CN113824523A

CN113824523A - 基于以太网的网络中的时钟同步监测

Info

Publication number: CN113824523A
Application number: CN202111122857.7A
Authority: CN
Inventors: A.迪亚拉
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2021-12-21
Also published as: EP3166242C0; CN107046450A; EP3166242B1; EP3166242A1

Abstract

本发明涉及基于以太网的网络中的时钟同步监测。为了监测网络中的时钟同步误差，建议：‑向网络中的至少两个节点（2、3、4、5、6）发送同步误差测试报文（10）；‑接收来自至少两个节点（2、3、4、5、6）中的每一个的应答报文，其中，每一个应答报文均包括时间戳，其表示节点（2、3、4、5、6）接收到同步误差测试报文（10）的本地时间；以及‑基于所接收的时间戳计算同步误差。

Description

基于以太网的网络中的时钟同步监测

本发明为分案申请，其母案的申请号为201610963933 .X，申请日为2016年11月04日且发明名称为“基于以太网的网络中的时钟同步监测”。

技术领域

本发明涉及用于在网络中，具体地基于以太网的运载工具中时间-和安全-重要的网络中用于监测时钟同步误差的方法。

背景技术

设计时间敏感的系统中的一个挑战是共同时基。原因在于网络中的通信设备对当前时间具有不同的视角（view），因为它们通常具有不同的时钟特性，比如频率漂移、粒度等，且其时常具有不同的初始时间。该状况在一些汽车时间-和-安全-重要应用中导致无法忍受的时钟偏差，因为这些应用具有目标在于具体地相对于整个交通保证安全的小汽车驾驶的强烈要求。因此，对于运载工具中的网络而言，需要严格的时间操纵。这对于小汽车内的若干设备和/或电子控制单元的相互作用而言尤其重要，因为它们都必须在相同的时间交接（relay）。因此，遍及整个网络使用时间同步机制。

针对建立在基于以太网的网络中的共同时基已经规定了IEEE 802.1 AS时间同步协议。其基本上作用在用作时间参考的主时钟上，通过将其时间信息经由网络分配到其它设备，使得其能够修正且因此同步其内部时钟以便与主时钟一致。

在重要的汽车应用中，操纵重要的数据包或报文的设备必须具有共同的时间感，以避免任何时基抖动（jitter）、意外延时和实际状况的错误解释，否则这些能够引起运载工具行为的惊人结果。因此，必须在运载工具中时间和安全重要的网络中在启动时间以及在运行时间期间建立共同时基。

然而，网络并不受到保护以免受能够负面地影响时钟同步的所有种类的误差。对于一些安全上重要的应用，比如专用于自动化或半自动化驾驶的应用，必需检测到这些误差，以便防止运载工具发生任何危险行为。然而，不存在用于监测在基于以太网的运载工具中网络中的同步误差的机制。

发明内容

本发明提供用于连续监测网络中的同步误差的时钟同步监测机制。这允许感知能够负面地影响系统的任何故障。

本发明由独立权利要求的特征限定。在从属权利要求中限定了一些优选实施例。本发明使得网络内的敏感设备每次都能够感知其相对于基准时钟的当前时钟偏差。知晓其时钟不可接受地偏离基准时钟的节点或设备能够比如停止发送重要数据，以便避免系统和小汽车的任何危险行为。

附图说明

本发明的实施例以示例且不限制于附图中的图的方式图示，在附图中，同样的附图标记指示相似的元件，并且附图中：

图1示出运载工具中网络的一部分的示例；

图2示出同步误差测试报文传输的示例；

图3示出同步误差监测机制的第一部分的示例；

图4示出在网络中传输的一些误差测试应答报文的示例；

图5示出被传输到安全上重要的数据中心的时钟偏差通知报文的示例；以及

图6是本发明的可能实施例的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，引入许多具体细节，以提供对于所建议的同步状态监测机制的实施例的透彻理解，以及实现针对所述实施例的描述。然而，本领域技术人员将认识到，能够在没有所述具体细节中的一个或多个，或者利用其它部件、系统等的情况下实践这些实施例。在其它情形中，众所周知的结构或操作未示出，或者未详细描述，以避免使所公开的实施例的方面模糊。

图1示出基于用于说明本发明的树型拓扑的运载工具中网络1的示例。网络1包括监测节点2；桥和/或开关节点3、4、5；主时钟6和设备7、8、9。假设设备7、8、9中的任一者是重要数据的发送者。在一些实施例中，也被标记为祖时钟的主时钟6也被认为是重要数据的接收者。

启用监测节点2以计算网络1内的节点中的一些之间的同步误差。桥和/或开关3、4、5也能够被用于同步误差计算，这意味着如将在下文进一步描述的那样，若干节点能够在时钟同步监测机制的不同阶段中充当监测节点。

图2示出测试报文，其也被标记为同步误差测试报文10。同步误差测试报文10从监测节点2被传输到每一个相邻节点。

在图2中所示的示例中，监测节点2向桥和/或开关3、4、5，以及向主时钟6发送同步测试报文10。在该示例中假设监测节点2同时发送所有测试报文10。监测节点2存储这些报文的发送时间。如果测试报文不被同时发送，则监测节点2将保存每一个测试报文10的传输时间。

图3示出监测机制的更详细的示例。在此，桥和/或开关3、4、5也向每一个相邻的节点传输同步误差测试报文10。桥和/或开关3、4、5中的每一个存储测试报文10的发送时间。

例如以监测节点2开始，监测节点2在时间t=t_test处向桥和/或开关3、4、5以及向主时钟6同时发送同步误差测试报文10。

桥和/或开关3在时间t=t1处接收测试报文，桥和/或开关4在时间t=t2处接收来自监测节点2的测试报文10，桥和/或开关5在时间t=t3处接收测试报文10，并且主时钟6在时间t=tref处接收测试报文10。桥和/或开关3、4、5以及主时钟6的接收时间根据其内部时钟或本地时钟限定。

根据优选实施例，当旨在传输同步误差测试报文10时，监测节点2上的输出端口必须是空闲的。

同步误差测试报文10的传输能够具体地以恒定频率周期性地执行。优选地，必须设置防护频带。在每个端口上，在给定周期i中防护频带时间的开始处，不允许传输除了同步误差测试报文之外的其它流量。为了确保在同步误差测试报文10的传输时间点处端口是空闲的，建议将防护频带持续时间设置为大于或等于通过监测节点2传输的最长以太网帧的传输延迟。

再次参考图3，接收同步误差测试报文10的每一个节点生成时间戳且存储该时间戳。时间戳根据内部时钟或本地时钟生成，且能够或者在软件中确定或者通过位于节点的物理层（PHY）或以太网媒体访问控制器（MAC）中的任一者中的硬件时间戳单元（TSU）确定。

图4示出也被标记为应答报文11的同步误差测试应答报文的传输的示例。已经接收到测试报文10的每一个节点向其接收到的测试报文10所来自的节点发送应答报文11。每一个应答报文11包含时间戳，这是测试报文10的接收时间。这意味着，现在将接收时间告知测试报文10的发送者。

然而，接收时间基于测试报文10的接收者的本地时间确定。现在假设，接收应答报文11的每一个节点接收其之前发送的其同步误差测试报文10的不同接收时间。然后能够计算不同节点之间的同步误差。例如，监测节点2可计算以下项：

－桥和/或开关3（标记为b1）和桥和/或开关4（标记为b2）之间的同步误差（e）：e（b1→b2）=t1-t2；

-桥/开关3（b1）和桥/开关5（b3）之间的同步误差（e）：e（b1→b3）=t1-t3；

-桥/开关4和桥/开关5之间的同步误差（e）：e（b2→b3）=t2-t3；

-桥/开关3和主时钟6之间的同步误差（e）：e（b1→mc）=t1-tref；

-桥/开关4和主时钟6之间的同步误差（e）：e（b2→mc）=t2-tref；以及

-桥/开关5和主时钟6之间的同步误差（e）：e（b3→mc）=t3-tref。

当然，桥和/或开关3、4、5能够以类似方式计算相邻节点的时间偏差。

图5示出一些时钟偏差通知报文，也标记为偏差报文12，其被传输到假设为重要数据发送者的节点或设备7、8、9。为了描述重要数据的发送者如何确定其相对于基准时钟的时钟偏差的原理，给出以下示例：

在来自监测节点2的偏差报文12内，传输一些时钟时序偏差。例如，从监测节点2到桥和/或开关3的偏差报文12包括桥和/或开关4（b2）和主时钟6（mc）之间的时钟时序偏差，其为：

e（b2→mc）=t2-tref，

此外，桥和/或开关3可以计算每一个重要数据发送者节点和桥和/或开关4（b2）之间的同步误差。例如，对于重要数据发送者节点7，该误差被标记为e（s7→b2）。然后桥和/或开关3将向重要数据发送者节点7发送e（s7→b2）和e（b2→mc），重要数据发送者节点7将然后计算其相对于主时钟的时间偏差。在给定示例中，

e（s7→b2）=ts7-tb2，

其中，ts7限定节点7已经接收到来自桥和/或开关3的同步误差测试报文10的时间，以及tb2是桥和/或开关4已经接收到来自桥和/或开关3的同步误差测试报文10的时间。

时间数据tb2和ts7都是基于每一个设备的本地时钟或内部时钟测量的。

因此，重要数据发送者节点7将接收其自身的与桥和/或开关4的时钟偏差以及桥和/或开关4和主时钟6之间的同步误差。因此，其将通过计算两个误差的和e（s7→mc）=e（s7→b2）+e（b2→>mc）来算出其时钟时间与主时钟6的偏差（e（s7→mc））。

图6示出示例实施例的流程图。方法在步骤100中开始，其中，至少监测节点6向每一个相邻节点3、4、5、6传输测试报文10。进一步地，在步骤100中，桥和/或开关3、4、5向其如图3中所示的相邻节点传输测试报文10。

在步骤101中，接收测试报文10，且每一个接收节点生成和存储指示接收时间的时间戳。

在步骤102中，每一个节点将应答报文11发送回测试报文10的发送者（图4），其中，每一个应答报文11包含接收测试报文的接收时间。

在步骤103中，监测节点2如上文所描述的那样计算偏差时间。

在步骤104中，监测节点2向相邻节点中的至少一些传输计算出的偏差报文12。具体地，监测节点2向与重要数据发送者7、8、9连接的桥和/或开关3、5发送相关的偏差报文12。在步骤104中，桥和/或开关3、4也在偏差报文12内传输计算出的偏差中的一些，如图5中所示。

在步骤105中，重要数据发送者7、8、9接收偏差报文12。在步骤106中，如上文所描述的那样，重要数据发送者节点7、8、9计算其相对于主时钟6的时间的偏差。进一步地，在步骤106中，重要数据发送者节点7、8、9中的每一个可基于所计算的偏差决定其是保持继续发送重要数据还是停止发送重要数据。

本发明的益处中的一个是改善运载工具中时间-和安全-重要的网络中的可靠性和安全性。例如，在自动化或半自动驾驶应用中，驾驶员不控制小汽车，或者对小汽车有有限的控制。在任何有问题的误差的情况下，本发明能够帮助通知驾驶员他或她应当现在取得车辆的控制，因为车辆不再能够在没有任何安全风险的情况下自动驾驶。这通过本创造性方法实现，其中，允许时间敏感的设备获知其与主时钟的时间偏差。通过知晓该时钟误差，设备能够执行必要的校正，或者停止作为网络的一部分。

Claims

1.一种用于在网络中监测时钟同步误差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

由监测节点（2）向所述网络中的至少两个节点（3、4、5、6）同时发送同步误差测试报文（10）；

由所述至少两个节点（3、4、5、6）中的每一个节点接收所述同步误差测试报文（10），并且根据所述每一个节点的内部时钟或本地时钟生成接收所述同步误差测试报文（10）的接收时间戳；

由所述至少两个节点（3、4、5、6）中的每一个节点向所述监测节点（2）发送包含所述接收时间戳的应答报文（11）；

由所述监测节点（2）接收所述应答报文（11）；以及

由所述监测节点（2）基于在所述至少两个节点（3、4、5、6）的所述应答报文（11）中包含的所述接收时间戳来计算在所述至少两个节点（3、4、5、6）之间的同步误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括向所述网络中的至少一个节点传输至少一个计算的同步误差。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少两个节点（3、4、5、6）中的一个是主时钟（6）。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少两个节点（3、4、5、6）是所述同步误差测试报文（10）的发送者的相邻节点。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，同步误差测试报文（10）被发送到用作重要数据的发送者的所有节点（7、8、9）。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，仅当所述发送节点处的对应端口是空闲的时，才发送同步误差测试报文（10）。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以给定传输频率发送所述同步误差测试报文（10）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，防护频带被用于提供所述传输频率，其中，所述防护频带持续时间被设置为由用于发送所述同步误差测试报文（10）和接收所述应答报文（11）的监测节点（2）传输的最长以太网帧的传输延迟。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用软件或硬件时间戳单元形成所述接收时间戳，所述时间戳单元定位在网络节点（2、3、4、5、6、7、8、9）的物理层中或者以太网媒体访问控制器中。

10.网络中的监测节点（2），其特征在于，所述监测节点包括用于以下特征的装置：

向所述网络中的至少两个节点（3、4、5、6）同时发送同步误差测试报文（10）；

接收来自所述至少两个节点（3、4、5、6）中的每一个的应答报文（11），其中，每一个应答报文（11）均包含所述至少两个节点（3、4、5、6）中的每一个节点接收到所述同步误差测试报文（10）的根据所述每一个节点的内部时钟或本地时钟的接收时间戳；以及

基于在所述至少两个节点（3、4、5、6）的所述应答报文（11）中包含的所述接收时间戳来计算在所述至少两个节点（3、4、5、6）之间的同步误差。

11.根据权利要求10所述的监测节点，其特征在于，所述监测节点包括用于向所述网络中的至少一个节点传输至少一个计算的同步误差的装置。

12.网络中的重要数据发送节点（7、8、9），其特征在于，所述重要数据发送节点（7、8、9）包括用于以下特征的装置：

接收向所述重要数据发送节点（7、8、9）和主时钟（6）同时发送的同步误差测试报文（10）中的一个同步误差测试报文（10）；

生成和存储接收到所述同步误差测试报文（10）的根据所述重要数据发送节点（7、8、9）的内部时钟或本地时钟的接收时间戳；

经由应答报文（11）向所述同步误差测试报文（10）的发送者传输所述接收时间戳；

接收偏差报文（12）和同步误差，所述偏差报文（12）包含所述同步误差测试报文（10）的发送者和所述主时钟（6）之间的时钟时序偏差，所述同步误差包含所述同步误差测试报文（10）的发送者和所述重要数据发送节点（7、8、9）之间的误差，并且基于在所述重要数据发送节点（7、8、9）的所述应答报文（11）中包含的所述接收时间戳计算；以及

利用所述偏差报文（12）和所述同步误差计算在所述重要数据发送节点（7、8、9）和所述主时钟（6）之间的时钟偏差。

13.网络中的节点，其被启用以履行桥接和/或切换任务，其特征在于，所述节点包括用于以下特征的装置：

接收由监测节点（2）和/或由其它桥和/或开关节点（3、4、5）向所述节点和主时钟（6）同时发送的同步误差测试报文（10）中的一个同步误差测试报文（10）；

在接收所述同步误差测试报文（10）时，生成接收到所述同步误差测试报文（10）的根据所述节点的内部时钟或本地时钟的接收时间戳；

由所述同步误差测试报文（10）的发送者基于在所述节点的所述应答报文（11）中包含的所述接收时间戳以及所述主时钟（6）的应答报文中包含的接收时间戳来计算在所述节点和所述主时钟（6）之间的时钟偏差；

向其它桥和/或开关节点（3、4、5）传输所计算的时钟偏差；以及

向重要数据发送节点（7、8、9）传输所计算的时钟偏差。

14.一种用于监测网络中的时钟同步误差的系统，其特征在于，所述系统包括：

根据权利要求10或11所述的监测节点（2）；

主时钟（6），其包括用于接收来自监测节点（2）的同步误差测试报文（10）的装置、用于生成和存储接收时间戳的装置，以及用于经由应答报文（11）向监测节点（2）传输所述接收时间戳的装置；

根据权利要求13所述的桥和/或开关节点（3、4、5）；以及

根据权利要求12所述的重要数据发送节点（7、8、9）。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于执行根据权利要求1到9中的任一项所述的方法的装置。

16.一种计算机可读介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由计算机执行时执行根据权利要求1到9中的任一项所述的方法。