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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Computersynchronisierung und insbesondere ein System
und Verfahren zum Synchronisieren von mehreren Knoten an einem Netz,
bei dem ein Konvergenzverfahren benutzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei jedem Netzsystem ist die Synchronisierung
jedes Knotens im Netz von Bedeutung, um sicherzustellen, daß das Netz
einwandfrei funktioniert. Nicht synchronisierte Knoten können Störungen im
Netz verursachen, da zwischen den Knoten Fehlkommunikation eintreten
kann.
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Jede Implementierung von Synchronisation
muß so
zuverlässig
wie möglich
sein. Je zuverlässiger eine
Synchronisationsimplementierung jedoch ist, desto komplizierter
wird auch die Implementierung dieses Verfahrens gewöhnlich sein.
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Beispielsweise beruhten bisherige
Synchronisierungsalgorithmen auf dem Konzept der interaktiven Konvergenz
durch örtliche
Zeitmarkierung rundgesendeter Nachrichten. Um einen entschiedenen
und global übereinstimmenden
Takt zu erreichen, mußte
der Wert des Takts des entfernten Knotens vom Synchronisierungsalgorithmus
abgeleitet werden. Obwohl sich dieser Ansatz als fehlertolerant
erwiesen hat, ist er naturgemäß kompliziert
und ressourcenintensiv.
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Zusätzlich werden durch die Implementierung
eines Synchronisierungsalgorithmus hauptsächlich durch Software auf dem
Prozessor des Knotens der Hardware des Knotens selbst Erfordernisse
auferlegt. Zur Implementierung der Synchronisierungssoftware könnte auf
dem Knoten hochwertige Hardware erforderlich sein, um einen hohen
Zuverlässigkeitsgrad
des Synchronisierungsverfahrens aufrechtzuerhalten. Durch dieses
Erfordernis hoher Güte
werden die Gesamtkosten der Implementierung sehr gesteigert und
sie ist in manchen Fällen
zur Durchführung
der beabsichtigten Funktionen des Netzes unnötig.
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Es besteht daher ein Bedarf nach
einem Synchronisierungsverfahren zur Synchronisierung der Knoten
eines Netzes, das genügend
Merkmale aufweist, um eine zuverlässige Synchronisierung sicherzustellen und
dabei die Kompliziertheit der Implementierung zu verringern und
die Standards für
hohe Güte
der Hardware herabzusetzen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung benutzt
eine vom Netzknoten getrennte Hardwareimplementierung zum Synchronisieren
jedes Netzknotens. Die Synchronisation des Netzes wird in einem
Redundanzverwaltungssystem (RMS – Redundancy Management System)
implementiert, das an gebräuchliche
Kommunikationsverfahren im Netz angekoppelt werden kann, in Verbindung
mit einer frei programmierbaren Logikanordnung (FPGA – Field
Programmable Gate Array) zum Implementieren des Synchronisierungsalgorithmus.
Auch nutzt die Erfindung die Fähigkeit
einige Kommunikationsprotokolle wie beispielsweise IEEE 1394 zum
periodischen Rundsenden ihrer örtlichen
Takte, Bilden einer verteilten globalen Datenbank und Vereinfachen
des Synchronisierungsvorgangs. Um einen global übereinstimmenden Takt zu erreichen,
benutzt der Algorithmus interaktive Konvergenzverfahren.
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Nach der Erfindung entspricht ein
Verfahren zum Synchronisieren von Knoten in einem Netz dem Anspruch
1.
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Nach der Erfindung entspricht ein
System zum Synchronisieren von Knoten in einem Netz dem Anspruch
6.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm eines Netzes des Standes der Technik, bei dem eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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2 ist
ein Diagramm der Funktionsteile einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Flußdiagramm,
das den Synchronisierungsvorgang gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
ein typisches Netzsystem, in dem die vorliegende Erfindung benutzt
wird. Die Netzknoten 101 sind über Kommunikationsbusse 103 miteinander
verbunden, um das Netzsystem zu bilden. Jedem Netzknoten ist ein
Redundanzverwaltungssystem (RMS – Redundancy Management System) 105 zugeordnet,
das viele fehlertolerante Funktionen einschließlich der Sychronisierung der
Knoten 101 im Netz durchführt. Das RMS 105 kann
Logikgatter verwenden, um gewisse Synchronisierungsfunktionen über eine
freiprogrammierbare Logikanordnung (FGPA – Field Programmable Gate Array)
zu implementieren.
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Auf den Kommunikationsbussen 103 zwischen
den Knoten können
Kommunikationsprotokolle wie beispielsweise IEEE 1394 benutzt werden,
die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. IEEE 1394
ist ein Hardware- und Softwarestandard zum Transportieren von Daten
mit 100, 200 oder 400 Megabit pro Sekunde (Mbps). Ein nützliches
Merkmal des Kommunikationsprotokolls IEEE 1394 ist die
Fähigkeit,
den lokalen Takt der Knoten periodisch rundzusenden.
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2 zeigt
die Funktionsteile einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems 201 entsprechend der
vorliegenden Erfindung und mit einem Teil des in 1 dargestellten Redundanzverwaltungssystems 105. Entsprechend
der vorliegenden Erfindung werden alle Strukturelemente des Systems 201 durch
eine freiprogrammierbare Logikanordnung implementiert.
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Das System 201 weist ein
Taktempfängermodul 203 auf,
das von anderen Knoten im Netz rundgesendete Taktwerte aufnimmt.
Das Taktempfängermodul 203 speichert
jeden Taktwert in einem Zeitgeber, der diesem Knoten entspricht.
Das Taktempfängermodul 203 unterhält eine
Gruppe von Taktzeitgebern 204 für alle Knoten im Netz. Nach
seiner Speicherung wird jeder Taktwert entsprechend der internen
Tickfrequenz dieses Knotens erhöht.
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Das System 201 weist auch
ein Entscheidungsmodul 205 auf, das den von allen Knoten
im Netz zu benutzenden richtigen Taktwert bestimmt. Vom Entscheidungsmodul 205 wird
ein Entscheidungsalgorithmus an die Taktzeitgeber in der Gruppe
angelegt, um den entschiedenen Taktwert zu erreichen. Von jedem
Knoten wird bei dieser Bestimmung derselbe Algorithmus angewendet.
Da jeder Knoten dieselben Taktwerte von den anderen Knoten im Netz
erhält
und denselben Algorithmus anwendet, erzielt jedes Entscheidungsmodul 205 denselben
entschiedenen Taktwert.
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Der verwendete Entscheidungsalgorithmus
ist ein fehlertoleranter Algorithmus zum Auswählen des Mittelwertes. Der
entschiedene Takt ist der Mittelwert der Extremwerte der Menge X
f entsprechend der folgenden Gleichung:
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Die Menge Xf umfaßt nicht
unbedingt alle Taktwerte in der Gruppe. In Abhängigkeit von dem Zeitpunkt der
Entscheidung kann die Menge von Taktwerten auf diejenigen Taktwerte
beschränkt
sein, die sich auf mit einem anderen Knoten synchronisierte Knoten
beziehen. In der anfänglichen
Synchronisierungsrunde können potentiell
alle Knoten in der Menge enthalten sein. Sobald bestimmt worden
ist, daß einige
Knoten im Netz synchronisiert sind, werden nur diese Knoten im Entscheidungsalgorithmus
in Betracht gezogen.
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Darüberhinaus können fehlerhafte Werte aus
der Arbeitsmenge ausgeschlossen werden. Die folgende Gleichnung
beschreibt die Bildung der Menge von zu benutzenden Taktwerten. ∀ |X| ≥ max(2, 3f)
Xf = reduce(X)
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Die Menge X weist eine Mindestzahl
von Taktwerten größer gleich
dem Höchstwert
von entweder zwei Taltwerten oder dem dreifachen der Anzahl von
fehlerhaften Taktwerten in der Menge auf. Fehlerhafte Werte sind
Taktwerte von Knoten, die Fehldarstellungen ihres Taktwertes sind
und eine große
Abweichung von den anderen Taktwerten aufweisen. Durch Verwerfen
der fehlerhaften Extremwerte aus der Menge X wird die reduzierte
Menge Xf gebildet.
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Das System 201 weist ein
Takteinstellmodul 207 auf, das direkt mit dem Takt des
Knotens in Wechselwirkung steht. Das Takteinstellmodul 207 ist
in der Lage, den Taktwert des Knotens zu erhalten und den Taktwert
an die anderen Knoten rundzusenden. Auch kann das Takteinstellmodul 207 den
lokalen Takt des Knotens auf den entschiedenen Taktwert einstellen.
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Ein Synchronisation-Erkennungsmodul 209 ist
ebenfalls Teil des Systems 201. Das Synchronisation-Erkennungsmodul 209 vergleicht
die Taktwerte zum Bestimmen des Synchronisationszustandes und verwaltet
die Flaggen, die anzeigen, ob ein Knoten mit anderen Knoten synchronisiert
ist.
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Synchronisierung beruht auf dem Konzept
einer aus einer endlichen Anzahl von unteilbaren Ticks bestehenden
Atomperiode. Die Atomperiode bestimmt das Synchronisationsintervall
und die Anzahl von Ticks bestimmt die Genauigkeit der Synchronisation.
Die kleinste durchführbare
Takteinstellung ist ein Tick und daher bestimmt die Anzahl von Ticks
in einer Atomperiode letztlich den Synchronisationsjitter.
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Es gibt pro Atomperiode einen Synchronisationszyklus
und daher eine Takteinstellung. Synchronisationsjitter wird im wesentlichen
durch die Genauigkeit des die lokalen Zeitgeber antreibenden Quarzoszillators und
durch die rundgesendete Taktlatenzzeit bestimmt.
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Wenn das Synchronisation-Erkennungsmodul 209 für einen
Knoten bestimmt, daß es
mit mindestens einem anderen Knoten synchronisiert ist, wird der
Takt für
diesen Knoten auf einen Anfangs-Taktwert (typischerweise 0) rückgesetzt
und das Synchronisation-Erkennungsmodul 209 setzt
seine Flagge „IN_SYNC" auf wahr. Ein Knoten
ist mit einem anderen Knoten synchronisiert, wenn der in Hardware-Zeitgeberticks
gemessene Unterschied zwischen seinem Takt und dem Takt des anderen
Knotens weniger als eine anwendungsabhängige Ticktoleranz beträgt.
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3 zeigt
ein Flußdiagramm,
das die Funktionsweise des erfundenen Systems beim Synchronisieren
der einzelnen Knoten des Netzes beschreibt. Im ersten Schritt 301 wird
von jedem Knoten sein Taktwert zu allen andren Knoten rundgesendet.
Während
des Schritts 301 empfängt
jeder Knoten die Taktwerte der anderen Knoten.
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Rundsenden des Taktwertes zu anderen
Knoten tritt periodisch nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls
ein. Dieses Zeitintervall sollte groß genug sein, um das Rundsenden
und den Empfang von Taktwerten von allen Knoten zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße System
benutzt die Fähigkeit
des Protokolls IEEE 1394, den lokalen Takt der Knoten periodisch
rundzusenden. Obwohl der lokale Takt nach einem vorbestimmten Zeitintervall
gemäß dem Protokoll
IEEE 1394 rundgesendet wird, wird der Zeitpunkt seiner Rundsendung durch
das erfindungsgemäße System
gesteuert, da es den lokalen Takt der Knoten einstellt, der die
Rundsendung triggert. Zusammen mit jedem rundgesendeten Taktwert
wird von jedem Knoten seine Synchronisiert-Flagge rundgesendet.
Wenn Synchronisation zum ersten Mal eintritt, wird der Wert der
Synchronisiert-Flaggen auf Falsch gesetzt.
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Nach Empfang der Taktwerte und des
Synchronisiert-Zustandes
von den anderen Knoten ist der nächste
Schritt 303 die Berechnung des entschiedenen Taktwertes.
Die Entscheidung wird gewöhnlich
in der Nähe
der Mitte jeder Atomperiode durchgeführt. Von jedem Knoten wird
dann im Schritt 305 sein Taktwert auf diesen entschiedenen
Taktwert rückgesetzt.
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Im Schritt 307 vergleicht
jeder Knoten die Taktwerte von allen Knoten im Netz, um den Synchronisiert-Zustand zu bestimmen.
Die zu vergleichenden Taktwerte sind die Werte, die in den entsprechenden
Zeitgebern gespeichert worden sind und nicht die Taktwerte, die
im Schritt 305 neu eingestellt worden sind. Durch Vergleichen
dieser gespeicherten Werte kann jeder Knoten bestimmen, welche Knoten
des Netzes synchronisierte Taktticker aufweisen.
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Die in 3 umrissenen
Schritte werden fortlaufend wiederholt, um Synchronisation sicherzustellen. Durch
Beschränken
der Menge von Taktwerten, von denen der entschiedene Taktwert bestimmt
wird, auf diejenigen Knoten, die miteinander synchronisiert sind,
wird jede Wiederholung der Schritte den entschiedenen Takt auf einen
mit den meisten Knoten übereinstimmenden
Wert bringen.
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Die in 3 aufgeführten Schritte
können über eine
FPGA in Hardware implementiert werden. Dadurch, daß zum Implementieren
des Synchronisierungsvorganges ein getrenntes Hardwaresystem zur
Verfügung
steht, sind die Güteerfordernisse
an die Prozessoren jeden Knotens nicht so hoch und können auf
das zur Durchführung
der Hauptzwecke des Netzes genügende
Niveau eingestellt werden.
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Implementierung des Synchronisierungsvorganges
auf einer FPGA kann durch Kodierung der folgenden Funktion in die
Logikanordnung erreicht werden.
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Der Code ist als Pseudosprache mit
Blockstruktur mit folgenden Konventionen dargestellt:
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- – Schlüsselworte
und Vergleichsoperatoren der Sprache sind in GROSSBUCHSTABEN und
im SCHRIFTBILD COURIER fett dargestellt.
- – Konstanten
sind in GROSSBUCHSTABEN und SCHRIFTBILD COURIER dargestellt.
- – Kommentare
beginnen mit einem doppelten Schrägstrich (//), fahren zum Ende
der Zeile fort und sind in Kursivschriftbild courier kursiv dargestellt.
- – Globalen
Variablen ist ein g_ wie bei g_local_clk vorangestellt.
- – Flußkontrollanweisungen
sind zur Lesbarkeit mit einem in geschweifte Klammern eingeschlossenen
numerischen Wert kommentiert (d. h. IF {1} (Ausdruck) beginnt eine
IF-Flußkontrollanweisung
und END IF {1} beendet die Anweisung).
- – Die
Operatoren der Sprache sind folgende:
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| SORT
(array) |
Sortiert
Gruppe und ergibt array [n] ≤ array
[n + 1] ... |
| REMAINDER
(A, B) |
Ergibt
den Rest von A ÷ B |
| ABSOLUTE
VALUE (A) |
Ergibt
den ganzzahligen Absolutwert von A |
| INCREMENT
(A) |
Erhöht A, d.
h. A = A + 1 |
| A.EQ.B |
Gleichwertigkeit,
ergibt wahr wenn A = B |
| A.NE.B |
Nicht
gleich, ergibt wahr wenn A ≠ B |
| A.LT.B |
Weniger
als, ergibt wahr wenn A < B |
| A.GT.B |
Größer als,
ergibt wahr wenn A > B |
| A.LE.B |
Weniger
gleich, ergibt wahr wenn A ≤ B |
| A.GE.B |
Größer gleich,
ergibt wahr wenn A ≥ B |
| A.AND.B |
Logisch
UND, ergibt wahr wenn A A B |
| A.OR.B |
Logisch
ODER, ergibt wahr wenn A ⋎ B |
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Der erste Abschnitt des Pseudocodes
definiert Konstanten, Sondertypen und globale variable Erklärungen.
Die Kommentare in diesem Abschnitt beschreiben den Zweck jeder Erklärung.
| CONSTANTTRUE
= 1; | //
boolescher Wert wahr |
| CONSTANTFALSE
= 0; | //
boolescher Wert falsch |
| CONSTANTSYN_PREC
= 1000; | //
Ticks pro Atomperiode |
| CONSTANTPERIOD_START
= 0; | //
Tickzählung
an einer Atomperioden// Grenze |
| CONSTANT | //
Takt-Beginnwert für |
| STARTINGCLOCK
VALUE = 0;_ | anfängliche
// Arbeitsmenge |
| CONSTANTSYNC
RUN = SYNC_PREC* 0.10; | //
Sync-Funktion-verzögerung in
einer // Atomperiode |
| CONSTANTNUM_NODES
= 4; | //
Anzahl von Knoten im System |
| CONSTANTLISTEN_TIME
= 2; | //
Abhörzeit
bei Anfahren in // Atomperioden |
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| CONSTANT
OWN_NID = HDWR_SETTING; |
//
Einstellen durch Hardwarekoppelung |
| EQUIVALENCE
WAS RCVD TRUE; |
//
WAS RCVD ist boolesch wahr |
| EQUIVALENCE
NOT RCVD FALSE; |
//
NOT RCVD ist boolesch falsch |
| EQUIVALENCE
IN_SYNC TRUE; |
//
IN SYNC ist boolesch wahr |
| EQUIVALENCE
NO_SYNC FALSE; |
//
NO_SYNC ist boolesch falsch |
| TYPE
SYNC TIME IS INTEGER 32 BITS; |
//
Die Taktart (32 Bit) |
| TYPE
BOOLEANV_FLAG IS UNSIGNED : 1 BIT; |
//
Eine boolesche Flagge |
| TYPE
COUNT IS INTEGER : 32 BITS; |
//
Eine ganzahlige Zählung
(32 Bit) |
| SYNC_TIME
g_local_clk = 0; |
//
Der lokale Zeitgeber des Knoten |
| SYNC_TIME
g_global_clks [λNUM_NODES]; |
//
Die Taktdatenbank |
| BOOLEAN_FLAG
g_first_to_sync = FALSE; |
//
Zeigt an, daß dieser
Knoten ein // Mitglied der ersten Arbeits// menge ist |
| BOOLEAN_FLAG
g_in_sync_flag = FALSE; |
//
Dieser Knoten ist synchronisiert |
| BOOLEAN_FLAG
g_next_sync_flag = FALSE; |
//
Dieser Knoten wird an der Grenze // der nächsten Atomperiode synchronisiert
sein |
| BOOLEAN_FLAG
g_rcvd[NUM_NODES] = FALSE; |
//
Zeigt an, daß eine
Taktnachricht // von einem Knoten empfangen wurde |
| COUNT
g_nodes_in_sync = 0; |
//
Die Anzahl von Knoten, von denen dieser // Knoten glaubt, daß sie synchronisiert
sind |
| COUNT
glisten = 0; |
//Anlaufverzögerungszähler |
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Die vorliegende Erfindung soll durch
die in der Beschreibung beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
nicht als in ihrem Umfang begrenzt erachtet werden.
