冗余以太网的同步对时设备、系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种冗余以太网的同步对时设备、系统及方法，该设备包括：冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文；至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值；所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。本发明专利技术在冗余环网中应用时，可以实现在整个冗余环网下的多个节点设备的时间同步。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冗余以太网技术，特别涉及是一种满足能在工业冗余以太网应用场景中实现各网元节点的时间同步技术，主要是针对于IEC62439-3协议标准下的冗余以太网的相关技术。
技术介绍
工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商，控制系统和工厂自动化系统常常采用工业以太网技术完成工业控制任务，是未来工业4.0的通讯控制领域的主打技术。然而在工厂、电力以及智能交通等很多工业控制领域的实际应用场合下，设备所处的环境相当复杂，用户对以太网的可靠性要求也越来越高。为了保证不会因通信服务器失效、网络断线或交换机故障而导致整个通信系统瘫痪，现在普遍通过以太网冗余技术来提高网络容错的能力。因此IEC62439-3应时代而生，是一个非常先进且可靠的以太网冗余协议，是一个国际性标准，有着广泛的厂商支持。IEC62439-3有HSR(高可用性无缝冗余环)和PRP(并联冗余协议)两种应用模式。一个典型的HSR网络拓扑如图1，即所有节点设备的网络口都连接在一个双向环网上，典型的设备形态有DANH(双连接节点)和RedBox(冗余盒子，是拥有三个外部以太网端口的实体)两种。RedBox可以为目前还不具备冗余功能的设备提供代理支持，并提供多设备和多端口接入。协议规范中RedBox的功能可分为两部分，一部分是标准的冗余交换功能，另一部分为代理桥接功能。A/B口是挂在环网上，用户的数据通过InterLink(连接到以太网的端口)口进行上下业务，管理口
称之为CPU口，实现网络的监控配置等操作。发端发送数据时，数据会复制两份在环的两个方向进行传输，数据到达目的地后，节点设备会根据协议所规范的标准进行选择一路作为收。换言之，数据在起点和终点是双发选收的模式，数据在链路中传播则是按照设备配置的转发规则进行，此时犹如一台正常运行的交换机。工业以太网以及未来的工业4.0对实时性需求也逐步迫切，且要求的精度也是不断提高，精度甚至是达到纳秒级别，这就有必要在环网内部署时间同步协议，来实现所有节点设备的时间同步。选择通信领域成熟IEEE的1588V2标准无疑是最佳的选择。众所周知IEEE 1588V2协议在实现时间同步的一个前提条件，就是要满足上下行链路的延时对称。图2是没有交换网络的时间同步模型，主MS(报文处理单元)和从MS之间传输报文的延时相同，即链路延时对称，对时较为方便，图2的时基偏移计算公式如下：Offset＝(T2-T1)-(T4-T3)。然而，很显然在环网中存在多个HSR/PRP交换模块，数据在上下行链路的延时是完全不对称，且不固定，无法采用没有交换网络的时间同步模型进行对时。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种冗余以太网的同步对时设备，在冗余环网中应用时，可以实现在整个冗余环网下的多个节点设备的时间同步。为解决上述问题，本专利技术提供一种冗余以太网的同步对时设备，包括：冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文，其具有第一网络接口、第二网络接口、管理接口及业务接口；至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值，其中，第一时间戳生成单元连接在所述第一网络接口和第一物理接口之间，第二时间戳生成单元连接在所述第二网络接口和
第二物理接口之间，第三时间戳生成单元连接在业务接口和报文处理单元之间；所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。根据本专利技术的一个实施例，主单元发送同步请求报文，或响应于同步响应报文而发送资源报文；从单元转发接收到的同步请求报文，或响应于所述同步请求报文而发送同步响应报文、且在接收到所述资源报文后根据资源报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。根据本专利技术的一个实施例，所述时基偏移计算公式为Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2，其中，T1为主单元发送同步请求报文的时间戳，T2为从单元接收同步请求报文的时间戳，T3为从单元发送同步响应报文的时间戳，T4为主单元接收同步响应报文的时间戳，CorrectField[T1/T2]为在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值，CorrectField[T3/T4]为在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值。根据本专利技术的一个实施例，报文处理单元在发送报文的过程中，第一个接收报文的第三时间戳生成单元采样报文到达第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳返回给所述报文处理单元，所述报文处理单元将所述时间戳插入至报文中。根据本专利技术的一个实施例，报文处理单元在接收报文过程中，最后一个输出报文的第一或第二时间戳生成单元输出时间戳给所述报文处理单元，所述报文处理单元将时间戳插入至报文中。根据本专利技术的一个实施例，接收从冗余单元输出报文的时间戳生成单元根
据其生成的时间戳及其前一个输入给冗余交换单元报文的时间戳生成单元生成的时间戳，计算当前冗余交换单元产生的当前延时，并将当前延时与之前各冗余交换单元产生的历史延时进行累加；接收从冗余单元输出报文并将报文输出至报文处理单元的时间戳生成单元的累加结果作为最终的累加延时值。根据本专利技术的一个实施例，还包括时钟单元，用于提供各单元的工作时钟及报文发送链路上的工作时钟；时钟参考源为本地晶振时钟，或者来自第一网络接口、或第二网络接口的恢复时钟。本专利技术还提供一种冗余以太网的同步对时系统，包括至少三个冗余节点，所述冗余节点构成冗余环网，所述冗余节点为前述任意一项所述的冗余以太网的同步对时设备。本专利技术还提供一种使用前述冗余以太网的同步对时系统的冗余以太网的同步对时方法，包括以下步骤：S1：配置一冗余节点的报文处理单元为主单元，以使其周期性发送同步请求报文，所述冗余节点即为主设备，其余冗余节点的报文处理单元为从单元，所述其余冗余节点作为从设备；S2：主单元发送同步请求报文给从单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步请求报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第一累计延时值；S3：从单元接收到同步请求报文后发送一同步响应报文给主单元；冗余环网中的时间戳生成单元记录各自接收或发送同步响应报文的时间戳，并计算在各冗余交换单元延时产生的第二累计延时值；S4：主单元接收到同步响应报文后发送一资源报文给主单元，所述资源报文包含主单元发送同步请求报文的时间戳T1，从单元接收同步请求报文的时间戳T2，从单元发送同步响应报文的时间戳T3，主单元接收同步响应报文的时间戳T4，在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的第一累加延时值CorrectField[T1/T2]，在从单元到主单元之间在各
冗余交换单元传输产生的延时的第二累加延时值CorrectField[T3/T4]；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，包括：冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文，其具有第一网络接口、第二网络接口、管理接口及业务接口；至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值，其中，第一时间戳生成单元连接在所述第一网络接口和第一物理接口之间，第二时间戳生成单元连接在所述第二网络接口和第二物理接口之间，第三时间戳生成单元连接在业务接口和报文处理单元之间；所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。

【技术特征摘要】
1.一种冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，包括：冗余交换单元，用以实现双向冗余传输并根据转发路径转发报文，其具有第一网络接口、第二网络接口、管理接口及业务接口；至少三个时间戳生成单元，用以在接收或输出报文时生成并记录相应时间戳，接收从冗余交换单元输出报文的时间戳生成单元还用以记录报文在冗余交换单元内传输用的累加延时值，其中，第一时间戳生成单元连接在所述第一网络接口和第一物理接口之间，第二时间戳生成单元连接在所述第二网络接口和第二物理接口之间，第三时间戳生成单元连接在业务接口和报文处理单元之间；所述报文处理单元，根据配置而成为主单元或从单元，用以发送、或接收报文，从单元还用以根据接收的报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移；以及时基单元，用以接收所述报文处理单元确定的时基偏移来调整时基，还用以提供时基给各所述时间戳生成单元。2.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，主单元发送同步请求报文，或响应于同步响应报文而发送资源报文；从单元转发接收到的同步请求报文，或响应于所述同步请求报文而发送同步响应报文、且在接收到所述资源报文后根据资源报文中的时间戳和累加延时值确定时基偏移。3.如权利要求2所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，所述时基偏移计算公式为Offset＝((T2+T3+CorrectField[T3/T4])-(T1+T4+CorrectField[T1/T2]))/2，其中，T1为主单元发送同步请求报文的时间戳，T2为从单元接收同步请求报文的时间戳，T3为从单元发送同步响应报文的时间戳，T4为主单元接收同步响应报文的时间戳，CorrectField[T1/T2]为在主单元到从单元之间同步请求报文在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值，CorrectField[T3/T4]
\t为在从单元到主单元之间在各冗余交换单元传输产生的延时的累加延时值。4.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，报文处理单元在发送报文的过程中，第一个接收报文的第三时间戳生成单元采样报文到达第三时间戳生成单元入口的时间，并将时间戳返回给所述报文处理单元，所述报文处理单元将所述时间戳插入至报文中。5.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，报文处理单元在接收报文过程中，最后一个输出报文的第一或第二时间戳生成单元输出时间戳给所述报文处理单元，所述报文处理单元将时间戳插入至报文中。6.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，接收从冗余单元输出报文的时间戳生成单元根据其生成的时间戳及其前一个输入给冗余交换单元报文的时间戳生成单元生成的时间戳，计算当前冗余交换单元产生的当前延时，并将当前延时与之前各冗余交换单元产生的历史延时进行累加；接收从冗余单元输出报文并将报文输出至报文处理单元的时间戳生成单元的累加结果作为最终的累加延时值。7.如权利要求1所述的冗余以太网的同步对时设备，其特征在于，还包括时钟单元，用于提供各单元的工作时钟及报文发送链路上的工作时钟；时钟参考源为本地晶振时钟，或者来自第一网络接口、或第二网络接口的恢复时钟。8.一种冗余以太网的同步对时系统，其特征在于，包括至少三个冗余节点，所述冗余节点构成冗余环网，所述冗余节点为如权利要求1-7中任意一项所述的冗余以太网的同步对时设备。9.一种使用如权利要求8所述的冗余以太网的同步对时系统的冗余以太网的同步对时方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：配置一冗余节点的报文处理单元为主单元，以使其周期性发送同步请求报文，所述冗余节点即为主设备，其余冗余节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，
申请(专利权)人：刘巍，
类型：发明
国别省市：广东;44