CN113014515A - 一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机 - Google Patents

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CN113014515A CN201911314470.4A CN201911314470A CN113014515A CN 113014515 A CN113014515 A CN 113014515A CN 201911314470 A CN201911314470 A CN 201911314470A CN 113014515 A CN113014515 A CN 113014515A
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Abstract

本发明涉及网络通信系统，具体地说是一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机。包括：网络接口单元、时间戳记录单元、报文类型判断单元、时间戳提取单元、时延补偿计算单元、修正域修改单元和报文处理单元。通过本发明交换机，实现PTP设备的无线通信链路的时延补偿，进而实现有线网络和无线网络等异构网络的高精度时间同步。

Description

一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机
技术领域
本发明涉及工业网络通信领域，具体地说是一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机。
背景技术
随着工业自动化系统规模和复杂度的增加，越来越多的工业设备需要接入到工业网络中。工业网络采用的通信技术可以分为有线通信和无线通信。无线通信技术，包括WIA-PA、ISA 100.11a、WirelessHART等，已经在过程控制和监测系统中获得广泛应用。有线通信技术，如现场总线、工业以太网，已经在工业机器人运动控制领域被长期采用。然而，采用不同通信技术的网络分别适用于特定的生产线，而且网络之间互不相连，且各项技术已经占据了各自的市场份额，短期之内不会被相互替代。可是，为了实现工业4.0，迫切需要网络之间的融合，即构建异构的工业网络。
高精度时间同步对于工业设备的数据传输和协同操作非常重要。一方面，精准的时序操作对于工业机器人之间协作十分关键，可以有效提高产品质量和生产效率。比如，在汽车生产线上的焊接操作中，同步对称焊接可以有效地减小车身形变。另一方面，工业网络，包括无线网络、现场总线、工业以太网和时间敏感网络等，通常采用基于时分的机制来减少数据包的传输等待时间以确保数据传输的实时性。然而，时钟偏移会导致设备之间通信时隙的紊乱或重叠，进而造成数据包冲突、丢失和数据传输的高时延。
目前，大量的时间同步机制，如RBS、TPSN、FTSP等，被广泛使用，但这些时间同步机制都是本网同步。如有线以太网采用的IEEE 1588同步协议，其同步精度可达次微秒级，已满足大部分工厂应用需求；IEEE 802.11无线网络所提供的Time SynchronizationFunction(TSF)是在应用层实现同步，精度很低，虽然驱动层的同步机制已经实现，但其精度也只达到毫秒级。而且由于通信技术的差异，且缺乏统一的基础设施、信息交换端口和机制、同步信息格式，异构网络的同步精度、可靠性往往更低。针对现存的问题，本发明涉及支持有线-无线混合通信的异构网络时间同步的交换机，可支持网络节点的域内同步和跨域同步，实现了无线传感器网络与骨干网的异构网络高精度时间同步。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，实现PTP设备的无线通信链路的时延补偿，进而实现高精度的时间同步。
本发明采用如下技术方案：一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，包括：
网络接口单元，用于接收和发送网络数据包；
时间戳记录单元，用于网络数据包到达时，记录报文时间；
报文类型判断单元，用于判断接收或者发送报文的类型；
时间戳提取单元，用于将同步报文Sync或时延请求报文Delay_Req报文当前时间戳提取出来，发送到时延补偿计算模块，用于时延补偿计算；否则，释放当前时间戳；
时延补偿计算单元，用于链路非对称性修正的计算；
修正域修改单元，用于对Follow_Up报文和Delay_Resp报文修正域进行修改，即将计算的与二者报文ID一致的同步报文Sync和时延请求报文Delay_Req的链路时延累加到Follow_Up和Delay_Resp报文的修正域中。
所述网络接口单元包括网络接口1和网络接口2，所述网络接口1和网络接口2为两种异构类型的网络接口。
所述报文类型包括PTP报文和非PTP普通报文；其中PTP报文包括同步报文Sync、时延请求报文Delay_Req、跟随报文Follow_Up、时延应答报文Delay_Resp。
所述通信时延补偿计算单元，包括：
转发时延补偿计算单元，用于计算转发时延补偿；
通信时延补偿计算单元，用于计算通信时延补偿。
所述转发时延补偿计算单元，执行以下步骤：
节点i记录接收和发送同步报文Sync的时间，即
Figure BDA0002325459900000031
与
Figure BDA0002325459900000032
记录接收和发送时延请求报文Delay_Req的时间，即
Figure BDA0002325459900000033
与
Figure BDA0002325459900000034
通过下式实现转发时延的补偿
Figure BDA0002325459900000035
Figure BDA0002325459900000036
对于同步报文Sync而言，
Figure BDA0002325459900000037
与
Figure BDA0002325459900000038
分别为
Figure BDA0002325459900000039
与
Figure BDA00023254599000000310
对于时延请求报文Delay_Req而言，
Figure BDA00023254599000000311
与
Figure BDA00023254599000000312
分别为
Figure BDA00023254599000000313
与
Figure BDA00023254599000000314
其中，
Figure BDA00023254599000000315
Figure BDA00023254599000000316
为第k个Sync报文离开节点i-1的时间，
Figure BDA00023254599000000317
为第k个Sync报文到达节点i的时间，
Figure BDA00023254599000000318
和
Figure BDA00023254599000000319
分别为
Figure BDA00023254599000000320
和
Figure BDA00023254599000000321
的均值，k＝1,2,…,N，N为报文个数。
所述通信时延补偿计算单元，执行以下步骤：
透传时钟i记录接收和发送同步报文Sync的时间，即
Figure BDA00023254599000000322
与
Figure BDA00023254599000000323
记录接收和发送时延请求报文Delay_Req的时间，即
Figure BDA00023254599000000324
与
Figure BDA00023254599000000325
同步报文Sync修正后的通信时延如下：
Figure BDA00023254599000000326
请求报文Delay_Req修正后的通信时延如下：
Figure BDA00023254599000000327
对于同步报文Sync而言，
Figure BDA00023254599000000328
与
Figure BDA00023254599000000329
分别为
Figure BDA00023254599000000330
与
Figure BDA00023254599000000331
对于时延请求报文Delay_Req而言，
Figure BDA00023254599000000332
与
Figure BDA00023254599000000333
分别为
Figure BDA00023254599000000334
与
Figure BDA00023254599000000335
其中，上游时钟和本地时钟之间的时钟误差
Figure BDA00023254599000000336
如下：
Figure BDA00023254599000000337
Figure BDA00023254599000000338
Figure BDA00023254599000000339
为第k个Sync报文离开节点i-1的时间，
Figure BDA00023254599000000340
为第k个Sync报文到达节点i的时间，
Figure BDA00023254599000000341
和
Figure BDA00023254599000000342
分别为
Figure BDA00023254599000000343
和
Figure BDA00023254599000000344
的均值，k＝1,2,…,N，N为报文个数；
Figure BDA0002325459900000041
Tmode为对应队列调度方式的调度等待时间，
Figure BDA0002325459900000042
为发送队列中的等待时延，DatainQ表示排队的数据量大小，Bandwidth为队列发送带宽。
所述网络接口单元还包括接口1队列监管模块和接口2队列监管模块；
接口1队列监管模块，为网络接口1发送队列的监测和管理单元，用于进行网络接口1中各队列的调度，记录信息包括用于PTP报文发送的队列中排队的数据量大小、队列发送带宽；并将所述记录信息发送到时延补偿计算单元，用于时延补偿的计算；
接口2队列监管模块，为网络接口2发送队列的监测和管理单元，用于进行网络接口2中各队列的调度，并记录信息包括用于PTP报文发送的队列中排队的数据量大小、队列发送带宽；并将所述记录信息发送到时延补偿计算单元，用于时延补偿的计算。
一种支持异构网络时间同步时延补偿方法，包括以下步骤：
网络数据包到达时，时间戳记录单元记录报文时间；
报文类型判断单元判断接收或者发送报文的类型；
时间戳提取单元将同步报文Sync或时延请求报文Delay_Req报文当前时间戳提取出来，发送到时延补偿计算模块，用于时延补偿计算；否则，释放当前时间戳；
时延补偿计算单元进行链路非对称性修正的计算；
修正域修改单元对Follow_Up报文和Delay_Resp报文修正域进行修改，即将计算的与二者报文ID一致的同步报文Sync和时延请求报文Delay_Req的链路时延累加到Follow_Up和Delay_Resp报文的修正域中。
附图说明
图1为本发明一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明PTP报文封装格式的示意图；
图3为本发明链路时延补偿流程的一个实施例的示意图；
图4为本发明一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机时间同步报文处理流程图的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
参见图1，本发明一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机的一个实施例的结构示意图，包括：
网络接口单元110：是接收和发送网络数据包的物理接口，包括网络接口1和网络接口2，其中网络接口1和网络接口2为两种异构类型的网络接口，具有不同的传输链路和处理机制，例如网络接口1为以太网有线接口，网络接口2为WIA-FA无线网络接口。队列监管单元为对应接口的发送队列的监测和管理单元，负责进行对应接口中各队列的调度，并记录用于PTP报文发送的队列中排队的数据量大小、队列发送带宽。并将所述记录信息发送到时延补偿计算单元，用于时延补偿的计算。
时间戳记录单元120：用于数据包到达时，记录报文时间，时间戳采集的位置越接近物理层，时间同步精度就越高。对于无线网卡的单芯片结构不支持在MAC层以下获取时间戳，同时有线网卡不提供开放的MAC-PHY接口的情况下，所有网络接口的时间戳都在驱动层产生。
报文类型判断单元130：用于判断接收或者发送报文的类型。报文类型包括PTP报文和非PTP普通报文。其中PTP报文包括Sync报文、Delay_Req报文、Follow_Up报文、Delay_Resp报文。针对PTP报文不同的封装方式，具体的检测方法如下：
IEEE 802.3/Ethernet封装格式下，若以太网帧类型域的值为0x88f7，则该报文为IEEE802.3/Ethernet封装格式下的PTP报文，继续分析报文的报头，解析message_type域的值以及报文序列号sequenceID，报文封装格式见图2中(a)；
UDP/IP协议封装格式下，若以太网帧类型域的值为0x0800，则该报文为IPV4报文；继续检测IPV4报文的类型域，若为0xl1，则上层数据为UDP数据报文，进一步检测UDP的源端口号，若为319或320，则为PTP报文。最后解析message_type域的值以及报文序列号sequenceID。报文封装格式见图2中(b)。
PTP报文的报头messageType域指示报文的类型(0—Sync报文，1—Delay_Req报文，2—Pdelay_Req报文，3—Pdelay_Resp报文，8—Follow_Up报文，9—Delay_Resp报文)。
时间戳提取单元140：用于将Sync或Delay_Req报文当前时间戳提取出来，发送到时延补偿计算模块，用于时延补偿计算。否则，释放当前时间戳。
时延补偿计算单元150：用于链路非对称性修正的计算，包括转发时延补偿计算单元和通信时延补偿计算单元。具体如下：
转发时延补偿计算方法：
透传时钟i记录接收和发送同步报文Sync的时间，即
Figure BDA0002325459900000061
与
Figure BDA0002325459900000062
记录接收和发送时延请求报文Delay_Req的时间，即
Figure BDA0002325459900000063
与
Figure BDA0002325459900000064
然后计算原始转发时延如下：
Figure BDA0002325459900000065
其中，对于同步报文Sync而言，
Figure BDA0002325459900000066
与
Figure BDA0002325459900000067
分别为
Figure BDA0002325459900000068
与
Figure BDA0002325459900000069
对于时延请求报文Delay_Req而言，
Figure BDA00023254599000000610
与
Figure BDA00023254599000000611
分别为
Figure BDA00023254599000000612
与
Figure BDA00023254599000000613
由于透传时钟将Sync报文的发送时间附加到Follow_Up报文的4字节预留域中。因此，当前透传时钟可以获得Sync报文在上游节点的发送时间。基于Sync报文的多组发送/接收时间信息，透传时钟基于线性回归方法估计与上游节点的相对时钟斜率
Figure BDA00023254599000000614
见公式(1)。
Figure BDA0002325459900000071
Figure BDA0002325459900000072
为第k个Sync报文离开节点i-1的时间，
Figure BDA0002325459900000073
为第k个Sync报文到达节点i的时间，
Figure BDA0002325459900000074
和
Figure BDA0002325459900000075
分别为
Figure BDA0002325459900000076
和
Figure BDA0002325459900000077
的均值，k＝1,2,…,N。
由于两个节点之间的相对时钟斜率是时钟斜率的比，因此可以通过乘法迭代方程间接地计算主时钟和透传时钟之间的相对时钟斜率
Figure BDA0002325459900000078
见公式(2)。
Figure BDA0002325459900000079
原始的转发时延乘以主时钟和本地时钟的相对时钟斜率，即得到补偿，见公式(3)。
Figure BDA00023254599000000710
通信时延补偿方法：
对于支持MAC层以下硬件时戳的交换机，通信时延只等于信号在链路上的传播时延，可以忽略不计；对于交换机硬件设备不支持MAC层以下的硬件时间戳，透传时钟在驱动程序层获取软件时间戳的情况。那么，两个相邻节点之间的通信时延包括在MAC层队列排队等待发送的排队时间、等待接入传输信道的时间、节点在PHY层发送/接收报文的时间、以及报文离开发送节点到达接收节点的物理链路传播时间，因此，需要补偿通信时延。
透传时钟首先估计上游时钟和本地时钟之间的时钟误差
Figure BDA00023254599000000711
见公式(4)。
Figure BDA00023254599000000712
然后，透传时钟基于本地时钟计算Sync报文和Delay_Req报文的通信时延，进而对原始的通信时延进行修正。由于透传时钟基于本地时钟测量通信时延，因此需要通过乘以主时钟和本地时钟的相对时钟斜率
Figure BDA00023254599000000713
来进一步修正通信时延。另外，对于发送队列中的等待时延也需要加入到通信时延中。
报文Sync和Delay_Req的原始相邻节点通信时延为：
Figure BDA00023254599000000714
Figure BDA00023254599000000715
修正后的通信时延为：
Figure BDA0002325459900000081
Figure BDA0002325459900000082
其中，发送队列中的等待时延
Figure BDA0002325459900000083
与交换机队列调度方式和正在排队的数据队列长度和队列发送带宽有关。
Figure BDA0002325459900000084
为保证同步报文的时延误差尽量达到最小，交换机同步报文传输的队列设置为最高优先级队列，调度方式采用绝对优先级调度方式，以减少同步报文的排队等待时间，在此前提下Tmode可以忽略不计,
Figure BDA0002325459900000085
等于排队的数据量大小DatainQ除以队列发送带宽Bandwidth。
修正域修改单元160：用于对Follow_Up和Delay_Resp报文修正域进行修改，则将计算的与二者报文ID一致的Sync和Delay_Req报文的链路时延(链路时延为转发时延与通信时延的和)累加到二者的修正域中。
报文处理单元170：用于交换机上层对数据报文的常规处理，不是本发明创新性内容，这里不再展开说明。
参见图4，本发明一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机时间同步报文处理流程图的一个实施例的示意图，包括：
当数据包到达时，首先记录报文时间，然后判断报文类型，如果是Sync或Delay_Req报文，则提取当前时间戳到时延补偿计算单元，完成所描述的链路时延补偿所涉及的相关存储和计算流程；否则，释放当前时间戳。对于Follow_Up和Delay_Resp报文，则将计算的与二者报文ID一致的Sync和Delay_Req报文的链路时延累加到二者的修正域中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，包括：
网络接口单元，用于接收和发送网络数据包；
时间戳记录单元，用于网络数据包到达时，记录报文时间；
报文类型判断单元，用于判断接收或者发送报文的类型；
时间戳提取单元，用于将同步报文Sync或时延请求报文Delay_Req报文当前时间戳提取出来，发送到时延补偿计算模块，用于时延补偿计算；否则，释放当前时间戳；
时延补偿计算单元，用于链路非对称性修正的计算；
修正域修改单元，用于对Follow_Up报文和Delay_Resp报文修正域进行修改，即将计算的与二者报文ID一致的同步报文Sync和时延请求报文Delay_Req的链路时延累加到Follow_Up和Delay_Resp报文的修正域中。
2.根据权利要求1所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述网络接口单元包括网络接口1和网络接口2，所述网络接口1和网络接口2为两种异构类型的网络接口。
3.根据权利要求1所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述报文类型包括PTP报文和非PTP普通报文；其中PTP报文包括同步报文Sync、时延请求报文Delay_Req、跟随报文Follow_Up、时延应答报文Delay_Resp。
4.根据权利要求1所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述通信时延补偿计算单元，包括：
转发时延补偿计算单元，用于计算转发时延补偿；
通信时延补偿计算单元，用于计算通信时延补偿。
5.根据权利要求4所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述转发时延补偿计算单元，执行以下步骤：
节点i记录接收和发送同步报文Sync的时间，即
Figure FDA0002325459890000011
与
Figure FDA0002325459890000012
记录接收和发送时延请求报文Delay_Req的时间，即
Figure FDA0002325459890000013
与
Figure FDA0002325459890000014
通过下式实现转发时延的补偿
Figure FDA0002325459890000021
Figure FDA0002325459890000022
对于同步报文Sync而言，
Figure FDA0002325459890000023
与
Figure FDA0002325459890000024
分别为
Figure FDA0002325459890000025
与
Figure FDA0002325459890000026
对于时延请求报文Delay_Req而言，
Figure FDA0002325459890000027
与
Figure FDA0002325459890000028
分别为
Figure FDA0002325459890000029
与
Figure FDA00023254598900000210
其中，
Figure FDA00023254598900000211
Figure FDA00023254598900000212
为第k个Sync报文离开节点i-1的时间，
Figure FDA00023254598900000213
为第k个Sync报文到达节点i的时间，
Figure FDA00023254598900000214
和
Figure FDA00023254598900000215
分别为
Figure FDA00023254598900000216
和
Figure FDA00023254598900000217
的均值，k＝1,2,…,N，N为报文个数。
6.根据权利要求4所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述通信时延补偿计算单元，执行以下步骤：
透传时钟i记录接收和发送同步报文Sync的时间，即
Figure FDA00023254598900000218
与
Figure FDA00023254598900000219
记录接收和发送时延请求报文Delay_Req的时间，即
Figure FDA00023254598900000220
与
Figure FDA00023254598900000221
同步报文Sync修正后的通信时延如下：
Figure FDA00023254598900000222
请求报文Delay_Req修正后的通信时延如下：
Figure FDA00023254598900000223
对于同步报文Sync而言，
Figure FDA00023254598900000224
与
Figure FDA00023254598900000225
分别为
Figure FDA00023254598900000226
与
Figure FDA00023254598900000227
对于时延请求报文Delay_Req而言，
Figure FDA00023254598900000228
与
Figure FDA00023254598900000229
分别为
Figure FDA00023254598900000230
与
Figure FDA00023254598900000231
其中，上游时钟和本地时钟之间的时钟误差
Figure FDA00023254598900000232
如下：
Figure FDA00023254598900000233
Figure FDA00023254598900000234
Figure FDA00023254598900000235
为第k个Sync报文离开节点i-1的时间，
Figure FDA00023254598900000236
为第k个Sync报文到达节点i的时间，
Figure FDA00023254598900000237
和
Figure FDA00023254598900000238
分别为
Figure FDA00023254598900000239
和
Figure FDA00023254598900000240
的均值，k＝1,2,…,N，N为报文个数；
Figure FDA00023254598900000241
Tmode为对应队列调度方式的调度等待时间，
Figure FDA00023254598900000242
为发送队列中的等待时延，DatainQ表示排队的数据量大小，Bandwidth为队列发送带宽。
7.根据权利要求1所述的一种支持异构网络时间同步时延补偿的交换机，其特征在于，所述网络接口单元还包括接口1队列监管模块和接口2队列监管模块；
接口1队列监管模块，为网络接口1发送队列的监测和管理单元，用于进行网络接口1中各队列的调度，记录信息包括用于PTP报文发送的队列中排队的数据量大小、队列发送带宽；并将所述记录信息发送到时延补偿计算单元，用于时延补偿的计算；
接口2队列监管模块，为网络接口2发送队列的监测和管理单元，用于进行网络接口2中各队列的调度，并记录信息包括用于PTP报文发送的队列中排队的数据量大小、队列发送带宽；并将所述记录信息发送到时延补偿计算单元，用于时延补偿的计算。
8.一种支持异构网络时间同步时延补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
网络数据包到达时，时间戳记录单元记录报文时间；
报文类型判断单元判断接收或者发送报文的类型；
时间戳提取单元将同步报文Sync或时延请求报文Delay_Req报文当前时间戳提取出来，发送到时延补偿计算模块，用于时延补偿计算；否则，释放当前时间戳；
时延补偿计算单元进行链路非对称性修正的计算；
修正域修改单元对Follow_Up报文和Delay_Resp报文修正域进行修改，即将计算的与二者报文ID一致的同步报文Sync和时延请求报文Delay_Req的链路时延累加到Follow_Up和Delay_Resp报文的修正域中。
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