CN114788197A

CN114788197A - 用于优化经由通信网络连接的网络设备之间的时间同步的方法

Info

Publication number: CN114788197A
Application number: CN202080085510.7A
Authority: CN
Inventors: H·齐内尔
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-07-22
Also published as: US20230103012A1; JP7322297B2; DE102019219475B4; DE102019219475A1; EP4073963A1; WO2021115962A1; EP4073963B1; JP2023505696A

Abstract

本发明涉及一种用于在经由第一网络或多个第一子网络彼此联网的控制设备(200，220，222，224，226，228，230)的系统中定义最高级时钟的方法(300)，这些联网的控制设备中的至少一个是基于服务器的控制设备(200)，该基于服务器的控制设备在一个物理单元中组合多个适合作为最高级时钟的源、在基于服务器的控制设备内借助第二网络经由交换机(202，204，206)通信地连接的功能单元(208，210，212，214)，该物理单元经由一个或多个网络接口连接到第一网络或多个第一子网络，该方法包括确定(302)整个网络的最佳时钟。如果该最佳时钟位于基于服务器的控制设备中，则该方法还包括确定(306‑2)适合作为最高级时钟的源的选定的功能单元与将基于服务器的控制设备(200)连接到第一网络或多个第一子网络的选定的主动网络接口之间的距离，以及针对这些选定的功能单元中的每一个确定(306‑3)到所有选定的网络接口的平均距离。到所有选定的网络接口的平均距离最小的选定的功能单元被定义(310)为第一网络或第一子网络的最高级时钟。

Description

用于优化经由通信网络连接的网络设备之间的时间同步的方法

技术领域

本发明涉及一种包含相互同步的网络设备的通信网络。

背景技术

以太网技术用于计算机彼此联网的许多领域，并且也越来越多地用于车辆中，在车辆中，以太网技术正在取代旧的或专有的数据连接和数据总线。

在OSI层模型的第3层上，以太网连接支持大量的交换协议，以用于在发射器与接收器之间传输数据分组。在更高协议层中，将数据流分割成分组，在通信的系统之间进行进程通信，将数据转换为与系统无关的形式，并且最后为应用提供功能。即使是在空间上相互靠近的联网设备的相对较小网络也可能已经具有大量路由器和交换机，这些路由器和交换机将来自发射器的数据分组路由到正确的接收器。

如在其他网络中一样，除了网络组件和接口的标称速度之外，以太网网络中的等待时间或延迟也可能对单位时间内实际能够传输的数据量以及从发射器到接收器的传输持续时间产生重大影响。

等待时间或延迟可能具有不同的来源和原因。网络中数据传输延迟的来源特别是所谓的传输延迟，也就是说发射器在通信连接或链路上发送数据分组所需的时间。该延迟可能尤其取决于数据分组的长度以及网络的带宽或速度。

信号传播时间或传播延迟表示发射器通过通信连接发送的信号到达接收器所需的时间。该延迟首先取决于发射器与接收器之间的距离以及信号的传播速度。无线电波在真空中的传播速度或光波在光纤中的传播速度与光速相对应，但在铜线中，信号的传播速度可能会下降到光速的三分之二，这取决于铜线的结构。

交换机等待时间也可能在可用数据速率中发挥重要作用。这特别适用于支持高性能和集群计算应用的网络，在这些网络中，在最小化通信端点对或组之间的通信路径中的总体延迟或延迟变化方面存在优势。在许多情况下，与连接的标称带宽相比，交换机等待时间对应用或服务性能以及用户体验的影响要大得多。

交换机等待时间表示以太网分组穿过以太网交换机所需的时间。虽然这在概念上很简单，但实际上有许多因素可能会导致分组经历的实际等待时间显著不同，有时相差几个数量级。

交换机等待时间是在以太网交换机的输入端口与输出端口之间测量的。该交换机等待时间强烈地依赖于交换机所使用的交换范式：直通或存储转发。

存储转发要求交换机接收并缓冲整个分组，然后做出转发决策并经由输出端口开始分组传输。对于某些转发操作，例如第3层上进行的分组路由，当在分组转发操作中需要复杂选项时可能需要存储转发模式。

另一方面，直通转发允许在接收到足够的数据以做出转发决策后立即经由输出端口发射分组。例如，在简单的第2层转发的情况下，一旦接收到目的地MAC地址并进行查找以确定相关联的输出端口，就可以执行此操作。直通转发由交换机逐分组决定。

直通转发可以在交换机中实现较低等待时间转发，这在很大程度上与分组长度无关。然而，直通转发仅在某些条件下是可能的。直通转发例如可以仅在以相同速度操作的接口之间执行，例如当将1Gbps接口连接到1Gbps接口时。其无法在不同速度的接口之间进行连接，例如在1Gbps与100Mbps接口之间。直通转发也可能仅在输出端口空闲时执行，空闲也就是说没有被数据流控制“停止”并且没有排队等待传输的待处理帧。

容易看出，当具有不同速度接口的网络中的多个分组流去往某一端口时，即使这些流所需的传输总带宽小于标称链路容量，在该端口上也可能经常存在争用，并且因此，在许多情况下，转发的数据比理论上使用直通转发可能转发的数据要少。

现代第2层或第3层交换机的等待时间通常在从数百纳秒到几十微秒的范围内。等待时间的宽范围主要是由交换机架构和设计导致的，但根据应用情况可能会出现甚至更大的等待时间差异。例如，同时使用的端口的数量和流量的类型(例如，没有分组流争用输出端口的一对一流量或者所有流量争用输出端口的完全网状流量)对等待时间有很大的影响，因为在完全网状流量的情况下，如果存在对端口的争用，则数据分组可能在交换机队列中缓冲相对长的时间。

交换机等待时间也经常与所谓的排队延迟联系在一起，在排队延迟中，将位于通信路线上的交换机中的所有等待时间的延迟相加。

在转发数据的交换机、路由器或其他网络设备中，所谓的处理延迟会加剧这种情况，处理延迟是指评估分组报头或进行误差校正措施等所需的时间。在高速路由器和交换机中，处理延迟的数量级为微秒或更小。

因此，数据分组从发射器传播到接收器所需的总时间是传输延迟、信号传播时间、排队延迟和处理延迟的总和。信号被交换机或另一个网络设备接收、评估和/或处理并仅在此后被转发的频率越高，到达实际接收器所花费的时间就越长。

在许多网络中，一些延迟相对较短，并且尤其是在很大程度上是恒定的，例如信号传播时间，该信号传播时间仅在发射器与接收器之间的距离改变时或者在连接的路线改变使得总距离变长或变短时才改变。在具有已知长度的子路线的网络中，即使在改变路线的情况下，也可以根据路线的各个区段的已知距离来相对准确地确定信号传播时间。

其他延迟不太恒定并且也是不可预测的，例如交换机等待时间，该交换机等待时间尤其强烈依赖于一次有待经由某个物理网络接口传输的数据的量、可能地优先级和时间。

在许多网络中，需要同步网络设备中存在的计时器，特别是包括在车辆网络中的计时器，其中，需要实现传感器数据的时间同步采集以进行安全操作。为此，在车辆中使用的几乎所有以太网通信网络都使用时间同步协议，该时间同步协议提供在所有网络设备中同步的全球网络时基。预期时间同步网络设备在车辆和其他应用领域中的普及率在未来会持续增加。

IEEE 802.1AS标准提供了一种这样的时间同步协议，该时间同步协议也被称为“广义精确时间协议(generalized Precision Time Protocol)”的首字母缩写词gPTP。从网络中所谓的“最佳时钟”(也称为最高级计时装置或最高级时钟)出发，建立主从时钟层次结构。在这种情况下，该最高级计时装置为网络提供时基，该网络中的所有其他网络设备都与该时基同步。

图1示出了广义精确时间协议的三个基本功能：最佳时钟的确定、时间信息的交换、以及相邻节点之间的连接线上的传播时间的测量。

该最高级计时装置通过所谓的最佳主时钟算法(BMCA)来确定并在网络内被宣告。为此，支持IEEE 802.1AS的网络设备周期性地将包含关于它们的内部时钟的信息的宣告消息传输到直接连接的其他网络设备。关于内部时钟的信息提供了以下指示：相应时钟的准确性、其基准或时间基准、以及可以用来确定网络中的最佳时钟的其他属性。这种宣告消息在图1a)中以示例的方式展示。这种宣告消息的接收者将随着其自身的内部时钟的特征接收的信息与已经从另一端口随着关于其他网络设备的时钟的信息接收的任何消息进行比较，并且如果另一网络设备具有更佳的时钟参数，则接受该另一网络设备中的时钟。在短时间之后，已经确定网络中的最佳时钟，该最佳时钟然后成为网络中的最高级计时装置，并且已经创建时间同步生成树。在该过程中，网络设备的每个端口被分派有四种端口状态之一。到最高级计时装置的路径比其链路伙伴短的端口被分派有“主端口”状态。如果该节点处的其他端口还没有“从”状态，则分派该“从”状态。不能完全支持PTP协议的端口选择禁用。如果其他三种状态都不适用，则选择“被动”状态。

基于最高级计时装置，通过网络来广播时间同步消息。图1b)中示意性展示的Sync_Follow_Up机制用于此目的。主端口周期性地向相应的相邻链路伙伴传输同步和Follow_Up消息。当同步消息离开主端口时，会生成时间戳，并立即在后续的Follow_Up消息中传输。该时间戳与同步消息传输时最高级计时装置的当前时钟时间相对应。

接收时间同步消息的网络设备不是简单地转发该时间同步消息，而是针对先前确定的连接(该网络设备通过该连接从直接连接的网络设备接收时间同步消息)上的传播时间并针对内部处理时间来校正时间信息，然后再创建并重新传输新的时间同步相关消息和经校正的时间信息。这种校正发生在每个网络节点中的所谓的“时间感知”系统中，也就是说也发生在适当配置的路由器和交换机中。

在图1c)中以示例的方式示出的所谓的“对等延迟机制”用于确定两个连接端口之间的延迟。一个端口(启动器)通过向网络设备(响应器)的与其直接连接的端口发送Delay_Request消息并生成具有时间t₁的初始时间戳来开始测量线路延迟。该初始时间戳表示在实际传输时间同步消息之前尽可能晚地经由以太网收发器写入的硬件时间戳。当时间同步消息到达时，响应器生成时间戳t₂。作为响应，响应器传输Delay_Response消息。在该消息中，该响应器传输Delay_Request消息的接收时间戳t₂。当该消息离开响应器时，响应器进而生成时间戳t₃，该时间戳在紧随其后的Delay_Response_Follow_Up消息中发送出去。当启动器接收到Delay_Response消息时，该启动器生成时间戳t₄。启动器可以使用四个时间戳t₁至t₄来计算通信路线上的平均传播时间。

由于连接路线上的传播时间可能因方向而异，因此Delay_Request消息由两个通信伙伴相互独立地周期性地发送。

在根据IEEE 802.1AS和其中定义的“广义精确时间协议”(gPTP)的时钟层次结构的情况下，仅单个网络设备一直提供网络中的最佳时钟。因此，这个网络设备控制并调节车辆的全部时间。网络中的网络设备的所有其他时钟都仅仅由这一个时钟管控。一些车辆制造商甚至通过这个以太网时间主控器来同步其他标准的网络，例如CAN，这意味着车辆中的几乎所有网络设备都由提供最高级计时装置的网络设备告知系统时间。

最高级时钟周期性地向直接连接的网络设备传输时间同步消息，这些直接连接的网络设备针对先前确定的传输路线上的传播时间和内部处理时间来校正时间信息，然后依次向其他直接连接的网络设备重新传输接收到的时间同步消息。对时间信息的校正不能保证网络设备的每个计时器实际上与最高级时钟绝对同步地运行，因为对时间信息的任何校正都不可避免地导致偏差，包括由于计时器的不同时间漂移以及其他硬件属性而产生的偏差，这可能导致在确定传播时间和延迟等时的不准确性。随着时间同步消息的每次转发操作，时间信息与最高级时钟的参考信号的可能偏差相应地增加，也就是说，同步的准确性随着每次转发操作而降低。

在许多应用情况下，尤其包括在具有由适当系统提供的高度驾驶员支持或具有部分或高度自主驾驶系统的车辆中，必须一起处理在窄时间窗内获取的大量传感器数据，以便得到车辆致动器的适当控制信号。出于文档记录目的，例如当存储在可以被分析以便重现故障或操作错误的日志文件中时，传感器数据的最准确可能时间登记也可能是非常重要的。后者对于分布式系统中的调试非常有用，而且特别是对于保险公司和执法机构而言。因此，对于所谓的“硬”实时支持而言，可靠地且最重要的是尽可能精确地同步提供时间信息是必不可少的。时钟时间的同步越准确，相关功能(例如传感器融合)的结果就越好。

如果基于服务器的控制设备中的交换机不支持IEEE 802.1AS，这对于精确的时间同步尤其成问题，也就是说，交换机不能在重新传输之前针对来自发射器的信号的传播时间、尤其是针对交换机延迟来校正时间同步消息。在发射器和接收器在空间上彼此靠近的情况下，信号传播时间仍可能被忽略，或者在经由不支持IEEE 802.1AS的交换机连接的发射器与接收器之间统计地确定。然而，由于依赖于经由交换机路由的网络流量的缓冲而出现的时间延迟不能以合理的方式确定，或者只能通过很大的努力才能以合理的方式确定，这意味着经由这种交换机路由的时间同步消息中的时间信息表现出相当大的不准确性。

即使在支持IEEE 802.1AS的交换机中，当在转发时间同步消息之前根据需要校正时间信息时也可能出现偏差，即使这些偏差在个别情况下很小，加起来也会随着每次转发操作而产生不断增加的可能不准确性。

图2a)示出了根据IEEE 802.1AS同步的网络设备中时间信息的可能偏差的变化的示意性示例。在图2a)中，网络设备100提供最高级时钟并向网络设备102重新传输时间同步消息。网络设备102在向网络设备104传输对应的时间同步消息之前校正时间信息。在校正中，网络设备102使用先前确定的与网络设备100的连接上的传播时间以及关于内部延迟的信息，该内部延迟尤其取决于时间同步的实施和网络设备的硬件属性。在网络设备旁边示出了时序图，该时序图展示了网络设备100发出的时间以及每次进一步传输之后的可能偏差。在第一次校正之后，表示由网络设备100传输的时间同步消息的时间的最初单个破折号已经由左边和右边的另外的破折号补充。这些附加破折号表明在校正中可能存在某种偏差。网络设备102将受某种第一可能偏差影响的时间信息转发到网络设备104。网络设备104进而校正接收到的时间信息，其中，校正中的某种偏差还是无法被排除，并在时间同步消息中将该时间信息转发到网络设备106。同与网络设备102相关联的时序图相比，时间信息与最高级时钟中实际存在的时间的可能偏差(该可能偏差再次增加)由更宽的可能偏差范围表示。转发时间同步消息的方向由网络设备之间的箭头指示。

随着每次校正和转发操作，可能偏差范围因此增加。这并不意味着偏差总是在偏差范围的外边缘并且偏差继续增加；很可能存在相反方向的校正(尽管不可控)，这意味着链中最后一个网络设备中的时间比位于更靠近最高级时钟的位置的网络设备中的时间更准确地匹配最高级时钟的时间。然而，由于这是无法预测的，所以必须假设最坏的情况。

因此，在一些应用情况下，来自根据BMCA在网络中不是最佳时钟的时钟的时间同步消息的较少数量的转发操作可能比具有(即使只是稍微)客观上更好的属性的时钟具有优势，但是其时间同步消息需要大量的转发操作来穿过整个网络。这也是因为，除其他方面外，最佳主时钟算法不评估或不能评估整个系统。

另外，位于从发射器到接收器的消息路径上的每个主动组件都增加了路径被中断的风险，这对于网络设备之间的安全相关通信是尤其不期望的。

在许多工业领域中引入的新的基于服务器的电气和电子架构正在将越来越多的逻辑和控制功能集中在越来越少的控制单元中。这些控制单元(也被称为服务器或中央计算机)不再像传统控制计算机那样仅包括单个微控制器或微处理器，而是具有被布置在共享壳体中以防止环境影响和机械损坏的大量微控制器、微处理器、片上系统(SoC)等。这些控制单元在下文中被称为基于服务器的控制设备。可以提供具有适当交换机的以太网网络，以便连接布置在共享壳体中的功能单元。在这种情况下，各个功能单元可以直接连接到以太网交换机的端口，也就是说不需要将以太网插头插入到对应的插座中，并且相应地也不需要经由以太网线路根据需要转换信号电平以及在形成到物理层的连接的所谓的PHY模块中进行其他信号处理。这种连接可以例如经由所谓的背板或者经由适当的电缆组来实现，这些电缆在功能单元的以太网接口与以太网交换机的端口之间建立电连接。还可以想到的是，将多个功能单元和以太网交换机布置在同一电路板上并且直接连接到在电路板上运行的导体轨道。经由已知的物理以太网连接和对应的电缆进行连接当然也是可能的。

根据基于服务器的控制设备的壳体中组合的功能单元的数量，以太网交换机的端口数量可以是20或者甚至更多。一个或多个以太网交换机的至少一个端口从壳体中引出并连接到网络。从壳体中引出的端口具有经由PHY模块实施的物理接口，并且这些端口负责转换信号电平和其他信号处理。

PHY模块提供机械、电气和其他功能辅助装置，用于激活和停用物理连接、维持物理连接并跨物理连接传输比特。因此，物理层也被称为比特传输层。分派给比特传输层的设备和网络组件例如是收发器、放大器、网络电缆的插头和插座。在比特传输层上，数字比特传输在有线或无线传输路线上进行。可以通过静态或动态复用在该层上共享传输介质。除了特定传输介质(例如铜电缆、光纤电缆)的规格、电网、以及插头连接的定义之外，还需要其他要素。另外，单个比特的传输方式必须在这一层面上解决：在计算机网络中，信息以比特序列或符号序列的形式传输。在铜电缆和无线电传输中，调制的高频电磁波是信息载体；在光纤电缆中，这些调制的高频电磁波是具有一种或多种特定波长的光波。根据调制方式，信息载体不仅可以采用零和一两种状态，还可以采用更多的状态。因此，必须为每种类型的传输定义代码。调整要传输到传输介质的信号可能需要很长的等待时间。

布置在控制单元的壳体中的功能单元(每个功能单元可以具有独立于其他功能单元执行的软件或固件)通过局域网以上文所描述的方式相互连接并且可以具有公共电源。在这种情况下，在各个功能单元中没有可以用于直接确定其是否经由PHY模块连接到网络或者其是否与其他组件一样布置在同一壳体中的信息。

容易看出，在相对大量的功能单元被容纳在一起并且经由一个或多个交换机相互连接的基于服务器的控制设备中，不方便放置的最高级时钟的时间同步消息在被实际传输到“外部”网络之前经历了很长的并且通常不可预测的等待时间。这可能会限制在网络的更远程网络设备处获取的数据的有用性，特别是当尽可能准确的获取时间或者与其他网络设备同步的数据获取对于协作处理(也被称为传感器融合)的结果很重要时。

因此，本发明的目的是指定一种方法和一种实施该方法的设备，该方法提供了经由通信网络连接的网络设备之间的时间同步的优化。

发明内容

因此本发明的目的是，通过权利要求1中指定的方法和权利要求13中指定的基于服务器的控制设备来实现的。在相应的从属权利要求中指定了实施例和进一步发展。

在经由第一网络或多个第一子网络彼此联网的控制设备的系统中执行的用于定义最高级时钟的根据本发明的方法首先包括确定整个网络的最佳时钟。这可以例如通过根据IEEE 802.1AS执行BMCA来实现。

彼此联网的控制设备中的至少一个是基于服务器的控制设备，该基于服务器的控制设备在一个物理单元中组合多个适合作为最高级时钟的源、在基于服务器的控制设备内借助第二网络经由交换机通信地连接的功能单元。基于服务器的控制设备经由一个或多个网络接口连接到第一网络或多个第一子网络。该一个或多个网络接口可以源自基于服务器的控制设备的交换机或者源自功能单元之一。因此，第一网络或第一子网络位于外部，而第二网络位于基于服务器的控制设备内。

如果先前确定的整个网络的最佳时钟位于基于服务器的控制设备中，则该方法还包括确定适合作为最高级时钟的源的选定的功能单元与将基于服务器的控制设备连接到第一网络或多个第一子网络的选定的主动网络接口之间的距离。

例如，可以通过分析PTP协议的宣告消息来确定作为最高级时钟的源的基本适用性。另一种选项是向相应的相邻组件发送PDelay消息或者开始测量连接的传播时间延迟。根据这些测量的结果，可以确定时间同步消息的路径并识别哪个功能单元实际上支持或能够执行时间同步协议。

选定的功能单元可以包括基于服务器的控制设备的适合作为最高级时钟的源的任何功能单元，也就是说具有内部计时器并且可以被配置为执行提供最高级时钟所必需的计算机程序指令的任何功能单元。作为替代方案，选定的功能单元可以包括基于服务器的控制设备的计时器满足预定最小需求的那些功能单元。例如，可以只考虑计时器的时钟参数与最佳主时钟算法所确定的最高级时钟的时钟参数等效或仅稍差的那些功能单元。在另外的替代方案中，选定的功能单元可以包括基于服务器的控制设备的将由最佳主时钟算法确定的最高级时钟的时间同步消息转发到选定的主动网络接口之一的那些功能单元。在后一种情况下，为了确定选定的功能单元，例如可以从同步消息中读取路径信息，或者如果路径应该是已知的，则可以从系统配置中得知该信息。

选定的主动网络接口可以包括基于服务器的控制设备到第一网络或第一子网络的任何网络接口，经由这些网络接口在系统操作的启动与结束之间至少偶尔传输或接收数据，也就是说，经由这些网络接口至少能够暂时到达至少一个另外的控制设备。作为替代方案，选定的主动网络接口可以包括将基于服务器的控制设备连接到执行时间要求严格的应用的控制设备所连接的第一子网络的那些网络接口。执行时间要求严格的应用的控制设备可以例如在网络初始化时通过适当的消息来指示这一点。

选定的功能单元与选定的网络接口之间的距离可以例如通过经由中间功能单元或交换机等进行的分组转发操作的数量来表征，或者通过通信线路的长度来表征，也就是说通过通信线路上的信号传播时间来表征。距离还可以具有描述例如两个功能单元之间的传输和/或接收模块中的延迟波动的因子，并且如果存在相对较大波动，则该因子实际上增加了用于根据本发明的方法的距离。可以例如经由传播时间测量结果来识别建立到第一网络或第一子网络之一的连接的网络接口。这利用了这样的事实，即基于服务器的控制设备内的功能单元之间的距离通常明显短于网络接口到经由网络电缆连接到第一网络或第一子网络的控制设备的连接。电缆上的信号传播时间明显变长。另外，网络接口通过其连接第一网络或第一子网络的组件可能会增加附加的延迟，例如所谓的PHY等待时间，这在基于服务器的控制设备内的连接的情况下不会发生。

如果该信息不作为配置信息等存在于基于服务器的控制设备的功能单元中，则网络的控制设备也可以使用直接互连的端口之间的传播时间的测量结果来确定其是否是基于服务器的控制设备的功能单元。在经由电路板或背板相互“无物理层”直接连接的功能单元之间，与经由PHY模块和更长连接介质(例如网络电缆)连接的控制设备相比，等待时间将显著降低。

根据本发明的方法还包括针对选定的功能单元中的每一个确定到所有选定的网络接口的平均距离，以及将到所有选定的网络接口的平均距离最小的选定的功能单元定义为整个网络的定义的最高级时钟。然后，定义的最高级时钟用作第一网络或第一子网络的最高级时钟并将对应的时间同步消息传输到这些网络中。

最小平均距离可以例如通过将到选定的网络接口的距离相加并将总和除以选定的网络接口的数量来形成。根据经由单独选择的网络接口连接的控制设备的准确性需求对其距离进行加权也是可以想到的。

在根据本发明的方法的实施例中，定义的最高级时钟可以在基于服务器的控制设备内将其自身与由最佳主时钟算法确定的最高级时钟同步。在这种情况下，由最佳主时钟算法确定的最高级时钟可以建立基准时域，该基准时域至少应用于功能单元，该功能单元作为定义的最高级时钟将时间同步消息传输到第一网络或第一子网络中。该基准时域的时间同步消息不必转发到基于服务器的控制设备之外。在这种情况下，定义的最高级时钟可以将根据IEEE 802.1AS标准的最高级时钟的域号0用于第一网络或第一子网络并传输其自身的标识。由于基于服务器的控制设备的所有功能单元都具有容许或支持该过程的软件，所以第一网络或第一子网络仍然与标准化时间同步方法和协议兼容。

被配置为至少执行上文所描述的方法的部分的基于服务器的控制设备的功能单元包括微处理器、易失性存储器和非易失性存储器、可同步计时器、以及经由一条或多条数据线或数据总线通信地相互连接的至少一个通信接口。通信接口将功能单元连接到布置在基于服务器的控制设备中的其他功能单元。这种连接可以直接进行或者经由路由器或交换机进行。

因此，被配置为执行上文所描述的方法的各个方面的基于服务器的控制设备包括经由第二网络通信地相互连接的多个功能单元。第二网络可以包括一个或多个交换机。功能单元或交换机的网络接口将第二网络连接到位于基于服务器的控制设备外部的第一网络。还可以想到的是，功能单元或交换机的多个网络接口在各自情况下将第二网络连接到位于基于服务器的控制设备外部的多个第一子网络中的一个第一子网络。功能单元或交换机中的两个或更多个被配置为至少执行上文所描述的方法的部分。

如本方法中所提出的，将最高级时钟重新定位到更靠近基于服务器的控制设备到与其连接的网络的接口可以在某些应用情况下实现更高的时间同步准确性，这在车辆网络中尤其有利，例如当某些子网络比其他子网络对时间同步准确性有更高的需求时。与上文进一步描述的来自图2a)的示例相比，这在图2b)中很容易识别：假设网络设备104是向位于基于服务器的控制设备外部的网络提供网络接口的网络设备，并且其中连接有对时间同步的准确性提出特别高需求的控制设备。将最高级时钟分派给网络设备104然后导致将时间同步消息转发到外部网络中的操作的数量更小。基于服务器的控制设备内的转发操作也可能导致那里的延迟，但是来自网络设备106、108或110的数据的时间戳相互之间的最大可能偏差比参考图2a)描述的示例中的更小。可以清楚地看到，在相应网络设备旁边示出的最大偏差范围已经变得更小。从网络设备104开始，时间信息最多被校正三次，而在图2a)所示的系统中，时间信息被校正多达五次。

即使在子网络可以被动态激活或停用的联网系统中——由BMCA确定的最高级时钟在其他情况下保持不变——将最高级时钟重新定位到更靠近基于服务器的控制设备到与其连接的网络的接口可能带来优势。例如，如果连接到基于服务器的控制设备的第一功能单元的第一网络接口并且对时间同步的准确性具有高需求的子网络被停用，则将基于服务器的控制设备内的最高级时钟重新定位到更靠近第二网络接口(经由该第二网络接口连接另一个仍然活跃的子网络)可以为该子网络提供更好的时间同步准确性。如果在连接在不同子网络中的控制设备之间移动对时间同步准确性有高需求的应用或功能，这同样适用。在这种情况下，将最高级时钟重新定位在更靠近执行应用或功能的控制设备所连接的网络接口的基于服务器的控制设备内可能是有利的。

在这种情况下，根据本发明的方法使用标准化时间同步方法，使得与其他网络设备的任何交互可以根据标准发生。通过根据本发明的方法对时间同步做出的改变仅发生在对网络关闭并且作为单元开发并且其软件组件可以在开发期间适当地调整和测试的控制设备内。在这种情况下，不需要改变硬件或附加组件。

重新定位还具有降低由位于基于服务器的控制设备内的最高级时钟进行的时间同步失败的可能性的优点，因为时间同步消息在进入第一网络之前经由较少数量的主动组件进行路由。

通过对连接到特定子网络或由此提供的功能或应用的控制设备进行适当的优先排序，可以为其实现更好的时间同步准确性。特别地，来自不同传感器(例如相机和雷达或激光雷达)的数据的融合由此可以得到改进。

在执行本方法时获得的知识，例如关于服务器单元的哪些功能单元(其行为类似于网络中的其他控制设备)位于壳体内并且经由电缆连接而连接的信息，也可以用于高效地提高系统安全性。通过监测信号，电缆连接比电路板上或电路板内的线路更容易被窃听，特别是在防止未经授权打开壳体或者至少通过适当的预防措施识别壳体的情况下。该信息可以用于例如优选地实施对应的交换机，以在实际上也具有可自由访问的接口或通信连接的那些网络设备上识别未经授权的插入的网络设备。因此可以节省宝贵的计算资源。

基于服务器的控制设备的功能单元的端口与建立到外部网络的连接的网络接口之间的距离可以作为距离索引存储在网络的拓扑图中。例如，直接连接到外部网络的端口或网络接口可以被分派距离0，而位于基于服务器的控制设备内更远处的端口或接口被分派相应地递增的更大的距离。根据本发明，如果系统的拓扑图可用，则距离索引可以用于定位最高级时钟。也可以在确定时间同步的失败概率和不准确性时使用距离索引。

附图说明

将在下文中参考附图通过示例解释本发明。在附图中：

图1示出根据IEEE 802.1AS标准的消息流，

图2示出根据IEEE 802.1AS同步的网络设备中时间信息的可能偏差的变化的示意性示例，

图3示出包含基于服务器的控制设备和子网络的系统的示例性框图，

图4示出了在已经执行BMCA之后的来自图3的系统，

图5示出了根据本发明的第一方面的在基于服务器的控制设备内创造性地重新定位最高级时钟之后的图3的系统，

图6示出了根据本发明的第二方面的在基于服务器的控制设备内创造性地重新定位最高级时钟之后的图3的系统，

图7示出了根据本发明的方法的一个方面的示意性流程图，以及

图8示出了实施该方法的基于服务器的控制设备的功能单元的示意性框图。

在附图中，相同或相似的元素可以使用相同的附图标记来指代。

具体实施方式

上文已经描述了图1和图2，因此将不再讨论。

图3示出了包含基于服务器的控制设备200和子网络240、242、244的系统的示例性框图。基于服务器的控制设备200包括连接到网络交换机202、204和206的多个功能单元208、210、212、214。网络交换机202、204和206互连，使得在基于服务器的控制设备内存在将功能单元208、210、212、214和网络交换机202、204和206相互连接的内部子网络。除了一个或多个网络接口之外，在这种情况下，功能单元可以包括微控制器或微处理器以及相关联的存储器，并且可以执行程序控制的功能。

功能单元可以连接到网络交换机，例如功能单元208和网络交换机202，或者功能单元212和网络交换机204，但是功能单元也可以连接到两个网络交换机，例如功能单元214和网络交换机206。

一个或多个网络交换机可以具有将内部子网络连接到位于基于服务器的控制设备外部的子网络的网络接口，例如网络交换机202和206。

功能单元本身也可以具有网络接口，该网络接口连接位于基于服务器的控制设备外部的子网络，例如子网络244所连接的功能单元214。在这种情况下，功能单元214可以建立到基于服务器的控制设备的内部子网络的连接。

子网络240包括控制设备226，子网络242包括控制设备228和230，并且子网络244包括控制设备220、222、224。控制设备220、222、224、226、228和230可以是例如传感器、致动器或其他基于服务器的控制设备。

图4示出了在已经执行BMCA之后的来自图3的系统。功能单元208提供系统的由时钟符号指示的最高级时钟。当对系统的相应控制设备中的计时器进行同步时，时间同步消息被校正和转发多达六次：首先，时间同步消息从功能单元208中的最高级时钟传输到交换机202。交换机202在进而向交换机206传输时间同步消息之前第一次校正时间信息。交换机206在向功能单元214传输时间同步消息之前第二次校正时间信息。功能单元214在向控制设备220传输时间同步消息之前第三次校正时间信息。控制设备220在向控制设备222传输时间同步消息之前第四次校正时间信息。最后，控制设备222在向控制设备224传输时间同步消息之前第五次校正时间信息。即使控制设备224不转发时间同步消息，该控制设备本身也会对时间信息进行第六次校正。时间同步消息的路径由实线箭头表示。

容易看出，时间信息的可能偏差在控制设备224中是最大的；至少关于偏差的不确定性对于该控制设备是最大的。在系统中，通常的情况是，传感器正好布置在网络的最外端并且分派给获取的测量值的时间戳可能因此具有高可能偏差。为了减少最大可能偏差，根据本发明确定基于服务器的控制设备200内的另一个功能单元或交换机是否适合作为最高级时钟以及是否也更靠近外部子网络的接口定位。

图5示出了根据本发明的第一实施例的在确定基于服务器的控制设备200内的满足条件的功能单元并遵循基于服务器的控制设备200内的最高级时钟的重新定位之后的来自图3的系统。在该示例中，这是功能单元214，该功能单元一方面具有其自身的到外部子网络的网络接口，并且另一方面相对于系统的所有其他交换机、功能单元和控制设备需要最小可能数量的时间同步消息的转发操作或校正。在图中所示的示例中，最多有三个。

图6示出了根据本发明的第二实施例的在基于服务器的控制设备200内创造性地重新定位最高级时钟之后的来自图3的系统。在该示例中，控制设备228和230具有特别高的时间同步需求。网络交换机206本身适合于提供最高级时钟。相对于提出高需求的控制设备，将最高级时钟重新定位到网络交换机206提供了最小可能数量的转发操作，特别地最多两个，并且对于其他功能单元和控制设备而言仍然具有相对较少数量的转发操作。

另外，来自控制设备228和230的数据的处理可以被重新定位到功能单元214，使得数据也可以用尽可能少的中间站转发。

图7示出了根据本发明的示例性方法300的流程图。在步骤302中，首先例如通过应用根据IEEE 802.1AS的最佳主时钟算法来确定网络的最佳时钟。在步骤304中，检查最高级时钟是否位于基于服务器的控制设备内。如果不是这种情况，则从步骤304分出“否”分支，方法结束。方法可以在下一次执行BMCA时重新开始。如果最高级时钟位于基于服务器的控制设备内，则从步骤304分出“是”分支，在步骤306中，确定基于服务器的控制设备内适合作为最高级时钟并且距所有选定的网络接口平均距离最小的功能单元。如果在步骤302中确定的最高级时钟是由在步骤306中确定的功能单元提供的，则从步骤308中分出“是”分支，方法结束。否则，从步骤308中分出“否”分支，在步骤310中，最高级时钟移动到在步骤306中确定的功能单元，并且方法结束。方法可以在下一次执行BMCA时重新开始。

步骤306可以包括涉及选择可以作为最高级时钟移动的候选的功能单元的步骤306-1。这可以包括检查所讨论的功能单元的时钟参数以及与时钟参数的最小需求进行比较。时钟参数包含在例如gPTP协议的宣告消息中。

步骤306还可以包括涉及确定从选定的功能单元到将基于服务器的控制设备连接到外部网络或子网络的选定的主动网络接口的距离的步骤306-2。为此目的，可以确定所有主动网络接口。主动网络接口可以例如经由在各自情况下两个相邻网络节点之间的消息的传播时间测量结果来确定；如果在两个网络节点之间测量到的传播时间与其他网络节点对相比显著增加，则可以假设连接不位于基于服务器的控制设备内并且因此是到位于基于服务器的控制设备外部的子网络的网络接口。

步骤306还可以包括步骤306-3，在该步骤中，将到所有选定的网络接口的平均距离最小的先前确定的功能单元定义为定义的最高级时钟。

图8示出了被配置为执行根据本发明的方法的网络设备400的示例性框图。除了微处理器402之外，网络设备400还包括易失性存储器和非易失性存储器404和406、两个通信接口408以及可同步计时器410。网络设备的元件经由一个或多个数据连接或数据总线412通信地相互连接。通信接口408可以是经由物理接口实施的逻辑接口或端口，或单独的物理接口。非易失性存储器406包含程序指令，这些程序指令在由微处理器402执行时实施根据本发明的方法的至少一个实施例。

附图标记列表：

100-110 网络设备

200 基于服务器的控制设备

202-206 交换机

208-214 功能单元

220-230 控制设备

240-244 子网络

300 方法

302-310 方法步骤

400 功能单元

402 微处理器

404 RAM

406 ROM

408 通信接口

410 计时器

412 总线

Claims

1.一种用于在经由第一网络或多个第一子网络(240，242，244)彼此联网的控制设备(200，220，222，224，226，228，230)的系统中定义最高级时钟的方法(300)，其中，这些联网的控制设备中的至少一个是基于服务器的控制设备(200)，该基于服务器的控制设备在一个物理单元中组合多个适合作为最高级时钟的源、在基于服务器的控制设备内借助第二网络经由交换机(202，204，206)通信地连接的功能单元(208，210，212，214)，该物理单元经由一个或多个网络接口连接到第一网络或多个第一子网络(240，242，244)，该方法包括：

-确定(302)整个网络的最佳时钟，

其中，当该最佳时钟位于基于服务器的控制设备中时，该方法包括：

-确定(306-2)适合作为最高级时钟的源的选定的功能单元与将基于服务器的控制设备连接到第一网络或多个第一子网络的选定的主动网络接口之间的距离，

-针对这些选定的功能单元中的每一个确定(306-3)到所有选定的网络接口的平均距离，以及

-将到所有选定的网络接口的平均距离最小的选定的功能单元定义(310)为第一网络或第一子网络的定义的最高级时钟。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，选定的功能单元是基于服务器的控制设备的适合作为最高级时钟的源的所有功能单元，到所述选定的主动网络接口的距离是针对所有功能单元的时钟来确定的。

3.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，选定的功能单元是基于服务器的控制设备的满足预定最小需求的那些功能单元，其中，到所述选定的主动网络接口的距离仅针对这些选定的功能单元的时钟来确定。

4.根据权利要求1所述的方法(300)，其中，选定的功能单元是基于服务器的控制设备的将最佳时钟的时间同步消息转发到网络接口的那些功能单元，其中，到所述选定的主动网络接口的距离仅针对这些选定的功能单元的时钟来确定。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，选定的主动网络接口是基于服务器的控制设备的所有主动网络接口。

6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法(300)，其中，选定的主动网络接口仅仅是基于服务器的控制设备的与如下的第一子网络相连接的网络接口，即，该第一子网络连接至执行对时间要求严格的应用的控制设备。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，基于服务器的控制设备内的定义的最高级时钟与通过应用最佳主时钟算法确定的最佳时钟同步。

8.根据权利要求7所述的方法(300)，其中，该定义的最高级时钟从在基于服务器的控制设备内通过应用最佳主时钟算法确定的最佳时钟接收基准时域中的时间同步消息，在将接收到的时间同步消息转发到第一网络或第一子网络中之前将包含在这些时间同步消息中的时钟的标识替换为其自身的标识。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，确定最佳时钟包括：

-根据IEEE 802.1AS执行BMCA。

10.一种包括指令的计算机程序产品，这些指令在通过基于服务器的控制设备(200)的功能单元(208，210，212，214)的处理器(402)执行程序时促使该程序执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

11.一种计算机可读介质，在其上存储有根据权利要求10所述的计算机程序产品。

12.一种基于服务器的控制设备(200)的功能单元(208，210，212，214)，该功能单元包括微处理器(402)、易失性存储器和非易失性存储器(404，406)、可同步计时器(410)以及经由一条或多条数据线或数据总线(412)通信地相互连接的至少一个通信接口(408)，其中，该功能单元被配置为执行根据权利要求1至9中的一项或多项所述的方法。

13.一种基于服务器的控制设备(200)，其具有多个经由第二网络相互通信地连接的根据权利要求12所述的功能单元(208，210，212，214)和至少一个交换机(202，204，206)，其中，功能单元(214)的或交换机(202，206)的网络接口将第二网络连接到第一网络，或者功能单元的或交换机的多个网络接口分别将第二网络连接到多个第一子网络的其中一个，所述第一网络或所述多个第一子网络位于基于服务器的控制设备(200)外部，其中，这些功能单元或交换机中的两个或更多个被配置为执行根据权利要求1至9中的一项或多项所述的方法。

14.一种车辆，其具有根据权利要求13所述的基于服务器的控制设备。