专利名称：具备sdh网络精确对时功能的专用网络交换方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于数据交换领域，涉及具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法及设备，本发明在电力系统网络精确同步对时中得到应用。
背景技术：
随着通讯技术的发展，以及智能电网发展的需求，广域保护逐渐发展起来，但是广域保护必须要解决的问题就是分散的各个变电站之间的实时数据传输以及精确时间同步。 目前多数变电站之间的数据连结通道时SDH网络，用于电力系统的日常调度数据传输、图像监控传输、运行维护管理等数据传输。由于各个变电站之间距离远，分布广，所以很难在短期内重新敷设专门用于广域保护的实时数据通道，即使将现有的SDH网络升级成具备网络精确对时功能也需要耗费时间和巨大资金。如何在现有的SDH网络上实现各个变电站的实时数据的同步采集、传输便成为广域保护系统的关键技术。目前各个变电站内部的合并单元、智能终端以及广域保护设备数据传输通道都采用的是实时以太网技术，在该技术上实现的基于以太网络的精确对时已经成熟，但是如何将站内的以太网精确对时和SDH网络 (Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系网络,将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络)结合起来，成为实现广域保护系统精确对时的难点之一。将各个变电站的实时数据集中到广域保护设备需要一个数据交换设备， 而为了实现网络精确对时，该网络交换设备必须具备IEEE-1588的硬件辅助计时功能，这个功能用于精确记录对时报文在通过交换机时的“驻留时间”和通讯延迟，以便在对时计算中将这些时间扣除。目前具备IEEE-1588的硬件辅助计时功能的交换机已经比较成熟。同时将以太网数据转换为SDH数据的转换设备(ethernet over SDH简称E0S，基于SDH的以太环网)也比较常用。也就是将以太网数据转换为SDH通道数据从传输的角度来说已经可以实现，但是在这个转换过程中所带来的延迟和延迟抖动在所有的EOS设备都没有计算出来，同时即使计算出来也很难加入到网络精确对时的报文中。鉴于目前的技术状况和实际的广域保护系统需求，本发明将EOS集成在交换机中，并且通过FPGA将对时报文从以太网转换到SDH报文的时间记录下来，并且传递给CPU，以便在网络精确对时计算中扣除。
发明内容
本发明的目的是，提出具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法及设备， 提出一个具有和SDH网络接口，并且能够实现在SDH网络上利用IEEE-1588协议实现变电站间的网络精确对时的专用交换机。该交换机具备24个Gbit的网络接口，这些接口可以实现以太网接口，也可以实现SDH的接口。在交换机内部不仅实现网络数据的交换，而且记录精确的网络数据的传输延迟、处理延迟以及EOS (ethernet over SDH)转换延迟。通过精确记录这些延迟，我们可以根据IEEE-1588协议(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)，通过SDH网络实现分散的各个变电站之间的网络精确对时。对时精度达到I μ S。 从而满足广域保护系统对各个变电站同步采样的需求。
本发明通过以下技术方案实现的具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法，电网的变电主站内的主时钟，发送符合IEEE-1588协议的网络对时报文，然后通过能够实现以太网到SDH网络转换的交换机(转换器)，将网络对时报文发送到各个子变电站；在各子变电站中，在通过SDH网络转换为以太网的交换机将网络对时报文转换为以太网协议的传递报文，本发明的实现步骤如下
交换机包括内部CPU和三层网络交换芯片(Broadcom 56520)实现以太网的数据交换， 同时每一个以太网的数据交换接口配置(选择是否采用EOS芯片)实现EOS转换，EOS的转换是通过MAXIMM的DS33M30实现的Gbit到0C-3/STM-1数据(155. 52M速率)转换；层网络交换芯片的数据接口为RGMII接口(以太网MAC与PHY之间的媒体接口、单工，是一个普通高速串行信号)，后者是通用可编程串行接口，差分输入输出)，EOS转换芯片输出为Serdes 接口，FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes接口的数据，判断是否是IEEE-1588对时报文，并且记录下接收精确时间，计算出同一网络报文从RGMII接口输入到Serdes输出的时延，并且通过数据总线接口送给内部CPU，CPU将这个延迟记录下来，通过随后的采用 IEEE-1588协议的方法将follow-up报文通过网络发送出去，从而在随后的计算中扣除这个时间，完成网络精确对时；
(1)以太网的数据交换时在接收网络对时报文即对时主钟的SYNC对时报文后，通过交换机内部CPU记录报文的接收时间戳tl，然后根据配置和接口状态将SYNC报文转发到各个接口，三层网络交换芯片同时记录下转发的SYNC报文从各个网络接口输出的时间戳t2 ；
(2)交换时根据接口配置，将部分以太网报文通过EOS芯片转换为0C-3/STM-1接口，同时FPGA通过接收网络接口报文和EOS的Serdes接口报文同时记录下报文的时间戳t3和 t4 ;然后输出到SDH网络上；
(3)交换机的内部CPU通过读取交换芯片记录下的时间戳以及FPGA记录下的接收时间戳t3和t4 ;通过计算(t2-tl) + (t4-t3)作为网络对时报文SYNC在交换机内部的驻留时间。(之所以采用交换芯片和FPGA分别记录各自的时间是因为两个芯片的采用的时不同的晶体。)填写在随后的f0ll0W-up报文中，发送到网络上；
(4)交换机的FPGA在Serdes接口监听到与交换机接口直接相连的其它网络接口的 pdelay报文请求后，记录时间的方法和SYNC报文一致。本发明将EOS转换集成到工业以太网交换机内部，并且能够精确计算出EOS转换的延迟，从而保证了基于SDH的网络精确对时的精度。与本发明相对的常规做法是将EOS设备外挂在交换机外，这样交换机无法获得EOS的转换延迟，这个延迟根据设备的不同和方案的不同，抖动的程度也不同。最小也达到微秒级。在网络精确对时的计算中，如果不能准确测量这个延迟并且记录下来，在网络精确对时计算中扣除，将不能实现Ius的对时精度， 对时精度将呈发散状态，并且不能收敛，对时精度一般都在毫秒级别。毫秒的对时精度不能满足广域保护系统的同步采样的要求。具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换设备，包括内部CPU、以太网PHY芯片和三层网络交换芯片(Broadcom 56520)实现以太网的网络数据交换的芯片，实现EOS转换的EOS转换芯片，网络数据交换芯片的数据接口为RGMII接口，EOS转换芯片输出为Serdes 接口，设置FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes接口的数据，计算出同一网络报文从 RGMII接口输入到Serdes输出的时延，并且通过数据总线接口送给内部CPU，CPU将这个延迟记录下来，通过随后的采用IEEE-1588协议的方法将follow-up报文通过网络发送出去， 从而在随后的计算中扣除这个时间，完成网络精确对时；CPU与FPGA、交换芯片通过PCI总线连接；E0S转换芯片与PHY芯片连接出RGMII接口和Serdes接口。采用三层网络交换芯片(Broadcom 56520)实现最多24个Gbit以太网的数据交换，同时每一个接口可一配置选择是否实现EOS转换，EOS的转换是通过MAXIMM的DS33M30 实现的Gbit到0C-3/STM-1数据转换。交换芯片数据的接口为RGMII接口，EOS转换芯片输出为Serdes接口，FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes接口的数据，判断是否是 IEEE-1588对时报文，并且记录下接收精确时间，计算出同一网络报文从RGMII接口输入到 Serdes输出的时延，并且通过数据总线接口送给交换机内部CPU, CPU将这个延迟记录下来，通过随后的IEEE-1588的follow-up报文通过网络发送出去，从而在随后的计算中扣除这个时间，完成网络精确对时。本发明的有益效果为本发明提供了一种能够在SDH网络上实现各个变电站实现精确时间同步的专用交换机，以满足广域保护系统的实时同步采样的需求。这个专用交换机的优点就是能够实现在不需要改造现有的SDH网络的前提下就可以实现精确网络时间同步，满足广域保护系统的连续运行的要求。
图I具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换机实现框图。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。本发明的实施包括以下步骤
(I).交换机接收到对时主钟的SYNC对时报文后，通过交换机内的CPU记录报文的接收时间戳tl，然后根据配置和接口状态将SYNC报文转发到各个接口，交换芯片同时记录下转发的sync报文从各个网络接口输出的时间戳t2。(2).交换机根据配置，将部分以太网报文通过EOS芯片转换为0C-3/STM-1接口， 同时FPGA通过接收网络接口报文和EOS的Serdes接口报文同时记录下报文的时间戳t3 和t4。然后输出到SDH网络上。(3)交换机的CPU通过读取交换芯片记录下的时间戳以及FPGA记录下的接收时间戳t3和t4。通过计算(t2-tl) + (t4-t3)作为网络对时报文SYNC在交换机内部的驻留时间。(之所以采用交换芯片和FPGA分别记录各自的时间是因为两个芯片的采用的时不同的晶体)。填写在随后的follow-up报文中，发送到网络上。(4)交换机的FPGA在Serdes接口监听到与交换机接口直接相连的其它网络接口的pdelay报文请求后，记录时间的方法和SYNC报文一致。(5)本发明的最大特征是将EOS转换集成到工业以太网交换机内部，并且能够精确计算出EOS转换的延迟，从而保证了基于SDH的网络精确对时的精度。与本发明相对的常规做法是将EOS设备外挂在交换机外，这样交换机无法获得EOS的转换延迟，这个延迟根据设备的不同和方案的不同，抖动的程度也不同。最小也达到微妙级。在网络精确对时的计算中，如果不能准确测量这个延迟并且记录下来，在网络精确对时计算中扣除，将不能实现 Ius的对时精度，对时精度将呈发散状态，并且不能收敛，对时精度一般都在毫秒级别。毫秒的对时精度不能满足广域保护系统的同步采样的要求。
权利要求
1.具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法，其特征是电网的变电主站内的主时钟，发送符合IEEE-1588协议的网络对时报文，然后通过能够实现以太网到SDH网络转换的交换机，将网络对时报文发送到各个子变电站；在各子变电站中，在通过SDH网络转换为以太网的交换机将网络对时报文转换为以太网协议的传递报文所述交换机包括内部 CPU和三层网络交换芯片实现以太网的数据交换，同时每一个以太网的数据交换接口配置选择是否采用EOS (Ethernet over SDH)芯片实现EOS转换，EOS的转换是通过MAXIMM的 DS33M30实现的Gbit到0C-3/STM-1数据(155. 52M速率)转换；网络交换芯片的数据接口为 RGMII接口，EOS转换芯片输出为Serdes接口，FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes 接口的数据，判断是否是IEEE-1588对时报文，并且记录下接收精确时间，计算出同一网络报文从RGMII接口输入到Serdes输出的时延，并且通过数据总线接口送给内部CPU，CPU将这个延迟记录下来，通过随后的采用IEEE-1588协议的方法将follow-up报文通过网络发送出去，从而在随后的计算中扣除这个时间，完成网络精确对时；(1)以太网的数据交换时在接收网络对时报文即对时主钟的SYNC对时报文后，通过交换机内部CPU记录报文的接收时间戳tl，然后根据配置和接口状态将SYNC报文转发到各个接口，三层网络交换芯片同时记录下转发的SYNC报文从各个网络接口输出的时间戳t2 ；(2)数据交换时根据配置，将部分以太网报文通过EOS芯片转换为0C-3/STM-1接口，同时FPGA通过接收网络接口报文和EOS的Serdes接口报文同时记录下报文的时间戳t3和 t4 ;然后输出到SDH网络上；(3)交换机的内部CPU通过读取交换芯片记录下的时间戳以及FPGA记录下的接收时间戳t3和t4 ;通过计算(t2-tl) + (t4-t3)作为网络对时报文SYNC在交换机内部的驻留时间；(之所以采用交换芯片和FPGA分别记录各自的时间是因为两个芯片的采用的时不同的晶体)；填写在随后的follow-up报文中，发送到网络上。
2.根据权利要求I所述的具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法，其特征是交换机的FPGA在Serdes接口监听到与交换机接口直接相连的其它网络接口的pdelay报文请求后,记录时间的方法和SYNC报文一致。
3.根据权利要求I所述的具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换设备，其特征是包括内部CPU、以太网PHY芯片和三层网络交换芯片实现以太网的网络数据交换的芯片，实现EOS转换的EOS转换芯片，FPGA，网络数据交换芯片的数据接口为RGMII接口，EOS转换芯片输出为Serdes接口，设置FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes接口的数据，并且通过数据总线接口送给内部CPU，CPU将这个延迟记录下来，通过随后的采用IEEE-1588 协议的方法将follow-up报文通过网络发送出去，从而在随后的计算中扣除这个时间，完成网络精确对时；CPU与FPGA、交换芯片通过PCI总线连接；E0S转换芯片与以太网PHY芯片连接出RGMII接口和Serdes接口。
全文摘要
具备SDH网络精确对时功能的专用网络交换方法，电网的变电主站内的主时钟，发送符合IEEE-1588协议的网络对时报文，然后通过能够实现以太网到SDH网络转换的交换机，将网络对时报文发送到各个子变电站；在各子变电站中，在通过SDH网络转换为以太网的交换机将网络对时报文转换为以太网协议的传递报文所述交换机包括内部CPU和三层网络交换芯片实现以太网的数据交换，同时每一个以太网的数据交换接口配置选择是否采用EOS芯片实现EOS转换，网络交换芯片的数据接口为RGMII接口，EOS转换芯片输出为Serdes接口，FPGA通过接收RGMII接口的数据和Serdes接口的数据，实现了1微秒精确对时。
文档编号H04J3/06GK102594683SQ20121003574
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者刘更, 吴杰, 赵建中, 邢智辉 申请人:江苏金智科技股份有限公司, 黑龙江省电力有限公司