一种交通领域的带同步时钟功能的以太网发帧装置的制作方法

本发明涉及一种以以太网发帧装置，尤其涉及一种用于工业以以太网的带有时钟同步功能的以以太网发帧送装置。

技术背景

工业以以太网是基于IEEE 802.3强大的区域和单元网络，通信速率快、应用广泛、开发和生产成本低、易于集成，能够完成控制系统中控制数据和信息数据的传输，被广泛应用于航空、铁路交通、工业制造等各个领域。

以时间同步及基于时间的调度是实现工业以以太网的一种手段，其中，实时以以太网交换机为实现实时以以太网的关键。所谓时钟同步是指将工业以以太网系统中的所有设备进行精密的时钟同步，保证任意两个设备之间的时间误差不超过确定值，从而确保实时以以太网中数据传输时延和抖动足够小。

为了确保以时间同步及基于时间的调度为实现原理的工业实时以以太网能够正常的工作，需要对实时以以太网交换机的调度引擎的正确性进行严格的测试。

国内的以以太网发帧装置主要集中在对传统以以太网的测试。在测试的过程中不能发送时统帧来实现整个测试系统的时钟同步，并且不能按照给定测试场景，多端口并行的在精确时间点有针对性的发送数据帧。所以急需一个具有同步时钟功能的以以太网发帧装置的实时以以太网检测设备。

四、

技术实现要素：

本发明设计了一种带同步时钟的以以太网发帧装置，用于解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种带同步时钟功能的以太网发帧装置，包括：发帧设备和整形设备，其中发帧设备的发送接口与整形设备的接收端口之间通过网线连接，其特征在于：

整形设备包括接收端口、发送端口、接收调度表存储结构、发送调度表存储结构、接收引擎、发送引擎、优先级仲裁结构、上位机适配器、实时数据缓存区、时钟同步控制结构、数据传递结构和调度表控制引擎，其中：

接收接口用于接收发帧设备发送的数据帧，并在数据帧上盖上时间戳；

发送接口用于在规定的时刻发送数据帧；

接收调度表存储结构用于存储该端口接收数据帧的调度表；

接收引擎用于从接收调度表存储中获取当前实时数据的接收窗口开启时间、接收窗口关闭时间、实时数据帧编号、数据帧长度、实时数据缓存区编号和下一条目的接收窗口开启时间；根据数据帧上的时间戳及数据帧的内容与调度表中时间窗口、实时数据帧编号、数据帧长进行匹配，若成功则将实时数据传输到调度表对应的缓存区中，否则将帧丢弃；

发送调度表存储结构用于存储该端口发送数据帧的调度表；

发送引擎用于在调度表中的发送时间点将实时数据从实时数据缓存区中发送出去，并且将下一个实时数据发送时间点报告给优先级仲裁结构；

优先级仲裁结构采用预计算的方式确保实时数据帧的及时发送，接收来自发送引擎的下一个数据帧发送时间，从而协调时钟同步帧及数据帧；

上位机适配器用于控制整形设备与上位机数据的交换；

实时数据缓存区用于储存数据帧；

时钟同步控制结构用于周期性发送时钟同步帧，实现发帧设备与整个测试系统的时间同步；

数据传递结构用于快速交换数据；

调度表控制引擎用于完成调度表的下载功能，调度表控制引擎接收、命令将调度表的内容逐条写入到发送调度表存储及发送调度表存储中，并且将命令执行结果返回给上位机。

进一步地，实时数据帧包括实时数据帧编号、帧类型以及帧内容信息。

进一步地，接收调度表包括每个实时数据帧的接收窗口开启和关闭的时间、实时数据帧编号、实时数据缓存区编号以及帧长信息。

进一步地，发送调度表主要包括每个实时数据帧的发送时间点、实时数据帧编号、实时数据缓存区编号以及帧长等信息。

进一步地，调度表控制引擎在整形设备初始阶段完成调度表的下载；发帧设备将生成的数据帧通过网线发送到整形设备，整形设备的接收端口随时监督数据帧的输入，接收引擎将接收到的数据帧与接收调度表存储结构中的信息进行核对，将核对正确的数据帧通过数据传递结构传递到相应实时数据缓存区中；上位机适配器在整形设备运行的过程中控制整形设备与上位机之间的信息交流；发送引擎轮询发送调度表存储结构并将到达发送时间的数据帧从调度表规定的实时数据缓存区中提取出来，并通过发送端口发送出去，发送引擎同时会将下一个调度表发送时间发送到优先级仲裁结构保证实时数据帧的优先发送；时钟同步控制结构定时发送时统帧控制所有发送引擎、发送调度表存储结构、发送端口以及优先级仲裁结构的时钟同步。

本发明还提供了一种带同步时钟功能的以太网发帧装置的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、配置生成数据帧

首先根据不同的测试需求，设计所需的数据帧，并完成发帧装置的数据流的相关配置，同时根据需求及调度表的基本要素完成整形设备的接收调度表及发送调度表，使整形设备能够按照规定的需求工作；

步骤2、整形设备下载发送接收调度表

上位机适配器接收到上位机发送的接收和发送调度表格之后，将接收和发送调度表格通过调度表控制引擎下载到整形设备中接收端口的接收调度表存储结构及发送端口的发送调度表存储结构中；

步骤3、连接测试设备

根据测试需求及调度表的设计用网线连接发帧装置、整形设备及待测设备；

步骤4、送测试数据完成测试

在完成准备工作之后，控制发帧设备发帧，整形设备接收到数据帧后按照调度表的设置对数据帧进行存储和转发，使发送出的数据帧能够满足测试的需求。

本发明的有益效果：

通过时间同步模块实现与系统设备的精密时钟同步，从而实现同步时钟发帧的要求。通过实时调度引擎完成实时数据处理的模块，能够有效降低传输时延、减小抖动性，并且增加传输的确定性。

附图说明

图1是带同步时钟功能的实时以以太网测试设备测试示意图；

图2是以以太网发帧装置总体结构图。

六、具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的技术方案进行进一步详细描述。

图1为带同步时钟功能的实时以以太网测试设备测试示意图，其中IXIA设备为发帧设备，发帧设备、整形设备以及被测设备之间通过网线连接。整形设备发送时统帧实现整个系统的同步，接收发帧设备发送的数据帧并根据特定的测试场景在特定的时间点从规定的端口发送测试数据帧至被测设备。

如图2所示，本发明所述的带同步时钟功能的以太网发帧装置，包括：发帧设备和整形设备，其中：发帧设备的发送接口与整形设备的接收端口之间通过网线连接；

整形设备包括接收端口、发送端口、接收调度表存储结构、发送调度表存储结构、接收引擎、发送引擎、优先级仲裁结构、上位机适配器、实时数据缓存区、时钟同步控制结构、数据传递结构、调度表控制引擎；

其中每个硬件结构的功能如下：

接收接口：接收发帧设备发送的数据帧，并在数据帧上盖上时间戳；

发送接口：在规定的时刻发送数据帧；

接收调度表存储结构：存储该端口接收数据帧的调度表；

接收引擎：从接收调度表存储中获取当前实时数据的接收窗口开启时间(receive_start)、接收窗口关闭时间(receive_end)、实时数据帧编号(flow_id)、数据帧长度(length)、实时数据缓存区编号(buffer_id)和下一条目的接收窗口开启时间(receive_start)；根据数据帧上的时间戳及数据帧的内容与调度表中时间窗口、实时数据帧编号(flow_id)、数据帧长(length)进行匹配，若成功则将实时数据传输到调度表对应的缓存区中，否则将帧丢弃；

发送调度表存储结构：存储该端口发送数据帧的调度表；

发送引擎：模块按照调度表中的发送时间点将实时数据从实时数据缓存区中发送出去，并且将下一个实时数据发送时间点报告给优先级仲裁模块；

优先级仲裁结构：模块采用预计算的方式确保实时数据帧的及时发送，接收来自发送引擎的下一个数据帧发送时间，从而协调时钟同步帧及数据帧；

上位机适配器：控制整形设备与上位机数据的交换；

实时数据缓存区：储存数据帧；

时钟同步控制结构：周期性发送时钟同步帧，实现发帧设备与整个测试系统的时间同步；

数据传递结构：快速交换数据功能；

调度表控制引擎：完成调度表的下载功能。它接收、命令将调度表的内容逐条写入到发送调度表存储及发送调度表存储中，并且将命令执行结果返回给上位机。

其中，实时数据帧主要包括实时数据帧编号、帧类型以及帧内容等要素；

接收调度表主要包括每个实时数据帧的接收窗口开启和关闭的时间、实时数据帧编号、实时数据缓存区编号以及帧长等信息；

发送调度表主要包括每个实时数据帧的发送时间点、实时数据帧编号、实时数据缓存区编号以及帧长等信息；

时统帧中包含时间戳，报文间隔等要素，使整形后的发帧装置能够与被测设备进行时钟同步。

进一步对各个硬件模块之间的逻辑关系进行描述：

调度表控制引擎在整形设备初始阶段完成调度表的下载；

发帧设备将生成的数据帧通过网线发送到整形设备，整形设备的接收端口随时监督数据帧的输入，接收引擎将接收到的数据帧与接收调度表存储结构中的信息进行核对，将核对正确的数据帧通过数据传递结构传递到相应实时数据缓存区中；

上位机适配器在整形设备运行的过程中控制整形设备与上位机之间的信息交流；发送引擎轮询发送调度表存储结构并将到达发送时间的数据帧从调度表规定的实时数据缓存区中提取出来，并通过发送端口发送出去，发送引擎同时会将下一个调度表发送时间发送到优先级仲裁结构保证实时数据帧的优先发送；

时钟同步控制结构定时发送时统帧控制所有发送引擎、发送调度表存储结构、发送端口以及优先级仲裁结构的时钟同步。

下面对本发明的工作方法作进一步说明：

步骤1、配置生成数据帧

首先根据不同的测试需求，设计所需的数据帧，并完成发帧装置的数据流的相关配置，包括帧类型，实时数据帧编号、帧长以及发帧速率等要素。同时根据需求及调度表的基本要素完成整形设备的接收调度表及发送调度表，使整形设备能够按照规定的需求工作；

步骤2、整形设备下载发送接收调度表

上位机适配器接收到上位机发送的接收和发送调度表格之后，将接收和发送调度表格通过调度表控制引擎下载到整形设备中接收端口的接收调度表存储结构及发送端口的发送调度表存储结构中；

步骤3、连接测试设备

根据测试需求及调度表的设计用网线连接发帧装置、整形设备及待测设备；

步骤4、送测试数据完成测试

在完成准备工作之后，控制发帧设备发帧，整形设备接收到数据帧后按照调度表的设置对数据帧进行存储和转发，使发送出的数据帧能够满足测试的需求。

针对整形设备的运行步骤的详细说明：

接收数据帧：

1、整形设备通过接受端口接收到发帧设备发送的数据帧，接收结构对每个数据帧盖上时间戳；

2、针对接收到的每一个数据帧，整形设备做如下处理：

针对实时数据帧编号，接收引擎查找接收调度表存储结构中相对应的调度表项，根据时间戳判断数据帧是否在规定的接收时间窗口内到达。若通过验证，则根据调度表项中的实时数据缓存区编号设置数据传递结构，使该数据帧流向指定实时数据缓存区。

发送数据帧：

1、每个发送端口发送引擎模块轮询发送调度表存储结构中发送调度表的所有调度表条目；

2、如果到达某一个调度表格条目发送时间，则发送引擎设置数据传递结构从该条目指定的实时数据缓存区中读取数据帧，如果实时数据缓存区中有数据帧，则读取并通过发送端口发送出去；如果无有效数据，则不做任何操作。整形设备的多个发送端口可以实现多端口并行按照精准的时间点发送数据帧；

3、发送引擎在轮询发送调度表存储结构的同时会预取下一个调度表格条目，并通知优先级仲裁结构下一个发送时间点，以便优先级仲裁结构能够进行预计算确保实时帧的及时发送。

时钟同步：

整形设备能够周期性的通过时钟同步控制结构发送时钟同步帧，以保证发帧装置能够与整个被测设备进行准确对时。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。