。

步骤5，固化时间点预整合。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

5a)当时间触发以太网系统检测到固化完成信号pmd由0变为1时，采集该固化完成信号对应同步协议控制PCF帧的固化时间点；

5b)根据步骤2提取出的端口号S，按照端口号由小到大的顺序进行分组，每组分配3个端口，若组内端口数少于3，仍将其视为一个有效分组；

5c)对组内各端口固化完成信号到达时间点一致的同步协议控制PCF帧进行整合，具体按照如下步骤进行：

5c1)启动字节偏移计数器cnt提取组内各个同步协议控制PCF帧的周期值，将字节偏移计数器cnt＝1时提取的数值作为同步协议控制PCF帧的周期值；

5c2)将接收的同步协议控制PCF帧，按其周期值从大到小的顺序进行排列；

5c3)选取周期值最大的同步协议控制PCF帧作为整合出的成员向量M_i，下标i的取值范围为[1,7]，并舍弃其余的同步协议控制PCF帧；

5d)将整合后的成员向量按5b)方式继续分组，再依照5c)继续整合，直至剩余1个分组；

5e)根据本实例采用的是一个12端口的时间触发以太网系统，重复5b)与5c)步骤共3次，就能得到固化完成信号同时到达的成员向量M₇，并产生一个有效脉冲gad，该有效脉冲gad，是指得到成员向量后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。

步骤6，对成员向量携带的固化时间点进行压缩运算。

6a)时间触发以太网系统开启采集窗口，对成员向量携带的固化时间点进行采集并记录，若有效脉冲gad到达的时间间隔大于采集窗口的收集时间，则开启新的采集窗口对成员向量携带的固化时间点进行采集；

6b)将后续采集的固化时间点分别减去第一个采集的固化时间点作为系统的相对时间差值，选取相对时间差值的中位数作为压缩修正值；

6c)把第一个固化时间点与压缩修正值相加，将其和值作为压缩时间点，压缩过程结束，并产生压缩完成标志cod。

所述采集窗口的收集时间是指时钟触发以太网系统的时间同步精度。

所述产生的压缩完成标志cod，是指计算出压缩时间点后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。

步骤7，结束压缩过程。

当时间触发以太网系统检测到压缩完成标志cod由0变为1时，同步协议控制PCF帧的压缩过程结束，并向系统中的各个设备转发压缩时间点。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.基于AS6802协议的控制帧压缩方法，其特征在于，包括如下：

(1)时间触发以太网系统的各个端口接收从网络中其他设备转发来的同步协议控制PCF帧；

(2)系统接收到不同端口转发的同步协议控制PCF帧后，提取所有同步协议控制PCF帧的端口号信息；

(3)解析同步协议控制PCF帧的数据域，得到同步优先级SP和同步域SD，并将同步优先级SP和同步域SD与本地的同步优先级SP_L和同步域SD_L进行比较：

若解析得到的同步优先级SP和同步域SD均与本地同步优先级SP_L和同步域SD_L相同，则执行(4)；

反之，丢弃该同步协议控制PCF帧，继续等待下一个同步协议控制PCF帧的到来。

(4)对同步协议控制PCF帧进行固化运算，获取固化时间点：

4a)用传输链路固有延迟减去同步协议控制PCF帧携带的透明时钟值，将其差值作为固化时延；

4b)用固化时延与同步协议控制PCF帧的接收时间点相加，将其和值作为同步协议控制PCF帧的固化时间点，并产生相应的固化完成信号pmd；

(5)对固化时间点预整合：

5a)采集各个同步协议控制PCF帧的固化时间点；

5b)根据(2)提取出的端口号进行分组，每组分配3个端口，将一个N端口的时间触发以太网系统分为组；

5c)对组内各端口固化完成信号到达时间点一致的同步协议控制PCF帧进行整合，得到一个成员向量，若组内的固化完成信号到达时间点不同时，则舍弃该同步协议控制PCF帧；

5d)将整合后的成员向量按5b)方式继续分组，再依照5c)继续整合，直至剩余1个分组；

5e)经过次整合，得到固化完成信号同时到达的成员向量，并产生一个有效脉冲gad；

(6)时间触发以太网系统在检测到有效脉冲后，对成员向量携带的固化时间点进行压缩运算：

6a)系统开启采集窗口对成员向量携带的固化时间点进行采集，若有效脉冲到达的时间间隔大于采集窗口的收集时间，则开启新的采集窗口对成员向量携带的固化时间点进行采集；

6b)将后续采集的固化时间点分别减去第一个采集的固化时间点作为系统的相对时间差值，把相对时间差值的中位数作为压缩修正值；

6c)把第一个固化时间点与压缩修正值相加，将其和值作为压缩时间点，压缩过程结束，并产生压缩完成标志cod；

(7)当系统检测到压缩完成标志后，同步协议控制PCF帧的压缩过程结束，再向系统中的各个设备转发压缩时间点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的传输链路固有时延，是指时钟触发以太网系统与其他设备的传输过程中的最大时延。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4b)中产生的固化完成信号pmd，是指计算出固化时间点后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5c)中对组内各端口固化完成信号到达时间点一致的同步协议控制PCF帧进行整合，按如下步骤进行：

5c1)提取组内各个同步协议控制PCF帧的周期值；

5c2)将提取的同步协议控制PCF帧，按其周期值从大到小的顺序进行排列；

5c3)选取周期值最大的同步协议控制PCF帧作为整合出的成员向量，并舍弃其余的同步协议控制PCF帧。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5e)中产生的有效脉冲gad，是指得到成员向量后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6a)所述的采集窗口收集时间，是指时钟触发以太网系统的时间同步精度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6b)所述的压缩修正值，是指系统相对时间差值的中位数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6c)中产生的压缩完成标志cod，是指计算出压缩时间点后，其初始值由0变为1，且只维持1个时钟周期的信号。