用于确定通信网络中的电报的传播时间的方法以及相应的网络组件与流程

本发明涉及一种用于确定通信网络中的电报的传播时间的方法，其中第一网络组件沿着通信连接向第二网络组件发送电报，其中第一网络组件采集电报的发送时刻并存储该电报的相应发送时刻信息，并且发送时刻信息用于确定电报沿着通信连接的传播时间。

本发明还涉及用于在通信网络中运行的相应设计的网络组件。

背景技术：

在通信网络中通常需要使连接到通信网络的网络组件时间上彼此同步。为此目的，各个网络组件通常包含它们自己的时钟，这些时钟必须使用特殊技术彼此同步。在此上下文中，通信网络中的终端设备或控制和调节网络业务的设备如交换机，桥接器，路由器，被认为是网络组件。包含用于控制和调节网络业务的集成设备的终端设备，例如，包含集成交换机的终端设备在下面也被称为网络组件。

精确时间同步在用于包括通过通信网络彼此连接的空间分布式自动化设备的技术设施和过程的自动化和控制系统中是特别重要的。时间同步的前提包括例如能够使用多个自动化设备在时间上同步地采集测量值，或者能够基于时间戳将多个自动化设备的测量值彼此进行比较。此外，监控功能和开环和闭环控制功能必须经常在时间上彼此精确地同步。在这种自动化和控制系统中，不同自动化设备的时钟通常必须在微秒范围内彼此同步。自动化系统的示例是用于控制、监视和保护供电网和变电站(变电站自动化系统)的能量自动化系统。

用于同步分布式网络组件的时钟的一种方式在于在每个网络组件中接收由无线电发射机分配的定时时钟，并且调整每个设备中的内部时钟以匹配定时时钟。例如，卫星支持的GPS系统(GPS-全球定位系统)发射的时间信号可用于此目的。这个解决方案相对昂贵，因为它要求所有网络组件中的接收器被同步；此外，不能到处保证GPS时间信号的充分接收。

另一个选择是使用通信网络本身用于时间同步。在这种情况下，时间同步消息在通信网络内传输并用于时间同步。

例如，在国际标准IEEE 1588-2008中说明了使用时间同步消息执行时间同步的一种方法，并且该方法被称为精确时间协议(PTP)。根据PTP标准，借助所谓的“最佳主时钟”算法选择通信网络内的一个网络组件为“主时钟”(以下也称为“主机”)，所有其他网络组件(从时钟或“普通时钟”，以下也称为“从机”)必须与主时钟同步。为此目的，主机在按照其自己的时钟确定的发送时刻tsync₁发送时间同步消息。该时刻tsync₁直接被输入时间同步消息或者在后续消息中被发往从机。从机在时刻tsync₂处接收时间同步消息，并且如果已知在主机处的发送时刻tsync₁与接收时刻tsync₂之间的时间同步消息的传播时间，则可以相应地更新自己的时钟。

在主机和相应的从时钟之间的传播时间特别是由时间同步消息沿着主时钟和从时钟之间存在的通信连接、例如有线通信线路的传播时间确定的。如果附加的网络组件(例如设计为IEEE 1588：2008中规定的“透明时钟”的交换机)也位于主时钟和从时钟之间的时间同步消息的传输路径中，则传播时间也通过时间同步消息在这些位于主时钟和从时钟之间的网络组件中的驻留时间确定。尽管可以使用相应的本地时钟获取所讨论的网络组件中的驻留时间，但是必须通过测量来确定沿着通信连接的传播时间。根据标准IEEE 1588：2008，这通过在每对相邻网络组件之间使用所谓的“Pdelay方法”来完成。在该方法中，第一网络组件i、例如从时钟在时间t₁向相邻的第二网络组件j、例如交换机发送电报(“Pdelay_Req”)。该相邻网络组件j接收该电报并存储该电报的到达时间t₂。然后，相邻网络组件j本身向第一网络组件i发送另外的电报(“Pdelay_Resp”)，并采集该电报的发送时刻t₃。该发送时刻t₃和接收时刻t₂在电报本身中或在后续电报中被发送到第一网络组件i。第一网络组件i接收该电报并存储该电报的接收时刻t₄。现在在第一网络组件i处呈现时刻t₁至t₄。可以使用以下等式从这些时刻计算网络组件i和网络组件j之间的电报的传播时间T_{i_j}：

为了确保尽可能精确的时间同步，必须尽可能精确地确定两个网络组件之间的传播时间。在相应的网络组件中使用时间戳以确定相关的发送和接收时刻。为了时间戳的目的，每个网络组件提供时间戳时钟，其从相应的设备内部的时钟导出并且用于对发送和接收时刻加上时间戳。设置的时间戳时钟越快，可以更精确地对特定事件加时间戳。

然而，即使对于相对快运行的时间戳时钟，也存在在时间戳时钟的两个时钟脉冲之间发生事件的可能性，结果是这样的事件可能被不太精确地加上时间戳，因此例如当上述算法用于确定Pdelay时可能导致不准确。

特别是在包含先后布置的多个网络组件的复杂通信网络中(例如在环形拓扑通信网络中，由于冗余原因，这些网络组件相对频繁地用于自动化系统)，在相邻网络组件之间建立的这些不准确性可以快速地累积为值，所述值使得网络中的各个网络组件的精确时间同步更困难，因为这些值影响各个时钟与主时钟的匹配。

技术实现要素：

从前面介绍的类型的方法出发，本发明的目的是提高确定传播时间时的精度。

该目的通过开头所述类型的方法实现，其中第二网络组件在电报到达第二网络组件之后立即将电报返回给第一网络组件，第一网络组件在接收到返回的电报时，采集所述电报的接收时刻并存储所述电报的相应的接收时刻信息，并且将所述电报的发送时刻信息和所述电报的接收时刻信息用于确定所述电报沿着通信连接的传播时间。

本发明基于如下发现：确定传播时间时的不准确性很大程度上归因于向发送时刻和/或接收时刻加时间戳。具体地，对接收时刻加时间戳实际上可能与相对大的不准确度相关联。本发明利用该发现并因此将确定传播时间所需的时间戳的数量从根据已知的Pdelay方法必须给出的四个时间戳减少为只有两个时间戳。为了实现这一点，第二网络组件立即、即没有任何时间延迟，将接收的电报返回到第一网络组件，因此第二网络组件根本不必再发放任何时间戳。由于现在只有第一个网络组件必须发放时间戳，所以两个网络组件的本地时钟之间的任何时间差或路径差都是无关紧要的。特别地，在根据本发明的方法中，省略根据已知方法所需的接收时刻的两个时间戳中的一个，该时间戳说明由第一网络组件发出的电报在第二网络组件处的接收时间。因此可以总体上实现确定电报的传播时间时的精度的显著增加。

所确定的传播时间可以用于所讨论的通信连接，作为使用时间同步消息的时间同步的参数。如果多个通信连接位于主时钟和从时钟之间，则必须相应地确定所述通信连接的传播时间并且对于总路径求和。此外，必须考虑时间同步消息在各个网络组件中的驻留时间，尽管这些时间可以由网络组件自身来确定。在如在标准IEEE 1588：2008中说明的所谓“透明时钟”的情况下，所讨论的网络组件分别将电报的驻留时间直接输入到时间同步消息中。

根据本发明的方法的另一个优点是其可以在使用硬件编码的电路构件(例如FPGA，ASIC)中容易地实现，并且不需要对网络组件的运行软件的任何修改。

根据本发明的方法应在通信网络投入运行之前或之时执行，以便在通信网络的运行期间具有执行时间同步所需的所有参数。还建议以规则或不规则的间隔和/或基于事件驱动(例如在网络拓扑的改变的情况下)和/或(例如在替换通信连接之后)在通信网络的运行者的请求下重复地执行该方法，以便验证并且如果适用的话调整传播时间的当前值。

具体地，根据本发明的方法的有利发展，如果对于沿着两个网络组件之间的通信连接的前向和返回方向上假设电报的对称传播时间，则电报沿着通信连接的传播时间可以使用以下公式确定：

其中各个表达式具有以下含义：

T_{i_j}：电报沿着网络组件i和网络组件j之间的通信连接的传播时间；

t_i1：说明电报从网络组件i的发送时刻的发送时刻信息；

t_i2：说明电报在网络组件i处的接收时刻的接收时刻信息。

上述对称传播时间的假设通常在自动化系统中以足够的精度来满足。

根据本发明的方法的另一有利实施例，还可以提供，第二网络组件仅在物理的比特传输级上接收电报，并且在接收之后立即返回到第一网络组件。

这可以有利地实现，在第二网络组件中几乎没有驻留时间地将电报返回到第一网络组件，因为第二网络组件根本不对电报执行本地处理步骤，并且纯粹地在物理电路级(硬件)上执行转发，而不需要为此执行程序控制的处理(软件)。所描述的通信模式也被称为“循环运行”或“环路模式”。在这种情况下，OSI模型(开放系统互连模型)中的最低传输层被认为是物理的比特传输级。

根据另一个有利的实施例，还可以提出，第一网络组件将发送电报的时刻与用于内部时间戳的时间戳时钟同步。

这可以进一步提高确定传播时间时的准确度，因为通过电报的发送时刻与时间戳时钟的同步，可以精确地在出现时间戳脉冲的时刻发送电报。因此，仅不能与时间戳时钟同步(因为不可预测)的接收时刻还构成确定传播时间时的潜在不确定性。然而，对于被选择为足够快的时间戳时钟，这些不确定性可以保持在限制之内。

根据本发明的方法的另一有利实施例提供，电报包含测试数据序列。

因此，一方面可以在结构方面将电报近似为平均在通信网络中待传输的电报，特别是时间同步所需的时间同步消息。另一方面由此可以容易地将电报与任何其他电报区分开，确保正确的电报实际用于确定传播时间。

根据另一个有利的实施例，另外提供，通过由第二网络组件沿着通信连接向第一网络组件传输另外的电报，第二网络组件还确定另外的电报在第二网络组件和第一网络组件之间的传播时间，其中所述第二网络组件采集所述另外的电报的发送时刻并存储所述另外的电报的对应的发送时刻信息，所述第一网络组件在所述另外的电报到达所述第一网络组件之后立即将所述另外的电报返回到所述第二网络组件，第二网络组件在接收到所返回的另外的电报时，采集所述另外的电报的接收时刻，并且存储所述另外的电报的相应的接收时刻信息，以及将所述另外的电报的发送时刻信息和另外的电报的接收时刻信息用于确定另外的电报沿着通信连接的传播时间。

根据该实施例，可以冗余地确定传播时间，具体地因为以相应的方式一次由第一网络组件确定，一次由第二网络组件确定。

在这种情况下，通过将由第一网络组件确定的电报的传播时间与由第二网络组件确定的另外的电报的传播时间进行比较，可以特别容易地检查所确定的传播时间是否正确，并且如果存在超过预设阈值的偏差，丢弃所确定的传播时间。

这确保仅将用于传播时间的合理值用于进一步的时间同步。其原因是，由于可以假定传播时间的确定产生足够接近的值，而与电报或另外的电报的发送方向无关，则所确定的传播时间中的显著差异指示测量误差因此必须丢弃所确定的传播时间。随后可以重复测量。如果传播时间的确定一次或多次失败，则还可以向通信网络的运营商发出错误报告，以便启动网络组件和/或通信连接的维护或检查(如果适用)。相应地，如果存在足够精确的一致性，则传播时间的两个确定的值中的一个或其平均值可以被存储为沿着通信连接的传播时间的最终值，并且用于时间同步。

上述目的还通过用于在包含要在时间上彼此同步的多个网络组件的通信网络中运行的至少两个网络组件来实现，其中，网络组件构造为，为了确定电报沿着第一网络组件和第二网络组件之间的通信连接的传播时间，从所述第一网络组件沿着通信连接向所述第二网络组件发送电报，并且采集所述电报的发送时刻和存储所述电报的对应的发送时刻信息，并且使用所述发送时刻信息来确定所述电报沿着通信连接的传播时间。

根据本发明设有，第二网络组件被设计为在电报到达第二网络组件之后立即将电报返回到第一网络组件，第一网络组件被设计为在接收到返回的电报时采集电报的接收时刻，并且存储所述电报的相应的接收时刻信息，并且所述第一网络组件被设计为使用所述电报的发送时刻信息和所述电报的接收时刻信息来确定所述电报沿着通信连接的传播时间。

上文和下文关于根据本发明的方法呈现的所有实施例适用于根据本发明的网络组件，反之亦然；特别地，根据本发明的网络组件被设计为在任何实施例中实现根据本发明的方法或任何实施例的组合。此外，关于根据本发明的网络组件的优点，参考与根据本发明的方法描述的优点。

附图说明

下面参考示例性实施例更详细地解释本发明。示例性实施例的具体设计不应当对根据本发明的方法、根据本发明的网络组件和根据本发明的通信网络的一般设计具有限制效果；更确切而言可以自由选择示例性实施例的单独设计特征并且与上述特征组合。

图1示出了包含多个网络组件的通信网络的第一示例性实施例；

图2示出了包含多个网络组件的通信网络的第二示例性实施例；

图3示出了用于解释根据IEEE 1588：2008的用于确定电报的传播时间的已知的Pdelay方法的流程图；和

图4示出了用于解释用于以增加的精度确定电报的传播时间的方法的流程图。

具体实施方式

图1以示意图示出了通信网络10，网络组件11a-f连接到该通信网络。网络组件11a-f尤其可以是自动化系统的自动化设备，例如用于供电网络的自动化。所述设备可以是例如电能自动化系统的保护设备、仪表、相量计、功率计、电力质量设备、控制站和控制设备、交换机控制器等。这种自动化设备也可以一般地作为现场设备或IED(“智能电子设备”)。

通信网络10另外包括网络组件12a-b，例如具有多个端口的诸如交换机，桥接器或路由器的组件。在下面解释的示例中，网络组件12a-b在标准IEEE1588-2008的意义上构成“透明时钟”。

网络组件11a-f经由网络组件12a-b通过通信连接彼此连接，使得每个网络组件可以与每个其他网络组件交换消息。此外，所有网络组件包括本地时钟，它们必须在它们各自的本地时间方面彼此同步。例如，应该假定网络组件11a的本地时钟构成主时钟，所有其它网络组件11b-f的本地时钟必须同步到该主时钟的时间。

在通信网络10中交换消息，其可以包含例如测量值，控制命令，状态报告，记录的测量曲线或软件更新。为了也能够执行时间同步，在通信网络10中还另外交换时间同步消息。这将在后面更详细地描述。

图2示出了通信网络20的另一示例性实施例，其中与图1的通信网络10不同，通信网络20具有环形拓扑。图2以示意图示出了通信网络20，多个网络组件21a-f连接到该通信网络20。

网络组件21a-f包括集成开关22，该开关例如可以是3端口开关。包含集成开关的网络组件21a-f是在标准IEEE 1588-2008意义上的“透明时钟”。此外，每个网络组件21a-f包括本地时钟。

在通信网络20中，为了同步本地时钟而交换时间同步消息。应当通过示例的方式假设网络组件21a的本地时钟构成主时钟，所有其他网络组件21bf的本地时钟必须同步到该主时钟的时间。此外，还交换了其他消息，如上面对于图1已经解释的。

参考图1，下面将通过示例的方式解释基于在通信网络10中传输的时间同步消息的时间同步的方法。下面描述的方法也可以相应地应用于通信网络20或其他其中执行时间同步的通信网络。

下面将通过示例来解释网络组件11d的本地时钟如何与网络组件11a的本地(主)时钟同步。

网络组件11a以规则的间隔将时间同步消息“Sync”作为广播消息发送到其它网络组件11b-f，还包括网络组件11d。时间同步消息的发送时刻tsync₁作为信息被附于时间同步消息中。作为直接附于发送时刻的替代，也可以使用随后的后续消息来传输该发送时刻。

时间同步消息由网络组件11a首先发送到网络组件12a(交换机)。该组件将时间同步消息转发到网络组件12b(交换机)，网络组件12b又将时间同步消息转发到网络组件11d。在接收到时间同步消息时，网络组件确定接收时刻tsync₂。对于网络组件11d和网络组件11a的本地时钟的同步时间，接收时刻tsync₂由下式给出：

tsync₂＝tsync₁+T(Sync)，

其中T(Sync)是网络组件11a和网络组件11d之间的时间同步消息的传播时间。如果传播时间T(Sync)和时间同步消息的发送时刻tsync₁是已知的，则可以检查网络组件11d的本地时钟的时间，并且如果在根据本地时间确定的接收时刻tsync₂与根据tsync₁+T(Sync)得到的额定时间有偏差，则执行更新。

传播时间T(Sync)由两个分量组成。一方面，其包括时间同步消息“sync”沿着位于第二网络组件和第一网络组件之间的各个通信连接的传播时间的总和。具体地，这个总传播时间由时间同步消息沿着网络组件11a和网络组件12a之间的通信连接、沿着网络组件12a和网络组件12b之间的通信连接，以及沿着网络组件12b和网络组件11d之间的通信连接的各个传播时间组成。

在这里所示的示例中在时间同步消息的传播时间T(Sync)中的第二分量是时间同步消息在位于第二网络组件和第一网络之间的相应网络组件中的驻留时间。例如，由于所讨论的网络组件在发送时间同步消息之前还发送其它电报，可能出现驻留时间。具体地，总驻留时间因此由时间同步消息在网络组件12a和网络组件12b中的各个驻留时间组成。在该示例中，网络组件12a和12b构成IEEE1588：2008中规定的透明时钟。

如果在包含主时钟的网络组件和包含从时钟的网络组件之间没有布置另外的网络组件，则自然没有传播时间的第二分量。不使用根据IEEE 1588：2008的“透明时钟”(其差不多是创造出时间同步消息并且为此目的测量时间同步消息自己的驻留时间)，还可以使用IEEE 1588：2008中规定的所谓的“边界时钟”，其相对于主机起从机作用，并且相对于要立即同步的紧接着的网络组件起主机作用，并且它们自己发送时间同步消息。在这种情况下，通常没有可以导致时间同步消息的相应的驻留时间的、另外的网络组件位于待同步的两个网络组件之间，结果是传播时间的第二分量也将被省略。

如果存在驻留时间，则由相应的网络组件通过测量时间同步消息的接收和转发之间的时间来确定驻留时间，并且通常作为信息附于时间同步消息或者作为后续消息发送，但是必须沿着各个通信连接单独地确定传播时间。

现在将参考图3首先解释基于已知的“Pdelay方法”如何确定两个网络组件之间的传播时间。下面参考图4描述用于以增加的精度确定传播时间的方法。确定网络组件11d(以下也称为“第一网络组件”)和网络组件12b(也称为“第二网络组件”)之间的电报的传播时间例如将通过图3中所示的方法和图4中所示的方法来解释。为了确定电报在网络组件11a和网络组件11d之间的总传播时间，必须以相应的方式对于每对相邻网络组件之间的所有子路径单独执行所述确定。

在图3中示出了用于该方法的流程图，其中沿着时间线31和32绘制用于确定传播时间所需的电报的传输。在这种情况下，时间线31表示第一网络组件11d处的事件，并且时间线32表示第二网络组件12b处的事件。

为了基于已知的Pdelay方法确定电报在第一网络组件11d和第二网络组件12b之间的传播时间，第一网络组件11d在时刻t₁向第二网络组件12b发送电报“Pdelay_Req”。通过基于第一网络组件11d的本地时钟的时间戳来记录时刻t₁。

第二网络组件12b接收电报“Pdelay_Req”，通过基于其本地时钟的时间戳来采集相关联的接收时刻t₂，并且存储该接收时刻t₂。在时刻t₃，第二网络组件12b向第一网络组件11d发送作为对电报“Pdelay_Req”的响应的另外的电报“Pdelay_Resp”。在此过程中，它通过基于其本地时钟的时间戳来采集发送时刻t3，并且将时刻t₂和t₃发送到第一网络组件11d。可以使用电报“Pdelay_Resp”进行该传输，或者使用后续电报来执行该传输，如图3中虚线示意性所示。此外，时刻t2和t3也可以作为一个值(例如t₃-t₂)被传输。

第一网络组件11d接收电报“Pdelay_Resp”，并通过基于其本地时钟的时间戳来采集接收时刻t₄。第一网络组件因此具有关于时刻t₁到t₄的信息，并且可以使用在引言中给出的等式来确定电报沿着在第一网络组件11d(索引i)和第二网络组件12b(索引j)之间的通信连接的传播时间：

在此不利的是，为确定传输时间总共需要四个时间戳，其分别具有不精确性。尤其，在接收电报时发放的时间戳可能导致明显不精确性，因为对于其，不存在将事件(接收电报)与时间戳时钟同步化的可能性。

因此，图4示出了用于以增加的精度确定电报的传播时间的方法。图4还示出了该方法的流程图，其中，沿着时间线41和42绘制确定传播时间所需的电报的传输。在这种情况下，时间线41表示第一网络组件11d处的事件，时间线42表示第二网络组件12b处的事件。

在时间t_i1，第一网络组件11d(索引i)向第二网络组件12b(索引j)发送电报。在该过程中，第一网络组件11d通过基于本地时钟的时间戳来记录时刻t_i1，并且将所述时刻存储为发送时刻信息。

第二网络组件12b在接收之后立即将电报返回到第一网络组件11d，而根本没有发放任何时间戳并且不对电报执行任何其它处理运行。为此目的，第二网络组件12b可以暂时地置于循环模式中，例如，其中它接收电报并且立即再次以与OSI模型中的最低层相对应的物理的比特传输级再次返回所述电报。

第二网络组件12b可以例如根据电报中的前面的前缀识别所接收的电报是要立即被返回的电报。或者，第一网络组件11d可以借助预消息向第二网络组件12b通知所讨论的电报的发送。该预消息可以例如在所讨论的电报被发送之前的固定时间间隔被发送，使得第二网络组件可以从接收到预消息获得所讨论的电报的预期到达时刻。作为另一替换，所述电报也可以以规则的时间间隔发送，使得第二网络组件12b可以相应地为所讨论的电报的到达做好准备并可以临时激活循环模式。

第一网络组件11d接收返回的电报，并通过时间戳记采集接收时刻t_i2。此时刻被存储为接收时刻信息。从现在可用的时刻t_i1和t_i2，第一网络组件11d可以使用以下等式来确定正在寻找的传播时间T_{i_j}：

基于最后描述的方法确定的传播时间的值更精确，因为仅需要两个时间戳而不是四个来确定该值。此外，使用相同的本地时钟，即第一网络组件11d的本地时钟获取两个时间戳，结果是在两个本地时钟之间的差异，例如，漂移或路径不准确也没有影响。

为了进一步提高最后描述的方法的精度，电报的发送应当与第一网络组件11d的内部时间戳时钟同步。换句话说，发送时刻应该精确地设置在时间戳时钟的时钟脉冲处，使得可以非常精确地确定发送时刻信息，并且仍然可能出现的唯一的不准确性是通过在在第一网络组件11d接收电报时的时间戳形成的。

如果电报在第二网络组件12b中的驻留时间尽管立即返回仍不可忽略，则其可以被预先测量并且包括在传播时间的确定中。

例如，为确定传播时间而使用的电报可以包含特定的说明的测试数据序列。由此，所讨论的电报容易被识别并且与其他电报区分开，而且该电报的结构因此可以近似于典型的时间同步消息的结构，以便对于测量产生尽可能相同的通信负载。

另外，参考图4详细描述的方法也可以以相应的方式在相反方向上执行。在这种情况下，第二网络组件12b将发送另外的电报，并且第一网络组件11d将立即返回所接收的另外的电报。然后在第二网络组件12b中以相应的方式确定传播时间。

然后可以将在两个网络组件中确定的传播时间的值彼此进行比较。只有当两个值之间存在足够好的一致时，所确定的传播时间才能用作用于时间同步的参数。然而，如果两个值之间存在显著差异，则应该丢弃所确定的值，并且应当执行重复确定。另外，可以发出错误报告，其向通信网络的运行者通知关于传播时间的确定中的错误。

虽然上面已经通过示例仅针对两个网络组件11d和12b解释了用于确定传播时间的方法，但是可以以相应的方式确定相应的其他相邻网络组件之间的传播时间。