CN102480331A - 用于交换时标的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在第一网络与第二网络(NW2)之间交换时标的设备和方法，其中时标(ZM1a，ZM1b)分别由具有由编码过的时间信息构成的有用载荷的数据包构成。在此，装置(E)构建为接收第一时标(ZM1a)，直接获得编码过的时间信息，并且将编码过的时间信息***第二协议的新数据包并且将该数据包作为第二时标(ZM1b)借助第二网络(NW2)来发送。通过这样的设备和这样的方法可以越过网络边界进行时间信息或时间接收器的时钟控制的闭合调节。

Description

用于交换时标的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的具有用于在定时器与时间接收器之间交换时标的装置的设备，以及一种根据权利要求4的前序部分所述的用于在第一网络与第二网络之间交换时标的方法。
背景技术
在许多技术领域中需要使在不同技术设备中的时间信息例如时钟精确地彼此同步。在借助数据网络彼此连接的设备和部件中，为此交换特定的消息，其也称作时标或“时间戳消息”或“同步消息”。根据这些技术或所使用的通信协议，将不同地标准化的协议用于时标。例如，在针对办公室通信所用的基于以太网连线并且根据TCP/IP协议交换数据的网络技术中，针对时标使用根据IEEE1588标准化的协议PTPv2(PTP＝PrecisionTime Protocol精确时间协议)或也使用根据标准IEEE 802.1AS的gPTP，而在针对自动化技术和程序控制工程所用的Profinet网络、例如ProfinetIO中，使用根据IEC 61158类型10标准化的方法PTCP(PTCP＝PrecisionTransparent Clock Protocol精确透明时钟协议)。
除了所提及的时标(其从定时器(也称作“主机”、“时间主机”或“时间服务器”)传输至时间接收器(也称作“时间接收器”、“客户端”或“时间从机”))之外附加地发送消息，借助该消息确定和传递同步消息(时标)的传播时间(线延迟)，例如“延迟请求帧”和“延迟响应帧”，除了时标之外在定时器与时间接收器之间交换的消息在以下一般而言将称作“校正报告”。为了确定同步消息或时标的传播时间，所有路程段被测量并且在接收器处分析同步消息时被考虑。为了使接收器不需要关于整个传输路程(所有路程段)的信息，延迟不仅在同步消息的自己的字段中累积地传输或在自己的消息(进度控制)中累积地传输。因此，通过时标和通过也“在相对方向上”发送的校正报告(例如延迟请求帧)实现信号传播时间的校正，由此在网络中可以在定时器与时间接收器之间以高精度进行同步。
此外，调节路程通过(新)同步消息或时标的“规则的”接收(所谓“跟随帧”)以及由此对在SyncSlave(即时间接收器)中的“漂移”或“时钟控制偏差”的可能的测量推断调节路程；在时间接收器中的“时钟”的频率用作调节量(更快/更慢)，该频率通过第一因数(“Rate CompensationFactor”，RCF速率补偿因数)来匹配(修正)。借助另一因数，“OffsetCompensation Factor偏移补偿因数”(OCF)，迄今累积的偏差通过在接收器中的附加地加速或延缓时钟发生器或定时器来补偿，在此情况下于是调整该偏差，该偏差由于在接收器中在接收两个时标之间的时间段中的接收器晶体的“漂移”等等而出现。整个补偿于是并非跳跃地实现，而是接收器的时间信息在理想情况下始终接近期望值；仅传播时间延迟(线延迟)并不通过借助在接收器中的因数(RCF、OCF)匹配时钟控制而是通过将在接收器中的总延迟相加来考虑。通过限制因数(RCF、OCF)将接收器“时钟”的匹配分布到匹配时间段上；这对应于调节器特性的衰减。
在自动化技术中，以及在其他技术领域中常用的是，将不同技术的数据网络(或以不同的通信协议)彼此链接；在此通常称作“网关”的装置插到两个网络的接口上，这些装置将消息从第一通信协议转换到第二通信协议中，反之亦然。为了越过网络的边界而交换时标，在此已知的是，网关配备有所谓的“边界时钟”，其中“边界时钟”原则上包括时间接收器和与此链接的定时器。在此，于是在一个设备中的两个同步域借助“SyncSlave”和“SyncMasters”彼此链接。
时间接收器在此与进行发送的网络的定时器同步，其中时间接收器接收第一网络的定时器的时标并且与其也交换校正报告，使得第一网络的传播时间延迟可以被考虑。为此，将独立的数据字段“延迟”引导到时标中，在该数据字段中积累了所有迄今经历的路程段的传播时间延迟。从所接收的时标于是获得编码于其中的时间信息并且由此提取精确的时间信息并且传送给另一定时器，其同样是“边界时钟”的组成部分。在此现在产生第二网络协议的时标，其将时间信息重新编码以及***到时标中并且发送给第二网络的接收器(时间接收器)，其中该接收器又与第二定时器交换校正报告，使得第二网络的传播延迟也可以被测量并且除了第一网络的传播时间延迟之外也可以被考虑。在时间接收器(SyncSlave)中，将“延迟”值加到解码过的时间信息。
“边界时钟”的时间接收器和定时器(其同样为两个彼此独立驱动但耦合的“时钟”)同样可以是受控的***，其中时间接收器跟随定时器，使得在此情况下也可以或者必须通过因数(RCF、OCF)进行匹配，也可以在“边界时钟”内确定延迟值并且将其加到时标的相应数据字段上。
通过使用已知的“边界时钟”于是可能的是将两个设备或部件彼此同步，其设置在具有针对时标的不同协议的不同网络中。然而使用“边界时钟”也有缺点。由于原则上两个应用必须彼此链接，即时间接收器和定时器(也谈及“应用过渡”)，所以一方面出现在“边界时钟”中时间信息的比较长的停滞时间，并且由此出现由参与时标的传输的网络部件的非理想的时钟发生器的“偏移”引起的偏差，其中随着时间信息的“使用期”增加，偏差也增加。尽管该偏差在许多应用中和在许多网络拓扑中并不明显，但会发生多个网络彼此链接或链式连接，使得多个应用过渡对于时标是必要的。
时标的总传播时间和由此时间信息的“使用期”于是随着在网络之间的每次过渡而增加并且因此随着经历的“边界时钟”的数目而增加。另一方面，由两个网络和“边界时钟”构成的装置是由至少两个调节回路(即两个链接的网络的每个中各一个)构成的级联的“调节”；通常在“边界时钟”内还添加第三调节回路。在调节回路链式连接时，补偿因数会随着每个经历的调节级而变大。但由于时间信息的大的或甚至跳跃的改变在(最终)时间接收器中是不希望的(稳定性要求)，所以整个***必须以更高的衰减来驱动。这意味着：随着经过的路程段和“边界时钟”的数目而“输出信号”(即时间信息)的振荡的危险升高；这通过将计数器中的时间信号的可能较缓慢地校正为“主机信号”来被预防，然而这导致更为缓慢且更差的校正特性。
发明内容
因此，本发明的任务是改进在不同网络中尤其是在具有多次网络过渡的装置中在定时器与时间接收器之间的同步。
该任务的解决方案基于如下认识：用于不同协议的时标的数据包尽管在“头部”或其他网络特定的协议信息方面不同，然而在有用内容(即时间信息)的编码方面几乎基本上并不彼此不同，使得可以将时间信息从第一协议的时标直接递交到第二协议的时标，而不必将时间信息解码并且随后又重新编码，即没有应用过渡部。由此，一方面可以缩短时间信息在网络之间的过渡部中的“停滞时间”。另一方面，本发明的另一主要思想在于如下认识：当仅仅单个的“闭合的路程段”代替“级联的调节部”存在，即调节借助部件因数(RCF，OCF)和时标(跟随帧)的序列在整个路程之上而非在各个路程段和应用过渡部(边界时钟)之上进行时，对漂移和时间接收器的其他偏差的更好的补偿是可能的。
该任务的解决方案尤其是设计了根据权利要求1所述的设备和根据权利要求4所述的方法。
在此，提出了一种设备，其具有用于在第一网络中的定时器与在第二网络中的时间接收器之间交换时标的装置，其中在第一网络中设置有用于时标的第一协议而在第二网络中设置有用于时标的与第一协议不同的第二协议，并且其中时标分别由具有有用载荷的数据包构成，有用载荷由编码过的时间信息构成。在此，该装置构建为用于借助第一网络接收第一时标并且直接取得编码过的时间信息，并且将编码过的时间信息***到第二协议的新数据包中并且将该数据包借助第二网络发送。通过这样的设备一方面可以越过网络边界快速地传输时间信息，使得与转换持续时间有关的“漂移”可以被减小，并且另一方面对越过一个或所有网络边界的延迟的闭合调节能够实现避免级联调节的缺点，即改进了振荡特性、降低了所需的总衰减并且由此实现了快速起振到期望值。
此外，该任务通过用于在第一网络与第二网络之间交换时标的方法来解决，其中在第一网络中使用了用于时标的第一协议而在第二网络中使用了用于时标的与第一协议不同的第二协议，其中针对时标分别使用具有编码过的时间信息所构成的有用载荷的数据包。在此，在第一步骤中借助第一网络接收第一时标，在第二步骤中从所接收的数据包中提取编码过的时间信息，在第三步骤中根据第二协议产生数据包，其中从第一数据包获得的编码过的时间信息作为有用载荷被添加到数据包中，并且在第四步骤中第二数据包作为时标借助第二网络传输给至少一个接收器。通过这样的方法可以实现已结合根据本发明的设备所阐述的优点。
根据本发明的设备的有利扩展方案在从属权利要求2和3中予以说明，其中其特征和优点也类似地适用于根据本发明的方法；根据本发明的方法的有利扩展方案在从属权利要求5和6中予以说明，其中其特征和优点类似地适用于根据本发明的设备。
在定时器与时间接收器之间经过越多具有不同通信协议和针对时标的不同协议的网络，则根据本发明的设备的优点就越大，尤其是通过短“桥延迟”代替“边界时钟”的循环持续时间来缩短转换时间并且避免级联的调节的优点。因此，有利的是，设置另一根据本发明的用于在第二网络和至少一个第三网络之间交换时标和校正报告的装置。可替选地或附加地，该设备或每个设备有利地可以包括第一校正装置，用于在接收和分析第一时标时和在生成和发送用作第二时标的数据包时用于测量和考虑转换延迟(桥延迟)。在一个可替选的扩展方案中，对将第一协议的时标转换成第二协议的时标所需的持续时间在一次性校准时被测量并且作为常数在时标的传播时间校正和时标的“延迟”数据字段的内容匹配时予以考虑。
附图说明
根据本发明的方法的有利扩展方案在下文中借助附图来描述。它们同时用于产生根据本发明的方法。在此，不同的有利的扩展方案的特征也可以彼此组合。
其中：
图1示出了根据现有技术的设备，其具有两个网络以及定时器和时间接收器，其中在两个网络之间的网关中使用“边界时钟”用于转发时间信息，
图2示出了具有两个网络、定时器和时间接收器的设备，其中设置有根据本发明的用于转换时标的装置，
图3示出了具有多个用于转换时标的装置的设备，其中时标经过三个网络，以及
图4在示意性视图中示出了根据两个不同的协议的时标的结构性构造，其中示出了带有编码过的时间信息的数据字段被从第一时标递交给第二时标。
具体实施方式
在图1中示出了根据现有技术的设备，其中在第一网络NW1中设置有定时器TS(Time Message Server(时间消息服务器))而在第二网络NW2中设置有时间接收器TC(Time Message Client(时间消息客户端))。两个网络NW1、NW2不仅在其网络协议方面不同而且在其用于时标的协议方面不同。因此，网络NW1、NW2通过网关GW彼此连接，其基本上保证了消息的交换、尤其是数据包的交换。然而在以下仅仅介绍了对于时标或时间同步重要的网关GW的设备。为此，网关具有所谓的“边界时钟”，其基本上由时间接收器SL(Sync Slave(Sync从机))与定时器MA(Sync Master(Sync主机))构成。附加地，时间接收器SL、TC配备有校正设备LDC1、LDC2(线延迟补偿)用于确定相应的信号传播时间，并且，如每个相关的节点那样配备有(未示出的)补偿用于考虑在相应的节点中的时标的相应“停滞时间”；“停滞时间”和传播时间在时标的数据字段“延迟”中积累并且在相应的时间接收器SL、TC中被考虑。
根据现有技术的设备在此构建为使得其借助ZM1进行在定时器TS与时间接收器SL之间的同步，其中借助校正装置LDC1和借助校正报告KM1a、KM1b对网络NW1中的传播延迟予以考虑。时间接收器SL将在时标ZM1中传输的编码过的时间信息解码并且将该解码过的时间信息DC传输至定时器MA，其随后将时间接收器TC同步，其中具有被新编码过的时间信息的新时标ZM2通过网络NW2传输至时间接收器TC。在网络NW2中的传播时间延迟借助校正报告KM2a、KM2b和校正设备LDC2被确定并且同时被考虑。此外，在根据图1的设备中可以进行在“边界时钟”内的偏差的(未示出的)校正，其方式是例如为了确定这里出现的“延迟”而测量时标ZM1被时间接收器SL接收的时刻与建立时标ZM2的时刻，并且，在此将测量值的时间差用于校正时标ZM2中的时间信息；该“延迟”也在时标的“延迟”数据字段中相加。此外，“边界时钟”的“定时器”MA借助在“边界时钟”BC内确定的调节器因数(RCF，OCF)跟随“时间接收器”SL。
以下参照图2描述了一种根据本发明的用于使时间接收器TC与定时器TS同步的设备，其中已经借助图1介绍的具有相同的附图标记的装置和部件不再重新描述。在网关GW中现在代替边界时钟BC而使用装置PU(协议转换器)，其根据本发明接收经过网络NW1通过定时器TS传输的时标ZM1a并且根据在网络NW2中有效的协议转换成时标ZM1b，并且传输给时间接收器TC。在此，在形成时标ZM1a的数据包中包含的编码过的时间信息并未被解码，而是至多未格式化并且直接递交到时标ZM1b中，其中在一个可替选的实施形式中形成时标ZM1a的数据包也可以作为时标ZM1b被进一步发送，其中然而在此情况下传输协议特定的字段尤其是所谓“头部”必须依据网络NW2的利益而改变。同样，数据字段“Delay(延迟)”的内容以到此为止积累的延迟时间从时标ZM1a递交到时标ZM1b中。在一个有利的扩展方案中，通过所谓的“桥延迟补偿”同样可以考虑通过将时标ZM1a转换成时标ZM1b而出现的延迟，该延迟被加到数据字段“延迟”。在此，可以利用的是，与根据现有技术的设备相反，并不使用两个异步工作的应用，即时间接收器SL和定时器MA，而仅仅使用唯一的应用，即装置PU。优点在于，在使用唯一的应用时转换延迟比较小且恒定并且因此在一个可替选的实施形式中可以在一次性过程(“校准”)中被测量或计算。
在本发明的另一可替选的扩展方案中，与根据现有技术的设备不同，为了确定传播时间(线延迟)从定时器TS经过网络NW1传送的校正报告KM1a通过装置PU同样作为校正报告KM2a转换成网络NW2的根据协议的数据包并且转发给时间接收器TC，其中“答复”即校正报告KM2b同样通过装置PU“转发”并且作为校正报告KM1b传送给定时器TS。由此可能的是在唯一的校正过程中考虑包括转换延迟(桥延迟)在内的总的传播时间延迟ZM1a、ZM1b。
当多个网络NW1、NW2、NW3彼此连接并且多个装置E1、E2必须由时标相继地经过时，根据本发明的方法或使用根据本发明的装置的优点尤其是在这种根据图3的设备中是明显的。在此，时间接收器TC的时钟控制率的唯一匹配足够，使得不需要借助因数(RCF，OCF)级联调节多个“接收器时钟”。在此，根据图3的设备已经是简化方案，因此在实际设备中完全会出现如下情况：其中必须经过两位数或三位数的网络。
在图4中示例性地示出了两个时标ZM1a、ZM1b，其中时标ZM1a根据PTP协议来编码并且可以使用在具有TCP/IP协议的以太网网络中，而时标ZM1b根据PTCP协议来编码并且例如可以使用在具有Profinet协议的自动化网络中，两个时标ZM1a、ZM1b被简化并且部分地示出。在此情况下可以看到的是，时间信息在多个数据字段中被编码，例如秒、纳秒、时代(Epochen)、偏移等等。此外可以看到的是，编码过的时间信息在两个协议的情况下相同地结构化；在两个协议之间至多存在形式差异，例如数据字段的长度等等。由此可看到的是，中间不需要对时间信息进行解码和重新编码；数据字段的内容可以近似不变地从一个协议转换到另一协议。类似内容适用于(未示出的)关于传播时间的信息，所谓的“延迟”数据字段。不“兼容”的数据字段或例如尽管在要转换的协议中但不在转换过的协议中的数据字段，根据本发明可以通过例如可以被设计的标准值(默认值)填充，可以通过赋值程序来确定，或者可以由使用者通过一次性询问来问明。
尽管参照上面的实施例仅描述了单向传输时标，但所描述的装置当然也可以用于双向交换时标。由于在各个所观察的网络中分别仅仅使用了与协议合适的时标，而非例如其他通信协议和时间协议的与协议不合适的时标或打包在数据容器中的、其他通信和时间协议的时标，所以在所观察的网络中使用的不同的网络元件尤其是路由器、开关和其他部件无需被匹配。此外通过如下方式提供了重要的优点：定时器TS和时间接收器TC例如已知的PTCP设备针对该方法的应用或针对与根据本发明的装置的协作而相对于现有技术的设备不必改变。

Claims (6)

1.一种具有用于在第一网络(NW1)中的定时器(TS)与在第二网络(NW2)中的时间接收器(TC)之间交换时标(ZM1a，ZM1b)的装置(E)的设备，其中在第一网络(NW1)中针对时标(ZM1a，ZM1b)设置第一协议而在第二网络(NW2)中针对时标(ZM1a，ZM1b)设置与第一协议不同的第二协议，其中时标(ZM1a，ZM1b)分别包括数据包，所述数据包带有由编码过的时间信息构成的有用载荷，
其特征在于，
所述装置(E)构建为借助第一网络(NW1)接收第一时标(ZM1a)并且直接获得编码过的时间信息，并且将编码过的时间信息***第二协议的新数据包并且将该数据包作为第二时标(ZM1b)借助第二网络(NW2)来发送。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，设置有用于在第二网络和至少一个第三网络(NW3)之间交换时标(ZM1b)的至少一个另外的装置(E)，其中在时间接收器(TC)中设计有对多次转换的时标(ZM1a，ZM1b)的积累的传播时间延迟的考虑。
3.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述装置(E)包括用于检测时标(ZM1a)在第一网络(NW1)中的传播时间的第一校正装置(LDC1)。
4.一种用于在第一网络与第二网络(NW2)之间交换时标(ZM1a，ZM1b)的方法，其中在第一网络(NW1)中针对时标(ZM1a，ZM1b)使用第一协议而在第二网络(NW2)中针对时标(ZM1a，ZM1b)使用与第一协议不同的第二协议，其中针对时标(ZM1a，ZM1b)分别使用具有由编码过的时间信息构成的有用载荷的数据包，
其特征在于，
在第一步骤中借助第一网络(NW1)接收定时器(TS)的第一时标(ZM1a)，
在第二步骤中从所接收的数据包中提取编码过的时间信息，
在第三步骤中根据第二协议产生数据包，其中从第一数据包获得的编码过的时间信息作为有用载荷被添加到数据包中，以及
在第四步骤中第二数据包作为时标(ZM1b)借助第二网络(NW2)传输给至少一个时间接收器(TC)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在第二网络和带有时间接收器(TC)的至少一个第三网络(NW3)之间交换时标时标(ZM1a，ZM1b)，其中在时间接收器(TC)中设计有对多次转换的时标(ZM1a，ZM1b)的积累的传播时间延迟的考虑。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在生成第二数据包时考虑转换延迟，其方式是对将编码过的时间信息从第一数据包转换到第二数据包中所需的时间加到时标(ZM1b)中的传播时间延迟的数据字段中的值。
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