CN110492960A - 基于以太网的同步通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于以太网的同步通信方法，包含以下步骤：步骤1：主终端将一个时间周期划分为若干个时隙；步骤2：主终端统计以太网中的终端数量、每终端的通道数量以及通道需求；步骤3：主终端根据统计结果进行时隙分配，使每个时隙内只有一个终端的一个通道进行发送数据，并将每个终端的分配情况生成配置表分别加载到相应的终端；步骤4：主终端和从终端之间完成时间同步；步骤5：在每个时隙开始，终端通过查询配置表判断当前时隙是否是分配给自身进行数据发送的，如果是，则调用发送数据接口发送消息。本发明消除了以太网中终端之间相互通信过程中由于多个终端同时发送给同一个终端而造成的延时及抖动，从而提高了以太网的可靠性。

Description

基于以太网的同步通信方法

技术领域

本发明涉及商用以太网领域，具体是一种使以太网中各个终端节点互相之间进行同步通信的方法，用于解决网络通信中的延时及抖动问题。

背景技术

以太网是目前应用最广泛的网络之一，最初以太网是作为非实时通信网络出现的，采用总线型或者星型的拓扑结构，并使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)避免信道使用中的冲突问题，在算法上采用二进制指数回退算法处理冲突，当网络负载不大时几乎没有延迟，但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。随着技术的发展，全双工交换式以太网的出现大大增加了网络传输速度和传输可靠性，使以太网在商业方面有了很大的发展。在速率上，普通商用以太网从最初的10Mbit/s，100Mbit/s，到1000Mbit/s，10Gbit/s，再到2010年发布40Gbit/s和100Gbit/s标准。

虽然商用以太网的可靠性和速率一直在提升，但是商用以太网仍然不具备确定性的特点。在全双工交换式网络中，终端收发数据和交换机转发数据的过程仍然有可能发生冲突，造成网络延时及抖动。所以，开发一种基于以太网的同步通信方法解决网络通信中的延时及抖动问题显得尤为关键。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于以太网的同步通信方法，通过使每个终端的每个通道独占一个时隙，以消除以太网中终端之间相互通信过程中由于多个终端同时发送给同一个终端而造成的延时及抖动，从而提高了以太网的可靠性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现。

一种基于以太网的同步通信方法，包含以下步骤：

步骤1：将以太网中的终端分为主终端和从终端，主终端设定一个时间周期，将一个周期的时间划分为若干个时隙；

步骤2：统计以太网中的终端数量、每终端的通道数量以及通道需求；

步骤3：根据统计结果进行时隙分配，使每个时隙内只有一个终端的一个通道进行发送数据，实现所有终端的所有通道相互之间不冲突，并将每个终端的分配情况生成配置表分别加载到相应的终端；

步骤4：主终端和从终端之间完成时间同步；

步骤5：完成时钟同步之后，整个以太网可以进入正常收发阶段，每个终端按照时隙划分进行周期工作，在每个时隙开始，终端通过查询配置表判断当前时隙是否是分配给自身通道进行数据发送，如果是，则调用发送数据接口发送消息，如果没有，则进入等待状态。

为了保证每个通道的带宽，最大限度的使用时隙资源，步骤3中，主终端在进行时隙分配时会判断剩余时隙资源是否满足一个通道的需求，若不满足则时隙不会分配给这个通道，会分配给另一个时隙需求小于剩余时隙的通道。

为了不提高时间戳的处理难度，且有益于精确的时钟同步，步骤4中主终端和从终端通过以下步骤完成时间同步：

步骤A：主终端先发送SYNC报文到从终端，并记录发送SYNC报文的时间戳T1，再将T1填入FOLLOW UP报文发送给从终端；

步骤B：从终端接收SYNC报文，并记录接收到SYNC报文的时间戳T2；

步骤C：从终端发送DELAY REQUEST报文到主终端，并且记录发送DELAY REQUEST报文的时间戳T3；

步骤D：主终端记录接收到DELAY REQUEST报文的时间戳T4，并将T4填充在DELAYRESPONSE报文中发送给从终端。

步骤E：从终端根据T1、T2、T3、T4计算时间偏移offset以及传输延时delay,即

delay＝(t4-t3+t2-t1)/2

offset＝(t2-t1-t4+t3)/2

计算出时间偏移及传输延迟之后，从终端根据传输延迟和时间偏移完成自身的时钟调整，从而使整个网络达到时钟同步状态。

为了提高带宽利用率，步骤5中，当终端通过查询配置表判断出当前时隙是分配给自身进行数据发送时，查询时隙分配对应的通道中是否有数据在等待发送，若该通道中没有数据等待发送，则查询其他通道数据并进行发送。

附图说明

图1为时隙分配示意图。

图2为时钟同步过程示意图。

图3为数据发送过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

一种基于以太网的同步通信方法，包含以下步骤：

步骤1：将以太网中的终端分为主终端和从终端，主终端设定一个时间周期，将一个周期的时间划分为若干个时隙。

步骤2：统计以太网中的终端数量、每终端的通道数量以及通道需求。

假设网络中有三个设备，分别标记为设备A，设备B，设备C，三个设备之间通信的需求如表1所示：

表1

步骤3：根据统计结果进行时隙分配，使每个时隙内只有一个终端的一个通道进行发送数据，实现所有终端的所有通道相互之间不冲突，并将每个终端的分配情况生成配置表分别加载到相应的终端。

假设每个周期为100ms，每个时隙为1ms，则可根据每个通道所需的时隙为每个终端分配配置表如图1所示：

图中T0～T24代表25个时隙，每个时隙代表1ms的时间，100ms的周期应有100个时隙，本文中由于篇幅所限仅画出前25个时隙。由图可见，网络中T0时刻只有设备A有权限发送通道0的数据，设备B和设备C均处于空闲状态；T1时刻只有设备B的通道3有权限发送数据，设备A和设备C处于空闲状态。以此类推，将一个周期内的100个时隙按照每个通道带宽的需求为每个通道分配相应的时隙数量，保证在整体网络时隙配置中每个时隙内只有一个设备具有发送消息的权限。

在时隙分配过程中，为了保证每个通道的带宽，最大限度的使用时隙资源。如果时隙分配时剩余时隙资源不满足一个通道的需求时，这个通道将不会被分配时隙，该通道会在下一个周期再进行分配，剩余时隙会分配给另一个时隙需求小于剩余时隙的通道。

步骤4：主终端和从终端之间完成时间同步。如图2所示，时间同步可以通过以下步骤实现：

步骤A：主终端先发送SYNC报文到从终端，并记录发送SYNC报文的时间戳T1，再将T1填入FOLLOW UP报文发送给从终端；

步骤B：从终端接收SYNC报文，并记录接收到SYNC报文的时间戳T2；

步骤C：从终端发送DELAY REQUEST报文到主终端，并且记录发送DELAY REQUEST报文的时间戳T3；

步骤D：主终端记录接收到DELAY REQUEST报文的时间戳T4，并将T4填充在DELAYRESPONSE报文中发送给从终端。

步骤E：从终端根据T1、T2、T3、T4计算时间偏移offset以及传输延时delay,即

t2-t1＝offset+delay

t4-t3＝delay–offset

根据以上条件，可得，

delay＝(t4-t3+t2-t1)/2

offset＝(t2-t1-t4+t3)/2

计算出时间偏移及传输延迟之后，从终端根据传输延迟和时间偏移完成自身的时钟调整，从而使整个网络达到时钟同步状态。

在时间同步过程中，由于需要由从时钟调整自身的时钟偏差，故时钟的延迟量和偏移量需要在从时钟端计算。从以上同步过程中可以看出，从时钟可以得到T2,T3,T4的精确值，T1的精确值若直接根据SYNC报文得到，则需要时间戳的记录处理有很高的精度；故在主时钟发送完SYNC报文后继续发送FOLLOW UP报文包含T1时间，将T1的值传递给从时钟，这对于时间戳的处理要求不高，更有益于精确的时钟同步。

步骤5：完成时钟同步之后，整个以太网可以进入正常收发阶段，每个终端按照时隙划分进行周期工作，在每个时隙开始，终端通过查询配置表判断当前时隙是否是分配给自身通道进行数据发送，如果是，则调用发送数据接口发送消息，如果没有，则进入等待状态。

为了提高带宽利用率，当终端通过查询配置表判断出当前时隙是分配给自身进行数据发送时，查询时隙分配对应的通道中是否有数据在等待发送，若该通道中没有数据等待发送，则查询其他通道数据并进行发送。每个时隙内的发送流程如图3所示。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于以太网的同步通信方法，包含以下步骤：

步骤1：将以太网中的终端分为主终端和从终端，主终端设定一个时间周期，将一个时间周期划分为若干个时隙；

步骤2：主终端统计以太网中的终端数量、每终端的通道数量以及通道需求；

步骤3：主终端根据统计结果进行时隙分配，使每个时隙内只有一个终端的一个通道进行发送数据，并将每个终端的分配情况生成配置表分别加载到相应的终端；

步骤4：主终端和从终端之间完成时间同步；

步骤5：每个终端按照时隙划分进行周期工作，在每个时隙开始，终端通过查询配置表判断当前时隙是否是分配给自身进行数据发送的，如果是，则调用发送数据接口发送消息，如果没有，则进入等待状态。

2.根据权利要求1所述一种基于以太网的同步通信方法，其特征在于所述步骤3中，主终端在进行时隙分配时会判断剩余时隙资源是否满足一个通道的需求，若不满足则时隙不会分配给这个通道，会分配给另一个时隙需求小于剩余时隙的通道。

3.根据权利要求1所述一种基于以太网的同步通信方法，其特征在于所述步骤4中主终端和从终端通过以下步骤完成时间同步：

步骤A：主终端先发送SYNC报文到从终端，并记录发送SYNC报文的时间戳T1，再将T1填入FOLLOW UP报文发送给从终端；

步骤B：从终端接收SYNC报文，并记录接收到SYNC报文的时间戳T2；

步骤C：从终端发送DELAY REQUEST报文到主终端，并且记录发送DELAY REQUEST报文的时间戳T3；

步骤D：主终端记录接收到DELAY REQUEST报文的时间戳T4，并将T4填充在DELAYRESPONSE报文中发送给从终端。

步骤E：从终端根据T1、T2、T3、T4计算时间偏移offset以及传输延时delay,即

delay＝(t4-t3+t2-t1)/2

offset＝(t2-t1-t4+t3)/2

计算出时间偏移及传输延迟之后，从终端根据传输延迟和时间偏移完成自身的时钟调整，从而使整个网络达到时钟同步状态。

4.根据权利要求1所述一种基于以太网的同步通信方法，其特征在于所述步骤5中，当终端通过查询配置表判断出当前时隙是分配给自身进行数据发送时，查询时隙分配对应的通道中是否有数据在等待发送，若该通道中没有数据等待发送，则查询其他通道数据并进行发送。