时间同步系统、交换机、嵌入式接口板的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种通信网络时间精确同步系统、交换机、嵌入式接口板，其中，所述系统包括一个包含主时钟同步装置的主时钟通信设备、一个或多个包含从时钟同步装置的从时钟通信设备，主通信设备嵌入有gps接收模块以接收用于同步的主时钟，并且，在主通信设备和从通信设备上嵌入加盖拥有时钟同步协议时间戳的协议模块，在主通信设备和从通信设备上运行时钟同步协议。通过本实用新型，可以在一定时间间隔内对所有通信设备时钟同步，彼此误差在纳秒级。
【专利说明】时间同步系统、交换机、嵌入式接口板
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及应用主钟模块到通信设备，同过通过时钟同步协议来实现通信设备时钟同步功能的系统。其应用于通信设备出厂前的时钟同步。
【背景技术】
[0002]目前，许多测试系统都建立在分布式的网络环境之中，没有一个统一、准确的时间标准，因此系统很难正常的协调各子系统的运行。因此，采用统一的时间标准成为本领域技术人员致力于解决的课题。
【发明内容】
[0003]本实用新型针对上述【背景技术】中存在的技术问题，提出了一种应用在通信网络的时钟同步系统。同时提出了一种相应的时间同步方法、交换机、嵌入式接口板。
[0004]本实用新型的技术方案如下:
[0005]一种通信网络时间精确同步系统，该系统包括一个包含主时钟同步装置的主时钟通信设备、一个或多个包含从时钟同步装置的从时钟通信设备；其特征在于，所述主时钟通信设备用于接收gps时钟和向从通信设备同步时钟，其包括电源模块、中央处理模块、存储模块、gps接收模块装置、加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块；所述从时钟通信设备用于时间同步，其包括电源模块、中央处理模块、存储模块、加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块。
[0006]所述主时钟通信设备从gps系统获取标准时钟。
[0007]所述中央处理模块运行由加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块生成的时钟报文。
[0008]所述的加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块在mac层产生用于时钟同步协议所使用的报文。
[0009]所述通信设备有用于gps装置和加盖拥有时钟同步协议时间戳的装置的接口，可以方便实现从通信设备上进行拔插。
[0010]所述从时钟通信设备接收主时钟通信设备的同步时钟。
[0011]所述通信设备可以是交换机、或路由器。
[0012]所述主时钟同步装置由cpu、时钟同步芯片、flash、SDRAM、网络接口组成，主时钟同步装置由cpu控制时钟同步芯片，其用来接收和发送PTP时钟同步协议报文。
[0013]一种应用于上述通信网络时间精确同步系统的交换机，所述交换机适用于组建千兆或百兆主干冗余环网，其具有3个8端口的快速以太网接口模块插槽和4个百/千兆以太网光电复用端口。
[0014]一种应用于上述通信网络时间精确同步系统的嵌入式接口板，包括核心处理器即CPU、存储电路、网络接口电路、时钟处理芯片，其中时钟处理芯片通过RMII接口总线与CPU处理器相连，把PTP报文的时间戳信息和当前时钟读数发送给CPU处理器，同时接收来自CPU处理器的时钟调整值来调整本地时钟。[0015]一种应用于上述通信网络时间精确同步系统的通信网络时间精确同步方法，包括如下步骤:
[0016](I)现场设备A发送一个PTP包给现场设备B，并记录下数据包离开A的时间，该时间戳为tl; (2)当此PTP包到达现场设备B时，现场设备B加上自己接收到该数据包的时间戳，该时间戳为TSl ； (3)现场设备A发送一个Follow Up消息给现场设备B，通知B时间tl ; (4)当此PTP包离开现场设备B时，并记录下数据包离开B的时间t2 ； (5)当现场设备A接收到该响应包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为Tm2 ; (6)现场设备A再发送Follow Up消息给现场设备B，通知B时间Tm2 ;至此，现场设备B己拥有足够的信息来计算2个重要的参数:一是PTP数据包来回一个周期的时延，二是现场设备A和现场设备B的时钟差，由此现场设备B能够设定自己的时钟与现场设备A同步。
[0017]其中，实现最佳主时钟的方法包括如下两个步骤:(I)从本地时钟系统通信端口中选出一个质量最好的同步报文；(2)根据上述结果，比较此时的主时钟和本地时钟属性，决定本地设备PTP协议引擎所处的状态；其中，
[0018]步骤(I)采用数据集比较算法模块来实现，步骤(2)采用状态决断算法模块来实现；所述模块定义了状态决定算法函数来进行状态的决断和数据集的更新，在缺省数据集的层数是I或2的前提下，调用数据集对照算法模块来判定本地时钟缺省数据集DO和较好时钟Erbest的数据集哪个更好；通过比较，如果是缺省数据集DO更好，则根据状态决断代码M1，调用函数构建主时钟函数根据缺省数据集DO的属性值来构建主时钟，并且将DO状态更改为PTP主时钟，这代表DO是目前最好的主时钟；否则，调用构建从时钟函数，根据Erbest的属性来构建从时钟，Erbest的状态则是PTP_SLAVE ;在主时钟的层数大于2的情况下，调用数据集对照算法模块，以对本地时钟缺省数据集DO和最好时钟Ebest进行判定；通过比较，如果是缺省数据集DO更好，则调用构建主时钟函数，根据状态决断代码M2，根据缺省数据集DO的属性值来构建主时钟，并且更改DO状态为PTP_主时钟；否则，将调用数据集对照算法模块将Ebest与Erbest进行比较，如果比较结果相同，根据状态决断代码SI，根据Ebest的属性来构建从时钟，更改Ebest状态成ΡΤΡ_从时钟；如果经过比较Ebest有更好的属性值，则根据状态决断代码M3，根据Erbest的属性来构建从时钟，并设置它的状态为ΡΤΡ_从时钟；否则，根据状态决断代码Ρ2，根据Ebest的属性来构建主时钟，改变它的状态为PTP_S时钟。
[0019]其中，关于时钟调整模块，主时钟被选择出来后，就开始调用同步报文发送函数，构造同步报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，再调用Udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送；调用跟随报文发送函数，构造跟随报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用Udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送；从时钟UdP报文接收函数设置接收缓冲区分别先后接收了同步报文和跟随报文，记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP报文接收处理函数判断接收的是哪种报文，如果是同步报文，则调用函数PTP报文同步函数，然后对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间；如果是跟随报文，则调用函数PTP跟随报文接收函数对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间；在这个函数最后，调用了 PTP发送延时请求函数，它构造延迟请求报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送；而主时钟的缓冲区一旦有报文，则主时钟立即调用udp报文接收函数记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP接收处理判断接收的是哪种报文，如果是延迟请求报文，则函数PTP报文接收延时请求立即调用PTP报文发送请求，从时钟根据收到的4个报文收发时间，计算出主从偏差，对自己的时间进行校正。
[0020]本实用新型的有益效果在于:
[0021]本实用新型在主时钟通信设备嵌入gps接收装置接收用于同步的主时钟，在主通信设备和从通信设备上嵌入加盖拥有时钟同步协议时间戳的装置，在主通信设备和从通信设备上运行的时钟同步软件装置。在一定时间间隔内所有通信设备时钟会同步，误差在纳秒级。
[0022]本实用新型将gps接收装置、加盖拥有时钟同步协议时间戳的装置集成在通信设备中，通过软件控制，达到每个通信设备在同一时刻时钟同步精确到纳秒级别，以满足通信设备在对系统时钟精度要求比较高的情况下正常运行。
[0023]本实用新型gps接收设备和加盖拥有时钟同步协议时间戳的装置尺寸小，节省空间，并且方便连接和嵌入到其它通信设备；并降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型实施例的系统连接示意图。
[0025]图2是本实用新型实施例的支持PTP协议的嵌入式接口板硬件框图。
[0026]图3是本实用新型实施例的主从系统时钟关系图。
[0027]图4是本实用新型实施例的嵌入到通信设备的时钟模块图。
[0028]图5是本实用新型实施例的主时钟处理装置示意图。
[0029]图6是本实用新型实施例的主从时钟处理装置连接示意图。
[0030]图7是本实用新型实施例的PTP时间同步示意图。
[0031]图8是本实用新型实施例的系统体系结构示意图。
[0032]图9是本实用新型实施例的最佳主时钟选择模块示意图。
[0033]图10是本实用新型实施例的整个程序流程图。
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图对本实用新型实施例进行详细描述，以使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚，明确。此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。本系统包含硬件部分和软件两大部分，下面分别对这两大部分进行说明。
[0035]第一硬件部分
[0036]如图1所示,一种具有PTP(Precision Time Protocol)精确对时、支持B码输出的以太网通信系统，包括主通信设备和从通信设备，其中，主通信设备嵌入有gps接收模块以接收用于同步的主时钟，并且，在主通信设备和从通信设备上嵌入加盖拥有时钟同步协议时间戳的协议模块，在主通信设备和从通信设备上运行时钟同步协议。
[0037]支持PTP协议嵌入式接口板设计根据PTP协议框架，支持PTP协议的嵌入式接口板硬件框图如图2所示。其包括:系统总线连接的FLASH、SDRAM、CPU处理器，时间处理芯片，网络接口 ；所述时间处理芯片与CPU处理器之间通过MII总线连接。
[0038]时钟处理芯片[0039]高精度PHYTER收发器芯片内置高精度PTP时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送的信息包印上时间标记。时钟处理芯片最大的特色在于将高精度时间协议(PTP)功能设于芯片的物理层之内，因此可以在最靠近网线的位置记录时间标记，而且分辨度达8 ns，不但可为系统提供最准确的高精度控制功能，也确保采集回来的数据出现最少的抖动。
[0040]时钟处理芯片预载4个时钟更新算法，用户可以利用任何一个算法调节电路板上的PTP时钟，而且偏差率保证不超过10亿分之一(即Ippb的准确度)。
[0041]时钟处理芯片也可与部分符合PTP协议规定的处理器搭配一起使用，为测试及测量仪表等设备提供更准确的时钟同步功能。其系统连接后时钟关系图如图3所示。
[0042]具体电路设计
[0043]系统实际设计电路主要包含如下部分:核心处理器(CPU)，其具有低功耗高效率的特点。存储电路，其中包含了 SDRAM和ROM两部分的电路设计；网络接口电路，其中使用时钟处理芯片通过RMII接口总线与CPU处理器相连，把PTP报文的时间戳信息和当前时钟读数发送给CPU处理器，同时接收来自CPU处理器的时钟调整值来调整本地时钟。时钟处理芯片通过RMII总线来获取以太网报文比特流而不是直接从物理层获取，从而实现10 Mb/s和100 Mb/s两种速率的自适应处理。
[0044]其中一台主站的通信设备通过GPS主钟授时，接收到的PTP报文经通信设备打上时间戳后通过网桥和以太网络传输到各分站的通信设备，每台通信设备再把接收到的PTP报文转换为B码格式输出到各站点的智能终端上。
[0045]如图4所示，嵌入到通信设备的时钟模块装置说明，时钟模块使用时钟处理物理层芯片，在其上获得报文时间戳信息，避免了系统软件上获取的时间戳信息的不确定性，可将同步精度达到纳秒量级。
[0046]时钟模块装置具有四种工作模式，分别为:PTP主时钟模式、PTP从时钟模式、NTP时间服务器模式、直流B码模式。作为PTP主时钟，其可接入直流B码，GPS，BD，外接秒脉冲四种外接时间源。
[0047]本实用新型通信设备支持完善的二层协议，具有环网保护机制，主要面向大中型工业网络的汇聚层进行高速交换应用，并可用于构筑千兆或百兆主干冗余环网。其提供3个8端口的快速以太网接口模块插槽和4个百/千兆以太网光电复用端口，用于千兆上联或构筑千兆主干环网，具有灵活的端口配置和良好的扩展性能。模块化的设计使得通信设备在应用中变得更加灵活，同时模块化的设计也为网络今后的扩展提供了一个良好的平台。
[0048]实现方案，对图5所示系统，可将系统核心分为三部分设备来实现。
[0049]PTP 主时钟:
[0050]如主站I中所示接收卫星设备。其接收GPS或其他授时信号，获得标准时间与秒脉冲。
[0051]PTP边界时钟:
[0052]如从站I中所示通信设备，根据需求，其只需要一个PTP输入接口与一个PTP输出接口，并带有直流B码输出接口。
[0053]PTP 从钟:[0054]如从站2中所示通信设备，根据需求，其接收主时钟同步报文，具有一个PTP输入接口，并带有直流B码输出接口。
[0055]PTP主时钟，使用一块时钟处理装置，编号为A，令其工作为PTP主时钟模式。需外接GPS模块。
[0056]根据系统需求，需要两块时钟处理装置。编号分别为B，C。B模块工作在PTP从时钟模式，其与边界时钟相连进行网络报文交换，并同步于边界时钟，C模块工作在直流B码模式，其通过边界时钟接口与B模块相连。如图6所示。
[0057]第二软件部分
[0058]I精密时间协议实现原理精密时间协议PTP(Precision Time Protocol)是为了克服以太网实时性不足而规定的一种对时机制。精密时间协议可以估算出数据包在网络上的往返延迟，并可独立地估算设备时钟偏差。精密时间协议的工作原理说明如下:
[0059](I)现场设备A发送一个PTP包给现场设备B，并记录下数据包离开A的时间，该时间戳为tl。
[0060](2)当此PTP包到达现场设备B时，现场设备B加上自己接收到该数据包的时间戳，该时间戳为TSl。
[0061](3)现场设备A发送一个Follow Up消息给现场设备B,通知B时间tl。
[0062](4)当此PTP包离开现场设备B时，并记录下数据包离开B的时间t2。
[0063](5)当现场设备A接收到该响应包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为Tm2，整个同步过程如图7所示。
[0064](6)现场设备A再发送Follow Up消息给现场设备B,通知B时间Tm2。
[0065]至此，现场设备B己拥有足够的信息来计算2个重要的参数:一是PTP数据包来回一个周期的时延，二是现场设备A和现场设备B的时钟差。于是现场设备B能够设定自己的时钟与现场设备A同步。可以根据下面公式算出现场设备A与现场设备B之间的时间差和延时:时间差:dt=[- (T m2_t 2) ] /2
[0066]延时:Delay=[(T,^t1)+ (T m2-t 2)]/2
[0067]2系统软件设计
[0068]系统软件结构如图8所示。
[0069]2.1 PTP协议状态机模块PTP协议状态机主要负责管理设备上电时的初始化状态、出现异常情况下的故障状态、通常情况下的侦听状态、主时钟状态、从时钟状态和未校准状态，以及各状态之间的转化。
[0070]2.2最佳主时钟选择模块最佳主时钟算法模块主要用于选择本地网络中的最佳时钟作为主时钟，同时决定本地时钟应处的状态。
[0071]实现最佳主时钟的方法包括两个步骤:(I)从本地时钟系统通信端口中选出一个质量最好的同步报文；(2)根据上述结果，比较此时的主时钟和本地时钟属性，决定本地设备PTP协议引擎所处的状态。
[0072]步骤(1)采用数据集比较算法模块来实现，步骤(2)采用状态决断算法模块来实现。该模块定义了状态决定算法函数来进行状态的决断和数据集的更新。在缺省数据集的层数是I或2的前提下，调用数据集对照算法模块来判定本地时钟缺省数据集DO和较好时钟Erbest的数据集哪个更好。[0073]通过比较，如果是缺省数据集DO更好，则根据状态决断代码M1，调用函数构建主时钟函数根据缺省数据集DO的属性值来构建主时钟，并且将DO状态更改为PTP主时钟，这代表DO是目前最好的主时钟；否则，调用构建从时钟函数，根据Erbest的属性来构建从时钟，Erbest的状态则是PTP_SLAVE。
[0074]在主时钟的层数大于2的情况下，调用数据集对照算法模块，以对本地时钟缺省数据集DO和最好时钟Ebest进行判定。通过比较，如果是缺省数据集DO更好，则调用构建主时钟函数,根据状态决断代码M2，根据缺省数据集DO的属性值来构建主时钟，并且更改DO状态为PTP_主时钟；否则，将调用数据集对照算法模块将Ebest与Erbest进行比较，如果比较结果相同，根据状态决断代码SI，根据Ebest的属性来构建从时钟，更改Ebest状态成ΡΤΡ_从时钟。如果经过比较Ebest有更好的属性值，则根据状态决断代码M3，根据Erbest的属性来构建从时钟，并设置它的状态为PTP_W时钟；否则，根据状态决断代码Ρ2，根据Ebest的属性来构建主时钟，改变它的状态为PTP_主时钟。
[0075]最佳主时钟选择模块示意图如图9所示。
[0076]2.3时钟调整模块本地时钟同步算法是PTP协议中十分关键的部分，主要用来调整本地时间，与主时钟的基准时间保持一致性。主时钟被选择出来后，就开始调用同步报文发送函数，构造同步报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，再调用udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送。
[0077]调用跟随报文发送函数，构造跟随报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用Udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送。
[0078]从时钟udp报文接收函数设置接收缓冲区分别先后接收了同步报文和跟随报文，记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP报文接收处理函数判断接收的是哪种报文，如果是同步报文，则调用函数PTP报文同步函数，然后对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间。如果是跟随报文，则调用函数PTP跟随报文接收函数对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间。
[0079]在这个函数最后，调用了 PTP发送延时请求函数，它构造延迟请求报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用udp报文发送函数将报文打包并加入发送缓冲区进行发送；而主时钟的缓冲区一旦有报文，则主时钟立即调用Udp报文接收函数记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP接收处理判断接收的是哪种报文，如果是延迟请求报文，则函数PTP报文接收延时请求立即调用PTP报文发送请求，从时钟根据收到的4个报文收发时间，计算出主从偏差，对自己的时间进行校正。
[0080]整个程序流程如图10所示。
[0081]3系统测试结果与结论系统测试将两片时钟处理芯片连接到I Hz信号输出，利用时钟处理芯片捕获上升沿时间戳实现，在系统中，利用MII总线读取时钟处理芯片时间戳寄存器，数据结果如下表所示:
[0082]
【权利要求】
1.一种通信网络时间精确同步系统，该系统包括一个包含主时钟同步装置的主时钟通信设备、一个或多个包含从时钟同步装置的从时钟通信设备；其特征在于，所述主时钟通信设备用于接收gps时钟和向从通信设备同步时钟，其包括电源模块、中央处理模块、存储模块、gps接收模块装置、加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块；所述从时钟通信设备用于时间同步，其包括电源模块、中央处理模块、存储模块、加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块。
2.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述主时钟通信设备从gps系统获取标准时钟。
3.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述中央处理模块运行由加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块生成的时钟报文。
4.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述的加盖拥有时钟同步协议时间戳的模块在mac层产生用于时钟同步协议所使用的报文。
5.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述通信设备有用于gps装置和加盖拥有时钟同步协议时间戳的装置的接口，可以方便实现从通信设备上进行拔插。
6.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述从时钟通信设备接收主时钟通信设备的同步时钟。
7.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述通信设备可以是交换机、或路由器。
8.根据权利要求1所述的通信网络时间精确同步系统，其特征在于，所述主时钟同步装置由cpu、时钟同步芯片、flash、SDRAM、网络接口组成，主时钟同步装置由cpu控制时钟同步芯片，其用来接收和发送PTP时钟同步协议报文。
9.一种应用于权利要求1-8中任一所述的通信网络时间精确同步系统的交换机，其特征在于，其具有3个8端口的快速以太网接口模块插槽和4个百/千兆以太网光电复用端□。
10.一种应用于权利要求1-8中任一所述的通信网络时间精确同步系统的嵌入式接口板，包括核心处理器即CPU、存储电路、网络接口电路、时钟处理芯片，其中时钟处理芯片通过RMII接口总线与CPU处理器相连，把PTP报文的时间戳信息和当前时钟读数发送给CPU处理器，同时接收来自CPU处理器的时钟调整值来调整本地时钟。
【文档编号】H04L7/00GK203596827SQ201320501109
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】刘向华, 杨国文 申请人:北京卓越信通电子股份有限公司