CN102404105A - 以太网交换机上实现时间同步的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种以太网交换机上实现时间同步的方法与装置，其装置包括：Switch模块、若干PHY模块、CPU模块以及时钟处理模块，其中，时钟处理模块包括一时钟同步子模块和一时钟产生子模块，通过采用同步以太网（SyncE，SynchronousEthernet）协议和IEEE1588协议提供的延时测量技术，根据PHY模块提供的时钟进行时钟同步，并产生***中相关模块需要的参考输入时钟，将主、从设备的频率进行同步，由于采用具有SyncE功能的PHY芯片，频率同步精度非常高，可以达到纳秒级。

Description

以太网交换机上实现时间同步的装置及方法

技术领域

本发明涉及网络交换机技术，尤其涉及一种以太网交换机上实现纳秒级精度时间同步的装置及方法。

背景技术

在工业网络中，往往需要该网络的不同设备都处于同步状态，在此条件下来协调设备之间的通讯。目前，以太网的组网技术是工业市场中增长最快的技术之一，因此在工业以太网交换机上面实现时间同步，能很好的满足当前工业网络的发展需求。

现在一些工业交换机上面用到了网络时间协议（NTP，Network Time Protocol）和IRIG-B码进行时间同步，其中，NTP是用于互联网中时间同步的标准协议，采用统计学和概率论的方法，对来自不同时间服务器的信息进行筛选，得出最接近本地时钟真实偏移值的偏移量，然后将这个偏移量通过本地时钟调整模块调整本地时钟。此外，通过本地路由选择运算法则和时间后台程序，服务器可以重新分配标准时间以实现时钟同步。

IRIG-B是美国靶场司令委员会制定的一种对时标准，现在广泛应用于军事、商业、工业等诸多领域。目前，在我国有很大一部分变电站智能设备的对时***采用IRIG-B码对时***。如图1所示，IRIG-B码对时***电路的基本原理是，通过中断（IQR）输入口处理IRIG-B码脉冲信号序列，先把同步信息与IRIG-B码的时间信息解析过来，通过对时模块的串行口（包括串行***设备接口SPI和串行通信接口SCI）和***各功能模块与CPU模块通信，传送具体时间代码和报文，同时通过一个TTL电平的I/O端口输出“秒”脉冲或“分”脉冲信号给主CPU模块进行时间同步。

然而，无论是NTP还是IRIG-B码，其同步精度通常只能达到毫秒级，且成本往往较高、传输距离有限。有鉴于此，非常有必要提供一种精度更高的以太网交换机上实现时间同步的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以太网交换机上实现时间同步的装置，其采用IEEE1588和同步以太网（SyncE，Synchronous Ethernet）协议，以提升以太网交换机的时间同步精度到纳秒级。

相应于所述装置，本发明还提供一种以太网交换机上实现时间同步的方法。

为实现上述发明目的之一，本发明提供了一种以太网交换机上实现时间同步的装置，该装置包括：

Switch模块：用于识别IEEE1588报文并提取报文中的时间戳，将IEEE1588报文上报到CPU模块；

若干PHY模块：用于通过同步以太网（SyncE）协议来恢复线路上的时钟，并将时钟传递到时钟处理模块；

CPU模块：用于运行精确时间协议(PTP，Precision Time Protocol)栈以管理时间同步***；以及

时钟处理模块：所述时钟处理模块包括一时钟同步子模块：用于接收PHY模块传递过来的时钟，并获取最佳输入时钟进行时钟同步；

以及一时钟产生子模块：用于根据同步时钟产生***中相关模块需要的参考输入时钟。

作为本发明的进一步改进，所述Switch模块还用于：

在报文中***时间戳，并将***时间戳后的报文发送到相应设备。

作为本发明的进一步改进，所述Switch模块通过硬件方式打时间戳。

为实现本发明另一发明目的，一种以太网交换机上实现时间同步的方法，该方法包括如下步骤：

S1、将主设备的时钟与网络中的最高级时钟进行同步;

S2、主设备将同步时钟的频率信息***PHY模块，并发送给从设备；

S3、从设备恢复频率信息并发送到时钟处理模块进行同步；

S4、时钟处理模块将同步后的时钟发送到Switch模块以完成主设备与从设备之间的频率同步；

S5、获取主设备和从设备之间的时间偏移量，并根据该时间偏移量对从设备的本地时间进行校正。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中“获取主设备和从设备之间的时间偏移量”的步骤具体为：

主设备按照特定时间间隔周期性地向从设备发送Sync报文，记录发送时间为t1；从设备接收到该Sync报文后，记录接收时间t2；

主设备在发送Sync报文后，紧接着发送一携带t1的Follow_Up报文；

从设备接收到Follow_Up报文后，向主设备发送一Delay_Req报文，记录发送时间为t3，主设备接收并解析该Delay_Req报文，记录接收时间t4，并向从设备回复携带t4的Delay_Resp报文，计算获得主、从设备间的单向线路延时Δt =[(t2–t1)+(t4–t3)]/2；

从设备继续接收主设备周期性地向从设备发送的Sync报文和Follow_Up报文，从设备接收该Sync报文并记录接收时间为t6，接收该Follow_Up报文并记录主设备发送Sync报文的时间为t5，得到从设备与主设备之间的时间偏移量Offset =t6-t5-Δt。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5还包括：

判断时间偏移量是否等于0；若是，结束主、从设备之间的时间同步；若否，对从设备的本地时间进行校正。

与现有技术相比，本发明采用IEEE1588和同步以太网（SyncE，Synchronous Ethernet）协议，并采用具有SyncE功能的PHY芯片以实现网络中主设备和从设备之间的时间同步，将以太网交换机的时间同步精度提升到纳秒级，且成本较低。

附图说明

图1是现有技术中IRIG-B码对时***的基本原理示意图；

图2是本发明一实施方式中的以太网交换机上实现时间同步的装置的结构示意图；

图3表示发明一实施方式中的以太网交换机上实现时间同步的方法的工作流程图；

图4是本发明中实现同步报文传递过程的时间点示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图2所示，在本发明一具体实施方式中，为了达到时间同步的目的，所提供的一种以太网交换机上实现时间同步的装置，包括：中央处理单元（CPU）模块101、交换（Switch）模块102、物理（PHY）模块103以及时钟处理模块104。

其中，Switch模块：其可包括通过端口（1、2…N），分别连接于N个物理（PHY）模块以实现与它们之间的通信。Switch模块主要用于识别IEEE1588报文并提取报文中的时间戳，将IEEE1588报文上报到CPU模块；Switch模块的作用还在于其可在报文中***时间戳，并将***时间戳后的报文发送到相应设备。优选地，在本实施方式中，所述Switch模块是通过硬件来打时间戳，其减少了IEEE1588报文通过PTP协议栈时消耗的时间，这样也保证了端口消息发送和接收时戳的精度。

PHY模块：用于通过同步以太网（SyncE）协议来恢复线路上的时钟，并将时钟传递到时钟处理模块；在本实施方式中，所述PHY模块可设置为一个或者多个，即可以根据实际需要配置为N个，N为不小于1的整数。

CPU模块：用于运行精确时间协议(PTP，Precision Time Protocol)栈以管理时间同步***；以及

时钟处理模块：用于根据PHY模块提供的时钟进行时钟同步，并产生***中相关模块需要的参考输入时钟。优选地，时钟处理模块104还可细分为一时钟同步子模块104a和一时钟产生子模块104b。其中，时钟同步子模块用于接收PHY模块传递过来的时钟，并获取最佳输入时钟进行时钟同步；而时钟产生子模块用于根据同步时钟产生***中相关模块需要的参考输入时钟。在产生相关模块（Switch模块和各PHY模块）所需要的参考输入时钟后，便对应的发送到相关模块中去。

图3所示的为本发明一种应用上述装置实现时间同步的方法的一具体实施方式，如图3所示，该方法可设置在主设备和从设备中进行说明，于是该方法包括如下步骤：

S1、将主设备的时钟与网络中的最高级时钟进行同步；其中，最高级时钟（GMC，Grandmaster Clock）为网络中需要同步的时间的一个标准。只有在主设备处于与最高级时钟同步之后，相应地从设备的同步才有意义。

S2、主设备将同步时钟的频率信息***PHY模块，并发送给从设备；优选地，通过以太网链路进行传输。

S3、从设备恢复频率信息并发送到时钟处理模块进行同步；优选地，通过支持SyncE功能的PHY模块从以太网链路恢复频率信息，然后送给时钟处理模块进行同步。

S4、时钟处理模块将同步后的时钟发送到Switch模块以完成主设备与从设备之间的频率同步；由于时间同步是频率同步的进一步发展，所以此步骤中的频率同步也是非常关键的一步。

S5、获取主设备和从设备之间的时间偏移量，并根据该时间偏移量对从设备的本地时间进行校正。其中，本实施方式中，只要主、从设备频率得到同步后，再采用IEEE1588协议提供的延时测量技术，通过报文消息的双向交互能较容易实现主、从设备的时间同步。

结合图4来看，在步骤S5中，“获取主设备和从设备之间的时间偏移量”的步骤具体为：

主设备按照特定时间间隔周期性（缺省时为2秒）地向从设备发送Sync报文，记录发送时间为t1；从设备接收到该Sync报文后，记录接收时间t2；

主设备在发送同步（Sync）报文后，紧接着发送一携带t1的跟随（Follow_Up）报文；

从设备接收到Follow_Up报文后，向主设备发送一个延时请求（Delay_Req）报文，记录发送时间为t3，主设备接收并解析该Delay_Req报文，记录接收时间t4，并向从设备回复携带t4的延时（Delay_Resp）报文。此时，从设备便拥有了t1～t4 这四个时间戳。由此可计算出主、从设备间的往返总延时为[(t2 – t1) +(t4 – t3)]，假定网络是对称的，所以主、从设备间的单向线路延时Δt = [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2；

从设备继续接收主设备周期性地向从设备发送的Sync报文和Follow_Up报文，从设备接收该Sync报文并记录接收时间为t6，接收该Follow_Up报文并记录主设备发送Sync报文的时间为t5，利用前面计算得到的线路延时Δt可以得到从设备与主设备之间的时间偏移量Offset = t6 - t5 - Δt。然后利用该Offset值对从设备的本地时间进行校正；

紧接着，从设备再继续接收主设备周期性地向从设备发送的Sync报文和Follow_Up报文，不断地计算Offset值，同时判断时间偏移量是否等于0；若是，结束主、从设备之间的时间同步；若否，继续按照上面的步骤对从设备的本地时间进行校正。

本发明通过SyncE的方法，能够将主、从设备的频率进行同步，由于采用具有SyncE功能的PHY芯片，频率同步精度非常高，可以达到纳秒级。SyncE是采用以太网链路码流恢复时钟的方法，不受链路业务流量影响，可以与主设备端保持高精度、稳定的频率同步。同时，由于时间同步是频率同步的进一步发展，只要主、从设备频率得到同步后，再采用IEEE1588协议提供的延时测量技术，通过报文消息的双向交互能较容易实现主、从设备的时间同步。其中时戳处理延迟是影响同步精度的主要因素之一，本发明IEEE1588报文时戳处理由Switch芯片完成，即采用硬件打时戳的方式，减少了IEEE1588报文通过PTP协议栈时消耗的时间，这样也保证了端口消息发送和接收时戳的精度。

另外，在采用SyncE进行频率同步的基础上实施IEEE1588协议，有助于时间同步的快速收敛，而且可以降低IEEE1588报文发送频率，在网络负荷较重时，也不影响时间精度，使得时间同步具有更高可靠性和更高精度。

本发明的方法实现简单，技术成熟，所需的硬件器件比较少，采用现有的以太网链路传输时间同步信息，无需组建专用的时间同步网络，成本比较低。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种以太网交换机上实现时间同步的装置，该装置包括：

Switch模块：用于识别IEEE1588报文并提取报文中的时间戳，将IEEE1588报文上报到CPU模块；

若干PHY模块：用于通过同步以太网（SyncE）协议来恢复线路上的时钟，并将时钟传递到时钟处理模块；

CPU模块：用于运行精确时间协议(PTP，Precision Time Protocol)栈以管理时间同步***；以及

时钟处理模块；

其特征在于，所述时钟处理模块包括一时钟同步子模块：用于接收PHY模块传递过来的时钟，并获取最佳输入时钟进行时钟同步；

以及一时钟产生子模块：用于根据同步时钟产生***中相关模块需要的参考输入时钟。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述Switch模块还用于：

在报文中***时间戳，并将***时间戳后的报文发送到相应设备。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述Switch模块通过硬件方式打时间戳。

4.一种应用权利要求1至3中任意一项所述的装置实现时间同步的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、将主设备的时钟与网络中的最高级时钟进行同步;

S2、主设备将同步时钟的频率信息***PHY模块，并发送给从设备；

S3、从设备恢复频率信息并发送到时钟处理模块进行同步；

S4、时钟处理模块将同步后的时钟发送到Switch模块以完成主设备与从设备之间的频率同步；

S5、获取主设备和从设备之间的时间偏移量，并根据该时间偏移量对从设备的本地时间进行校正。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中“获取主设备和从设备之间的时间偏移量”的步骤具体为：

主设备按照特定时间间隔周期性地向从设备发送Sync报文，记录发送时间为t1；从设备接收到该Sync报文后，记录接收时间t2；

主设备在发送Sync报文后，紧接着发送一携带t1的Follow_Up报文；

从设备接收到Follow_Up报文后，向主设备发送一Delay_Req报文，记录发送时间为t3，主设备接收并解析该Delay_Req报文，记录接收时间t4，并向从设备回复携带t4的Delay_Resp报文，计算获得主、从设备间的单向线路延时Δt =[(t2–t1)+(t4–t3)]/2；

从设备继续接收主设备周期性地向从设备发送的Sync报文和Follow_Up报文，从设备接收该Sync报文并记录接收时间为t6，接收该Follow_Up报文并记录主设备发送Sync报文的时间为t5，得到从设备与主设备之间的时间偏移量Offset =t6-t5-Δt。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：

判断时间偏移量是否等于0；若是，结束主、从设备之间的时间同步；若否，对从设备的本地时间进行校正。

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