CN110460548A - 基于多平面的时间触发以太网交换机及调度分组交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多平面的时间触发以太网交换机及调度分组交换方法，涉及时间触发以太网交换机领域；其交换机配置为SC模式时，包括以太网帧分类模块、时间同步模块、PCF帧交换平面、TT帧交换平面、ET帧交换平面和以太网帧调度模块；以太网帧分类模块将接收的以太网帧分为TT帧、PCF帧和ET帧后，分别送入对应的交换平面和时间同步模块；各类帧的交换平面分别完成各自的交换逻辑，再输出帧到以太网帧调度模块；以太网帧调度模块对送入的TT帧、PCF帧和ET帧做统一调度发送；本发明新增PCF帧交换平面、优化TT帧调度逻辑，进一步提高时间触发TT业务的确定性与实时性，提高了网络的扩展性和灵活性，减少了TT帧的转发延时和抖动。

Description

基于多平面的时间触发以太网交换机及调度分组交换方法

技术领域

本发明涉及时间触发以太网交换机领域，尤其是基于多平面的时间触发以太网交换机及调度分组交换方法。

背景技术

近年来，分布式网络被广泛应用到工业系统中，系统中各个设备间通过特定的网络进行通信，这要求网络在实时性、低延时、高带宽、强容错、无冲突等方面有很好的性能。传统以太网因为其高带宽、高灵活性和低成本等特别也被列入考虑范围。而时间触发以太网的提出，不仅继承了传统以太网的上述优点，也弥补了传统以太网的一些缺点，在实时性、低延时、强容错和无冲突方面有着很好的性能，被在国外被广泛应用到各类工业系统中。

时间触发以太网交换机是整个时间触发以太网系统中实现数据交互的核心。现有技术中专利号：CN201810509357.0、专利名称：基于双平面的时间触发以太网交换机及分组交换方法提供了一种基于双平面的时间触发以太网交换机及分组交换方法，其交换机包括：输入分流模块、时钟同步器、时间触发TT交换平面、事件触发ET交换平面和输出仲裁模块。输入分流模块分别与时钟同步器、TT交换平面、ET交换平面连接，以分别完成交换机时钟同步、转发TT业务帧与ET业务帧；TT交换平面和ET交换平面均与输出仲裁模块连接，以选择优先发送的业务帧，完成数据发送。该交换机的存在以下问题：交换机缓存了一整个TT帧后才会调度发送，增大了交换机TT帧的转发时延；没有协议控制帧PCF帧的交换逻辑，交换机作为协议控制帧PCF帧的中继设备SC时需要完成对PCF帧的交换转发，只能实现交换机与节点卡端口到端口间的PCF帧交互；PCF帧的发送对于TT帧的调度是透明的，造成TT帧传输时延的抖动。因此，需要一种交换机及分组交换方法可以克服以上问题。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了基于多平面的时间触发以太网交换机及调度分组交换方法，解决现有交换机存在TT帧时延大、时延抖动的问题，实现TT帧最高优先级调度，减少了TT帧的转发延时和抖动。

本发明采用的技术方案如下：

基于多平面的时间触发以太网交换机，交换机配置为SC模式和CM模式时，均包括以太网帧分类模块、时间同步模块、TT帧交换平面、ET帧交换平面和以太网帧调度模块，交换机配置为SC模式时，还包括PCF帧交换平面，其中，

以太网帧分类模块，用于将交换机端口接收的以太网帧分为PCF帧、TT帧和ET帧后，将TT帧发送至TT帧交换平面；将ET帧发送至ET帧交换平面；交换机被配置为SC模式时，将PCF帧送往PCF帧交换平面和时间同步模块；交换机被配置为CM模式时，将PCF帧发送至时间同步模块；

时间同步模块，用于接收以太网帧分类模块发送的PCF帧修正本地时钟，并为TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；交换机被配置为CM模式时，并生成PCF帧，将PCF帧和当前时刻计时器值发送至以太网帧调度模块；

PCF帧交换平面，用于交换机被配置为SC模式时，接收以太网帧分类模块发送的PCF帧，将其转发到对应端口，再将PCF帧和存储的计时器值发送至以太网帧调度模块；

TT帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的TT帧，根据TT帧接收调度表进行过滤交换后，将TT帧发送至以太网帧调度模块；

ET帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的ET帧，将其转发到对应端口，再将ET帧发送至以太网帧调度模块；

以太网帧调度模块，用于各个端口根据TT帧发送调度表和统计的ET帧的帧长信息接收TT帧、PCF帧和ET帧，获取对应的本地时间和FIFO的状态后统一调度发送以太网帧；其中，

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧，发送的同时根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段，所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

优选地，所述PCF帧交换平面包括

可配置全互连逻辑模块，用于实现入端口和出端口的全互连交换逻辑和配置入端口和出端口任意的连接方式；

n个PCF帧计时逻辑模块，用于其选择模块读取计时FIFO中PCF帧描述符信息，根据PCF帧描述符信息按照端口顺序依次读取对应入端口数据缓存FIFO中的PCF帧，并把该PCF帧和PCF帧描述符信息中的计时器值发送至出端口。

优选地，所述以太网帧调度模块包括

ET帧帧长统计逻辑模块，用于计算当前时刻正在存入ET帧数据FIFO的ET帧的帧长，统计完成后将值存入ET帧描述符FIFO；

ET帧描述符FIFO，用于存储ET帧帧长；

ET帧数据FIFO，用于存储ET帧；

PCF帧描述符FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧描述符信息；

PCF帧数据FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧；

TT帧数据FIFO，用于存储TT帧；

调度发送逻辑模块，用于调度发送TT帧、PCF帧和ET帧。

一种基于上述交换机的调度分组交换方法，包括如下步骤：

步骤1：交换机各个端口的以太网帧分类模块将接收到的以太网帧分类为PCF帧、TT帧和ET帧后，将TT帧送往TT帧交换平面；将ET帧送往ET帧交换平面；交换机被配置为SC模式时，将PCF帧送往PCF帧交换平面和时间同步模块；交换机被配置为CM模式时，将PCF帧送往时间同步模块；

步骤2：时间同步模块接收PCF帧修正本地时钟，为TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；交换机被配置为CM模式时，并生成PCF帧，将PCF帧和当前时刻计时器值发送至以太网帧调度模块；

步骤3：TT帧交换平面根据配置的TT帧接收调度表过滤交换TT帧，将TT帧发送至以太网帧调度模块；ET帧交换平面根据内部交换逻辑交换ET帧，将ET帧发送至以太网帧调度模块；交换机被配置为SC模式时，PCF帧交换平面根据配置的交换路径交换PCF帧，将PCF帧和存储的计时器值发送至以太网帧调度模块；

步骤4：各个端口的以太网帧调度模块根据TT帧发送调度表和统计的ET帧的帧长信息接收TT帧、PCF帧和ET帧，获取对应的本地时间和FIFO的状态后统一调度发送以太网帧，其中，

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧，发送的同时会根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段，所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

优选地，所述步骤1分类步骤细节如下：

以太网帧分类模块接收以太网帧，获取以太网帧中的帧类型字段即TYPE字段，根据TYPE字段分类为PCF帧、TT帧和ET帧，其中，

TYPE字段值为“0x891d”，则该以太网帧为PCF帧；

TYPE字段值为“0x88d7”，则该以太网帧为TT帧；

TYPE字段值不为“0x891d”和“0x88d7”。

优选地，所述步骤3中PCF帧交换平面根据配置的交换路径交换PCF帧，将PCF帧发送至以太网帧调度模块包括如下步骤：

步骤a1：PCF帧交换平面将各个入端口接收到的PCF帧按照配置的交换路径将PCF帧送到出端口的对应的PCF帧缓存FIFO中，记录PCF帧进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值，并将该计时器值和PCF帧缓存FIFO标志存入出端口的计时缓存FIFO中；

步骤a2：PCF帧交换平面的各个出端口读取计时缓存FIFO中的数据，再根据数据中的PCF帧缓存FIFO标志读取对应的PCF帧缓存FIFO中的PCF帧，然后将该PCF帧和PCF帧进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值输出到对应端口的以太网帧调度模块。

优选地，所述步骤3中TT帧交换平面根据配置的TT帧接收调度表过滤交换TT帧，将TT帧发送至以太网帧调度模块包括如下步骤：

步骤b1：TT帧交换平面的各个入端口根据配置的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤，剔除掉不在接收窗口内或在窗口内但TT帧识别标志VLID不符合的TT帧；

步骤b2：TT帧交换平面的各个入端口根据TT帧接收调度表中的目的端口号D_port将满足条件的TT帧送至对应端口的以太网帧调度模块。

优选地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：各个端口的以太网帧调度模块接收PCF帧、TT帧、ET帧，并分别处理三类帧通道中的数据，其中，

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧帧头进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO；

TT帧通道将接收到的TT帧存入TT帧数据FIFO；

ET帧通道将接收到的ET帧存入ET帧数据FIFO，同时统计ET帧的帧长，并将ET帧帧长存入ET帧描述符FIFO；

步骤4.2：各个端口的以太网调度模块根据本地时间和各个FIFO的状态调度发送以太网帧：

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧；发送的同时根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

优选地，交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤a2中所述PCF帧缓存FIFO标志为多bit标志位，每个bit标志所述出端口的一个PCF帧缓存FIFO；交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤b1)中的VLID设置在以太网帧的目的MAC地址字段中；

交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤3和步骤4中所述调度表，其表项包括：表项地址Address、起始时刻点Pit、终止时刻点End_pit、TT帧识别标志VLID、源端口号S_port、目的端口号D_port、帧长值Length和保留字段Reserve。

优选地，交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤4.2中所述PCF帧保护带长度为固定长度，取值为PCF帧长度和最小帧间隔之和；所述ET帧保护带长度不固定，取值为对应ET帧的帧长、一个或多个PCF帧保护带的长度和最小帧间隔之和。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提出了PCF帧交换平面，可以将交换机配置成同步客户SC模式，作为PCF帧的中继设备来实现对PCF帧的转发，连接网络中的其他时间触发以太网设备，理论上可以实现以太网中的任何拓扑结构，极大地增加了网络的扩展性和灵活性；

2.本发明将PCF帧可能对TT帧造成的延时考虑在内，TT帧发送时刻为确定的调度发送时刻，设置保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，PCF帧中透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时，用以太网帧调度模块完成对PCF帧、TT帧和ET帧的统一调度发送，保证了PCF帧传输时延和透明时钟字段符合的同时，进一步提高了TT帧调度发送的确定性；现有技术中，TT帧传输时间的抖动值要考虑到PCF帧的帧长等信息，抖动最小为84Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为672ns，本发明中TT帧的抖动最小为6Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为48ns；

3.本发明TT帧发送时刻为确定的调度发送时刻，增设的PCF帧发送在保护带外，避免PCF帧发送导致TT帧的延时；同时PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧帧头缓存FIFO的时间分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO，不会等TT帧整个存入缓存中再读取出来，而是在帧进入缓存的过程中就将帧取出来，这样的转发方式在TT帧传输经过的每一条链路上都会进行，这极大地提高了了TT帧的转发速度，提高了TT帧的实时性，现有技术中，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中，TT帧经过交换机的理论最小延时为760ns，而在本发明中最小延时为184ns，延时降低了约75％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明装置被配置为SC模式时的结构图；

图2为本发明装置被配置为CM模式时的结构图；

图3为本发明装置中的PCF帧交换平面示意图；

图4为本发明装置中的TT帧交换平面示意图；

图5为本发明装置中的以太网帧调度模块示意图；

图6为本发明装置中的以太网帧调度模块帧发送的流程图；

图7为本发明装置中所用的发送调度表和接收调度表的表项示意图；

图8为现有技术可以构成的网络结构图；

图9为本发明加入SC设备后可以构成的网络结构图；

图10为本发明四端口PCF帧描述符信息示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

为解决现有交换机存在的问题：交换机缓存了一整个TT帧后才会调度发送，增大了交换机TT帧的转发时延；没有协议控制帧PCF帧的交换逻辑，交换机作为协议控制帧PCF帧的中继设备SC时需要完成对PCF帧的交换转发，只能实现交换机与节点卡端口到端口间的PCF帧交互，交换机无转发PCF帧功能；PCF帧的发送对于TT帧的调度是透明的，造成TT帧传输时延的抖动；本实施例提出一种交换机，克服以上问题，细节如下：

专业词汇解释：FIFO-先入先出队列；PCF帧-协议控制帧；TT帧-时间触发帧；ET帧-普通以太网帧；CM模式-压缩主模式；SC模式-同步客户模式。

本实例是一个4端口时间触发以太网交换机，完成对TT帧、PCF帧、ET帧三类以太网帧的调度转发，包括以下模块：

基于多平面的时间触发以太网交换机，交换机配置为SC模式时，包括N个以太网帧分类模块、1个时间同步模块、1个TT帧交换平面、1个PCF帧交换平面、1个ET帧交换平面和N个以太网帧调度模块；其中，N为交换机端口数，取值为大于1的正整数，N个以太网帧分类模块分别与TT帧交换平面、ET帧交换平面、PCF帧交换平面连接，TT帧交换平面、ET帧交换平面、PCF帧交换平面分别与N个以太网帧调度模块连接；

交换机配置为SC模式时，包括N个以太网帧分类模块、1个时间同步模块、1个TT帧交换平面、1个ET帧交换平面和N个以太网帧调度模块，N个以太网帧分类模块分别与TT帧交换平面、ET帧交换平面连接，TT帧交换平面、ET帧交换平面分别与N个以太网帧调度模块连接。

以太网帧分类模块，用于将交换机端口接收的以太网帧分为PCF帧、TT帧和ET帧后，将TT帧发送至TT帧交换平面；将ET帧发送至ET帧交换平面；交换机被配置为SC模式时，将PCF帧送往PCF帧交换平面和时间同步模块；交换机被配置为CM模式时，将PCF帧发送至时间同步模块；

时间同步模块，用于接收以太网帧分类模块发送的PCF帧修正本地时钟，并为TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；交换机被配置为CM模式时，并生成PCF帧，将PCF帧和当前时刻计时器值发送至以太网帧调度模块；

PCF帧交换平面，用于交换机被配置为SC模式时，接收以太网帧分类模块发送的PCF帧，将其转发到对应端口，再将PCF帧和存储的计时器值发送至以太网帧调度模块；

TT帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的TT帧，根据TT帧接收调度表进行过滤交换后，将TT帧发送至以太网帧调度模块；

ET帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的ET帧，将其转发到对应端口，再将ET帧发送至以太网帧调度模块；

以太网帧调度模块，用于各个端口根据TT帧发送调度表和统计的ET帧的帧长信息接收TT帧、PCF帧和ET帧，获取对应的本地时间和FIFO的状态后统一调度发送以太网帧；其中，

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧，发送的同时根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段，所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

所述计时器为交换机内部计时器，延时值计算在SC模式时，为以太网帧调度模块发送PCF帧时刻计时器值与PCF帧交换平面上PCF帧存入PCF帧缓存FIFO时的计时器值；CM模式时，为以太网帧调度模块发送PCF帧时刻计时器值与时间同步模块上PCF帧发送时的计时器值。

所述PCF帧交换平面包括可配置全互连逻辑模块和n个PCF帧计时逻辑模块，如图3所示；

其中，可配置全互连逻辑模块用于实现入端口和出端口的全互连交换逻辑，并配置任意的连接方式，例如入端口1接出端口2，入端口2接出端口1、3、4，入端口3接出端口2，入端口4接出端口2。

其中，n个PCF帧计时逻辑模块对应n个出端口，包括计时FIFO(FIFO_i)、入端口数据缓存FIFO(FIFO_i_j)和选择模块；入端口数据缓存FIFO用来存储对应入端口发送的PCF帧数据；计时FIFO用来存储PCF帧描述符信息，描述符信息包括入端口指示位和时间值，当前时刻入端口有帧要存入数据缓存FIFO时，入端口指示位就对应有帧的端口，时间值对应当前时刻值；选择模块会先读取PCF帧描述符信息，根据描述符信息按照端口顺序挨个读取对应入端口数据缓存FIFO中的PCF帧，并把该PCF帧和时间值一块送往出端口。

如图5所示，所述以太网帧调度模块包括

ET帧帧长统计逻辑模块，用于计算当前时刻正在存入ET帧数据FIFO的ET帧的帧长，统计完成后将值存入ET帧描述符FIFO；

ET帧描述符FIFO，用于存储ET帧帧长；

ET帧数据FIFO，用于存储ET帧；

PCF帧描述符FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧描述符信息；

PCF帧数据FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧；

TT帧数据FIFO，用于存储TT帧；

调度发送逻辑模块，用于调度发送TT帧、PCF帧和ET帧。

本申请增设PCF帧交换平面、时间同步模块，优化以太网帧调度模块，实现统一调度发送以太网帧；将交换机配置成同步客户SC模式，作为PCF帧的中继设备来实现对PCF帧的转发，连接网络中的其他时间触发以太网设备，理论上可以实现以太网中的任何拓扑结构，如图9所示，极大地增加了网络的扩展性和灵活性。

将PCF帧可能对TT帧造成的延时考虑在内，TT帧发送时刻为确定的调度发送时刻，设置保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，用以太网帧调度模块完成对PCF帧、TT帧和ET帧的统一调度发送，保证了PCF帧传输时延和透明时钟字段符合的同时，进一步提高了TT帧调度发送的确定性；现有技术中，TT帧传输时间的抖动值要考虑到PCF帧的帧长等信息，抖动最小为84Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为672ns，本发明中TT帧的抖动最小为6Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为48ns；计时器是整个交换机内部的一个计时逻辑，计时器值会用在：PCF帧交换平面、时间同步模块和以太网帧调度模块；PCF帧中透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时，所述延时根据PCF帧描述符FIFO中记录的时间信息和计时器记录时间的差值获取。

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧帧头缓存FIFO时间分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO，不会等TT帧整个存入缓存中再读取出来，而是在帧进入缓存的过程中就将帧取出来，这样的转发方式在TT帧传输经过的每一条链路上都会进行，这极大地提高了了TT帧的转发速度，提高了TT帧的实时性，现有技术中，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中，TT帧经过交换机的理论最小延时为760ns，而在本发明中最小延时为184ns，延时降低了约75％。综上，本申请比起现有技术，大大降低了TT帧的时延和传输时延的抖动。

实施例2

本实施例基于实施例1的交换机，细化交换机调度和分组交换方法，细节如下：

如图1所示，本发明交换机被配置为SC模式时，内部使能的模块包括：以太网帧分类模块、时间同步模块、PCF帧交换平面、TT帧交换平面、ET帧交换平面和以太网帧调度模块，实现步骤如下：

1)交换机各个端口的以太网帧分类模块根据接收到的以太网帧的帧类型字段TYPE字段将接收到的以太网帧分为三类以太网帧，并将其分别送到对应模块：

1a)以太网帧从端口进入时，识别以太网帧的TYPE字段，根据其值的不同，将执行不同步骤：

若值为“0x891d”，则该以太网帧为PCF帧，将其同时送到时间同步模块和PCF帧交换平面，并行执行步骤2)和步骤3)；

若值为“0x88d7”，则该以太网帧为TT帧，将其送到TT帧交换平面，执行步骤4)；

若值不为“0x891d”和“0x88d7”，则该以太网帧为ET帧，将其送到ET帧交换平面，执行步骤5)；

2)时间同步模块对接收到的PCF帧做处理，用来修正本地时钟，时间同步模块会一直向交换机的TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；

3)PCF帧交换平面根据配置好的交换路径交换PCF帧：

3a)PCF帧交换平面会将各个入端口接收到的PCF帧按照配置好的交换路径将PCF帧发送到出端口的对应的PCF帧缓存FIFO中，记录PCF帧进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值，并将该计时器值和PCF帧缓存FIFO标志存入出端口的计时缓存FIFO中；

3b)PCF帧交换平面的各个出端口先读取计时缓存FIFO中的数据，再根据数据中的PCF帧缓存FIFO标志读取对应的PCF帧缓存FIFO中的PCF帧，然后将该PCF帧和其PCF帧缓存FIFO时间输出到对应端口的以太网帧调度模块，执行步骤6)；

4)TT帧交换平面根据配置好的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤交换：

4a)TT帧交换平面的各个入端口根据配置好的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤，剔除掉不在接收窗口内或在窗口内但是TT帧识别标志VLID不符合的TT帧；

4b)TT帧交换平面的各个入端口根据TT帧接收调度表中的目的端口号D_port将满足条件的TT帧送到对应端口的以太网帧调度模块，执行步骤6)；

5)ET帧交换平面将接收到的ET帧按照普通交换机的内部交换逻辑完成ET帧的交换，将出端口的ET帧送到对应端口的以太网帧调度模块，执行步骤6)；

6)以太网帧调度模块根据配置好的TT帧发送调度表对接收到的TT帧、ET帧、PCF帧进行发送：

6a)各个端口的以太网帧调度模块对从PCF帧、TT帧、ET帧三类通道接收到的数据分别处理：

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧存FIFO时间分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO；

TT帧通道将接收到的TT帧存入TT帧数据FIFO；

ET帧通道将接收到的ET帧存入ET帧数据FIFO，存入ET帧数据FIFO的同时会统计ET帧的帧长，当前ET帧存完后将统计的ET帧帧长存入ET帧描述符FIFO；

6b)各个端口的以太网调度模块根据本地时间和各个FIFO的状态来调度发送以太网帧：

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则将TT帧发送出去；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则将PCF帧发送出去，发送的同时会根据以太网帧调度模块发送PCF帧时刻计时器值与PCF帧交换平面上PCF帧存入PCF帧缓存FIFO时的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段；所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则将ET帧发送出去。

如图2所示，本发明交换机被配置为CM模式时，内部使能的模块包括：以太网帧分类模块、时间同步模块、TT帧交换平面、ET帧交换平面和以太网帧调度模块，实现步骤如下：

1)交换机各个端口的以太网帧分类模块根据接收到的以太网帧的帧类型字段TYPE字段将接收到的以太网帧分为三类以太网帧，并将其分别送到对应模块：

1a)以太网帧从端口进入时，识别以太网帧的TYPE字段，根据其值的不同，将执行不同步骤：

若值为“0x891d”，则该以太网帧为PCF帧，将其同时送到时间同步模块，执行步骤2)；

若值为“0x88d7”，则该以太网帧为TT帧，将其送到TT帧交换平面，执行步骤3)；

若值不为“0x891d”和“0x88d7”，则该以太网帧为ET帧，将其送到ET帧交换平面，执行步骤4)；

2)时间同步模块对接收到的PCF帧做处理，用来修正本地时钟，时间同步模块会一直向交换机的各个模块提供本地时间，时间同步模块还会生成PCF帧，将PCF帧和生成PCF帧时的计时器值输出到所有端口的以太网帧调度模块，执行步骤5)；

3)TT帧交换平面根据配置好的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤交换：

3a)TT帧交换平面的各个入端口根据配置好的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤，剔除掉不在接收窗口内或在窗口内但是TT帧识别标志VLID不符合的TT帧；

3b)TT帧交换平面的各个入端口根据TT帧接收调度表中的目的端口号D_port将满足条件的TT帧送到对应端口的以太网帧调度模块，执行步骤5)；

4)ET帧交换平面将接收到的ET帧按照普通交换机的内部交换逻辑完成ET帧的交换，将出端口的ET帧送到对应端口的以太网帧调度模块，执行步骤5)；

5)以太网帧调度模块根据配置好的TT帧发送调度表对接收到的TT帧、ET帧、PCF帧进行发送：

5a)各个端口的以太网帧调度模块对从PCF帧、TT帧、ET帧三类通道接收到的数据分别处理：

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧缓存FIFO时间分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO；

TT帧通道将接收到的TT帧存入TT帧数据FIFO；

ET帧通道将接收到的ET帧存入ET帧数据FIFO，存入ET帧数据FIFO的同时会统计ET帧的帧长，当前ET帧存完后将统计的ET帧帧长存入ET帧描述符FIFO；

5b)各个端口的以太网调度模块根据本地时间和各个FIFO的状态来调度发送以太网帧：

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则将TT帧发送出去；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则将PCF帧发送出去，发送的同时会根据以太网帧调度模块发送PCF帧时刻计时器值与时间同步模块上PCF帧发送时的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段；所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则将ET帧发送出去。

其中，交换机被配置为SC模式时，步骤3)中所述PCF帧缓存FIFO标志，是一个多bit标志位，每个bit分别标志步骤3)中所述出端口的多个PCF帧缓存FIFO中的一个，如图10所示。

其中，交换机被配置为SC模式时，步骤4a)中的VLID是用来区分TT帧的标志，因为TT帧的交换过程中不会用到目的MAC地址，所以将VLID放入以太网帧的目的MAC地址字段中。

其中，交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤4)和步骤6)中所述调度表，其中表项包含：表项地址Address、起始时刻点Pit、终止时刻点End_pit、TT帧识别标志VLID、源端口号S_port、目的端口号D_port、帧长值Length、保留字段Reserve，如图7所示。

其中，交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤6b)中所述PCF帧描述符FIFO用于缓存PCF帧帧头存入PCF帧数据FIFO的时间，所述ET帧描述符FIFO用于缓存ET帧的帧长值。

其中，交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤6b)中所述保护带，是一个时间区间，本地时间在该区间内时不允许某些帧的发送，PCF帧保护带长度固定，为PCF帧长度加最小帧间隔；ET帧保护带长度不固定，为对应ET帧的帧长加最小帧间隔。ET帧保护带也可以适当再加长一个或多个PCF帧保护带的长度，降低PCF帧在缓存中等待的最长时间。

其中，TT帧接收调度表和TT帧发送调度表都由上层软件生成和配置，分别被配置到TT帧交换平面和以太网帧调度模块。以太网帧调度模块帧发送的流程图如图6所示。

增设PCF帧交换平面、时间同步模块，优化以太网帧调度模块，实现统一调度发送以太网帧；将交换机配置成同步客户SC模式，作为PCF帧的中继设备来实现对PCF帧的转发，连接网络中的其他时间触发以太网设备，理论上可以实现以太网中的任何拓扑结构，如图9所示(图中SM表示终端的节点卡，SC和CM表示交换机)，极大地增加了网络的扩展性和灵活性。

将PCF帧可能对TT帧造成的延时考虑在内，TT帧发送时刻为确定的调度发送时刻，设置保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，用以太网帧调度模块完成对PCF帧、TT帧和ET帧的统一调度发送，保证了PCF帧传输时延和透明时钟字段符合的同时，进一步提高了TT帧调度发送的确定性；现有技术中，TT帧传输时间的抖动值要考虑到PCF帧的帧长等信息，抖动最小为84Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为672ns，本发明中TT帧的抖动最小为6Byte，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中为48ns；计时器是整个交换机内部的一个计时逻辑，计时器值会用在：PCF帧交换平面、时间同步模块和以太网帧调度模块；PCF帧中透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时，所述延时根据PCF帧描述符FIFO中记录的时间信息和计时器记录时间的差值获取。

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧帧头缓存FIFO时间分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO，不会等TT帧整个存入缓存中再读取出来，而是在帧进入缓存的过程中就将帧取出来，这样的转发方式在TT帧传输经过的每一条链路上都会进行，这极大地提高了了TT帧的转发速度，提高了TT帧的实时性，现有技术中，在时钟频率为125Mhz的千兆以太网中，TT帧经过交换机的理论最小延时为760ns，而在本发明中最小延时为184ns，延时降低了约75％。综上，本申请比起现有技术，大大降低了TT帧的时延和传输时延的抖动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于多平面的时间触发以太网交换机，其特征在于：交换机配置为SC模式和CM模式时，均包括以太网帧分类模块、时间同步模块、TT帧交换平面、ET帧交换平面和以太网帧调度模块，交换机配置为SC模式时，还包括PCF帧交换平面，其中，

以太网帧分类模块，用于将交换机端口接收的以太网帧分为PCF帧、TT帧和ET帧后，将TT帧发送至TT帧交换平面；将ET帧发送至ET帧交换平面；交换机被配置为SC模式时，将PCF帧送往PCF帧交换平面和时间同步模块；交换机被配置为CM模式时，将PCF帧发送至时间同步模块；

时间同步模块，用于接收以太网帧分类模块发送的PCF帧修正本地时钟，并为TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；交换机被配置为CM模式时，并生成PCF帧，将PCF帧和当前时刻计时器值发送至以太网帧调度模块；

PCF帧交换平面，用于交换机被配置为SC模式时，接收以太网帧分类模块发送的PCF帧，将其转发到对应端口，再将PCF帧和存储的计时器值发送至以太网帧调度模块；

TT帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的TT帧，根据TT帧接收调度表进行过滤交换后，将TT帧发送至以太网帧调度模块；

ET帧交换平面，用于接收以太网帧分类模块发送的ET帧，将其转发到对应端口，再将ET帧发送至以太网帧调度模块；

以太网帧调度模块，用于各个端口根据TT帧发送调度表和统计的ET帧的帧长信息接收TT帧、PCF帧和ET帧，获取对应的本地时间和FIFO的状态后统一调度发送以太网帧；其中，

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧，发送的同时根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段，所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

2.根据权利要求1所述的基于多平面的时间触发以太网交换机，其特征在于：所述PCF帧交换平面包括

可配置全互连逻辑模块，用于实现入端口和出端口的全互连交换逻辑和配置入端口和出端口任意的连接方式；

n个PCF帧计时逻辑模块，用于其选择模块读取计时FIFO中PCF帧描述符信息，根据PCF帧描述符信息按照端口顺序依次读取对应入端口数据缓存FIFO中的PCF帧，并把该PCF帧和PCF帧描述符信息中的计时器值发送至出端口。

3.根据权利要求1所述的基于多平面的时间触发以太网交换机，其特征在于：

所述以太网帧调度模块包括

ET帧帧长统计逻辑模块，用于计算当前时刻正在存入ET帧数据FIFO的ET帧的帧长，统计完成后将值存入ET帧描述符FIFO；

ET帧描述符FIFO，用于存储ET帧帧长；

ET帧数据FIFO，用于存储ET帧；

PCF帧描述符FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧描述符信息；

PCF帧数据FIFO，用于存储从入端口进入的PCF帧；

TT帧数据FIFO，用于存储TT帧；

调度发送逻辑模块，用于调度发送TT帧、PCF帧和ET帧。

4.一种基于权利要求1所述交换机的调度分组交换方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：交换机各个端口的以太网帧分类模块将接收到的以太网帧分类为PCF帧、TT帧和ET帧后，将TT帧送往TT帧交换平面；将ET帧送往ET帧交换平面；交换机被配置为SC模式时，将PCF帧送往PCF帧交换平面和时间同步模块；交换机被配置为CM模式时，将PCF帧送往时间同步模块；

步骤2：时间同步模块接收PCF帧修正本地时钟，为TT帧交换平面和以太网帧调度模块提供本地时间；交换机被配置为CM模式时，并生成PCF帧，将PCF帧和当前时刻计时器值发送至以太网帧调度模块；

步骤3：TT帧交换平面根据配置的TT帧接收调度表过滤交换TT帧，将TT帧发送至以太网帧调度模块；ET帧交换平面根据内部交换逻辑交换ET帧，将ET帧发送至以太网帧调度模块；交换机被配置为SC模式时，PCF帧交换平面根据配置的交换路径交换PCF帧，将PCF帧和存储的计时器值发送至以太网帧调度模块；

步骤4：各个端口的以太网帧调度模块根据TT帧发送调度表和统计的ET帧的帧长信息接收TT帧、PCF帧和ET帧，获取对应的本地时间和FIFO的状态后统一调度发送以太网帧，其中，

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧，发送的同时会根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值来修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段，所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

5.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：所述步骤1分类步骤细节如下：

以太网帧分类模块接收以太网帧，获取以太网帧中的帧类型字段即TYPE字段，根据TYPE字段分类为PCF帧、TT帧和ET帧，其中，

TYPE字段值为“0x891d”，则该以太网帧为PCF帧；

TYPE字段值为“0x88d7”，则该以太网帧为TT帧；

TYPE字段值不为“0x891d”和“0x88d7”。

6.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：所述步骤3中PCF帧交换平面根据配置的交换路径交换PCF帧，将PCF帧发送至以太网帧调度模块包括如下步骤：

步骤a1：PCF帧交换平面将各个入端口接收到的PCF帧按照配置的交换路径将PCF帧送到出端口的对应的PCF帧缓存FIFO中，记录PCF帧进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值，并将该计时器值和PCF帧缓存FIFO标志存入出端口的计时缓存FIFO中；

步骤a2：PCF帧交换平面的各个出端口读取计时缓存FIFO中的数据，再根据数据中的PCF帧缓存FIFO标志读取对应的PCF帧缓存FIFO中的PCF帧，然后将该PCF帧和PCF帧进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值输出到对应端口的以太网帧调度模块。

7.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：所述步骤3中TT帧交换平面根据配置的TT帧接收调度表过滤交换TT帧，将TT帧发送至以太网帧调度模块包括如下步骤：

步骤b1：TT帧交换平面的各个入端口根据配置的TT帧接收调度表对接收到的TT帧进行过滤，剔除掉不在接收窗口内或在窗口内但TT帧识别标志VLID不符合的TT帧；

步骤b2：TT帧交换平面的各个入端口根据TT帧接收调度表中的目的端口号D_port将满足条件的TT帧送至对应端口的以太网帧调度模块。

8.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：各个端口的以太网帧调度模块接收PCF帧、TT帧、ET帧，并分别处理三类帧通道中的数据，其中，

PCF帧通道将接收到的PCF帧和其PCF帧帧头进入该PCF帧缓存FIFO的当前时刻的计时器值分别存入PCF帧数据FIFO和PCF帧描述符FIFO；

TT帧通道将接收到的TT帧存入TT帧数据FIFO；

ET帧通道将接收到的ET帧存入ET帧数据FIFO，同时统计ET帧的帧长，并将ET帧帧长存入ET帧描述符FIFO；

步骤4.2：各个端口的以太网调度模块根据本地时间和各个FIFO的状态调度发送以太网帧：

若本地时间等于调度发送时刻点且TT帧数据FIFO中有数据，则发送TT帧；

若本地时间不在PCF帧保护带内且PCF帧数据FIFO中有数据，则发送PCF帧；发送的同时根据发送PCF帧时刻计时器值与接收的计时器值的差值修改PCF帧中的透明时钟字段和CRC字段；

若本地时间不在ET帧保护带内且ET帧数据FIFO中有数据，则发送ET帧；

所述保护带为本地时间在该区间内不允许发送帧的时间区间，所述透明时钟字段记录PCF帧在网络中传输所经历的延时。

9.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤a2中所述PCF帧缓存FIFO标志为多bit标志位，每个bit标志所述出端口的一个PCF帧缓存FIFO；交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤b1)中的VLID设置在以太网帧的目的MAC地址字段中；

交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤3和步骤4中所述调度表，其表项包括：表项地址Address、起始时刻点Pit、终止时刻点End_pit、TT帧识别标志VLID、源端口号S_port、目的端口号D_port、帧长值Length和保留字段Reserve。

10.根据权利要求4所述的调度分组交换方法，其特征在于：交换机被配置为同步客户SC模式时，步骤4.2中所述PCF帧保护带长度为固定长度，取值为PCF帧长度和最小帧间隔之和；所述ET帧保护带长度不固定，取值为对应ET帧的帧长、一个或多个PCF帧保护带的长度和最小帧间隔之和。