一种高同步的时间触发以太网装置及方法与流程

本发明涉及计算机通信技术领域，一种高同步的时间触发以太网装置及方法。

背景技术：

以太网通信在当今信息时代已经被广泛应用，而近年来在工业和航空领域的应用对于以太网有了更多的需求，尤其是对网络的实时性、安全性提出了更高的要求。而传统以太网使用资源抢占式传输，无法保证数据的实时性，基于此，时间触发以太网技术应运而生。

时间触发以太网，将应用中对实时性要求高的事件划分为时间触发tt(time-triggered)事件，基于时间触发机制，在一定的时间点触发产生，并在网络中优先传输此类事件。同时，网络中依然支持事件触发et(event-triggered)事件：速率受限(rate-constraint)事件、尽力传(best-effort)事件。对于以上三类事件，在网络系统中，基于统一的同步时钟控制产生时间触发事件，同时协调产生速率受限事件、尽力传事件，并在任务调度表的统一管理下完成发送接收，所以是时钟同步技术是时间触发以太网络能够实现的基础。

现有的时间触发以太网可优化的方面有：(1)时钟同步控制技术优化(2)基于优化的时钟同步控制技术设计出交换机与端系统(3)冗余网络连接工作原理及设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高同步的时间触发以太网装置及方法，用于解决上述现有技术的问题。

本发明一种时间触发以太网交换机，其中，包括：交换/控制逻辑，用于进行交换机对其所连网络端系统进行控制；本地时钟，用于提供交换机整体的工作时钟；同步原语接收模块，用来接收由端系统发送来的数据，区分出时钟同步原语和传输数据帧，并向中央控制器传输这两部分数据；时钟同步模块，用于接收中央控制器发出的时钟同步控制命令，产生时钟同步具体信息，并实现时钟同步；时间触发器，用于提供时间触发事件所需的时间触发条件和时间信息；中央控制器，用于控制交换机内的各模块的工作；任务调度控制模块，依据任务调度表，用来对交换机中收到的数据进行分类控制，将不同的数据放进对应的数据缓冲区中；数据缓冲区，用于存放对应的待发送数据；发送缓冲区，用于经过任务调度控制后，缓存当前需要发送的数据；同步原语发送模块，用于在中央控制器控制下，进行同步原语发送，检测当前数据发送状态，在数据发送间隔，添加时钟同步原语；配置存储器，用于存储交换机的配置信息，在上电复位之后，使交换机可以加载配置信息并正常工作；任务调度表存储器，用于存储离线生成的任务调度表，该任务调度表在中央控制器的控制下完成修改，并重新写入该存储器实现动态修改。

本发明一种高同步的时间触发以太网装置，其中，包括：上述的时间触发以太网交换机，用于将网络中的数据进行接收转发；时间触发以太网端系统，用于接收网络传输的数据，并进行处理，再时间触发以太网交换机的时钟集中控制器控制下，进行时钟同步控制；时间触发以太网冗余网络连接链路：用于在网络中构建冗余通信连接，保证数据传输的可靠性。

本发明一种高同步时间触发以太网络的实现方法，其中，包括：系统同步工作步骤s10，基于时钟同步算法，将网络中的交换机与网络端系统进行时钟同步；交换机工作步骤s20，将网络端系统发送来的数据依据任务调度表，进行数据帧的分类调度传输，同时控制网络端系统的时钟同步；端系统工作步骤s30，依据任务调度表，发送和接收网络中的不同类型数据，同时根据自身端系统时钟状态向交换机发送时钟同步信息，并在其控制下完成时钟同步；冗余控制工作步骤s40，在网络端系统上需要添加冗余控制，只接收其中的一份数据。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，系统同步工作步骤s10包括：网络端系统准备发送同步原语步骤s11，网络端系统中检测发送数据帧，当出现数据帧间隙的时候，插入时钟同步原语；网络端系统发送同步原语步骤s12：网络端系统将插入了时钟同步原语的数据发送给集中控制器；交换机接收同步原语步骤s13，交换机接收数据，然后将数据帧中间的时钟同步原语提取出来；交换机时序保持算法步骤s14，交换机运用时需保持算法，对时钟同步信息进行计算；交换机集中算法步骤s15，在对多个端系统的同步原语完成保持算法后，对时钟同步信息，继续进行时钟同步集中算法；交换机时钟校正s16，完善时钟同步信息的校正信息；交换机同步原语发送网络端系统接收s17，交换机将时钟同步信息发送给网络端系统，网络端系统接收该时钟同步信息；网络端系统/sc时序保持算法s18：，网络端系统将接收到的时钟同步原语进行时序保持运算，计算出时钟校正信息；网络端系统/sc时钟校正算法s19，网络端系统依据时钟校正信息，完成端系统本地时钟的校正。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，网络端系统发送同步原语步骤s12包括：系统设置时钟同步原语的发送周期以及同步计数器的初值，同时使能同步原语的发送，计数器开始减计数；对输入的数据中相关的信息进行检测，检测到三个连续idle原语，同时计数器计时溢出，并启动时钟同步原语插入操作；然后将经过时间信息编码后的时钟同步原语替换链路传输中的idle部分，如果检测到的idle部分不符合时钟同步原语插入条件，则等待在下一个数据帧的帧间隔，继续检测是否有可插入时间信息的idle原语。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，上述交换机接收同步原语步骤s13为：检测到synx原语时，进入接收synx原语状态，并按照时钟，随后依次为syny和synz原语；在每个原语的接收状态，收到的原语分别进行解码，并恢复出时间信息；在synz接收完成后，对三部分原语的时间信息进行拼接，得到完整的时间信息，并完成时钟同步。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，交换机工作步骤s20包括：上电加载初始化步骤s21，交换机上电加载配置芯片中的配置信息，完成系统初始化；接收数据与时钟同步原语步骤s22，交换机开始接收网络端系统经由网络传输过来的数据，数据包括网络数据帧与时钟同步原语；分解同步原语与数据帧步骤s23，将同步原语与数据帧分离，分别进行不同的处理；时钟原语预处理步骤s24，将同步原语进行时钟信息还原，并经过相应算法后产生新的时钟控制信息；时钟同步步骤s25，交换机依据新的时钟控制信息，对自己的时钟进行同步，同时对网络端系统产生具体的时钟控制信息；数据分类缓存步骤s26，依据任务调度表，将数据分别缓存到对应的数据队列中等待发送；数据待发步骤s27，依据任务调度表，将当前需要发送的数据，放入发送缓冲区；原语插入操作s28，检测当前电路发送状态，并查看是否可以插入时钟同步原语，适合则进行插入操作，不适合，则舍弃当前原语信息重新计算，并等待下一次插入。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，端系统工作步骤s30包括：端系统发送步骤s31，包括：端系统发送调度步骤s311，依据任务调度表，将需要发送的数据与任务调度表对比，然后将该事件分配给不同的事件控制器处理；端系统发送缓冲步骤s312，将所有的同类事件进行统一缓冲储存，等待发送条件触发；端系统同步原语计算步骤s313，获取当前端系统的本地时钟信息，然后计算出时钟同步原语；端系统同步原语插入数据帧发送步骤s314，首先将需要发送的数据开始进行发送，然后检测网络上的数据信息，判断是否可以插入时钟同步原语，当可以实现插入时，将计算好的时钟信息插入；当不满足插入条件是，放弃当前插入，重新计算后，等待下一次插入；网络端系统接收步骤s32，包括：同步原语与数据帧接收步骤s321，将接收到的数据进行初步处理，区分出时钟同步原语和数据帧；同步原语处理步骤s322，将接收到的同步原语进行拼接，得到初始的时钟同步信息，并将其传给同步原语处理模块进行处理；时钟同步步骤s323，依据时钟同步信息，进行网络端系统本地时钟同步；任务调度数据处理步骤s324，依据任务调度表，将不同的数据对应存储到不同的数据队列中，在不同事件控制器控制下，等待总线读取。

根据本发明的高同步时间触发以太网络的实现方法的一实施例，其中，冗余控制工作步骤s40包括：以sn为当前接收到的帧的顺序号，psn为当前接收端系统前一个有效的顺序号，包括：接收端系统复位及接收超时判断s41，接收端首先判断接收端系统是否复位，之后判断等待接收是否超时，这两个判断条件任意一个为真时，无论接收到的帧的sn为多少都为有效，接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时这一算法周期结束，接收到的sn被作为psn保存，并带入下一个算法周期；接收端系统sn＝0判断步骤s42：该步骤，进一步判断sn是否为0.当时表明发送端发生复位.接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时这一算法周期结束，psn＝0被保存，并带入下一个算法周期；sn区间判断步骤s43：进一步判断sn是否属于区间[psn+1，psn+2]，若属于接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时一算法周期结束，接收到的sn被作为psn保存，并带入下一个算法周期；反之则该sn为无效sn，携带该sn的帧将被丢弃，接收端系统的psn在这一个算法周期将不做改变而带入下一个算法周期。

本发明技术在保证时间触发网络正常通信的前提下，通过时钟同步原语发送、接收、处理并实现系统时钟同步，通过冗余的网络连接并对冗余数据进行控制处理，实现了高同步时间触发以太网技术，保证了网络数据的高实时性、安全性与设计的实用性。

附图说明

图1所示为本发明高同步的时间触发以太网装置的整体系统框图；

图2所示为时间触发以太网交换机的结构示意图；

图3所示为时间触发以太网端系统的示意图；

图4所示为插入同步原语后的数据帧的示意图；

图5所示为本发明一种高同步时间触发以太网络的实现方法的流程图。

图6所示为系统同步工作步骤s10的流程图；

图7所示为交换机的工作流程图；

图8所示为网络端系统工作流程图；

图9所示为冗余控制工作步骤的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示为本发明高同步的时间触发以太网装置的整体系统框图，如图1所示，本发明高同步的时间触发以太网装置包括：时间触发以太网交换机1：用于将网络中的数据进行接收转发，同时集成了时钟集中控制器，用来对交换机连接的端系统实现时钟同步集中控制。时间触发以太网端系统2：用于接收网络传输的数据，并进行处理，同时在交换机的时钟集中控制器控制下，实现时钟同步控制。时间触发以太网冗余网络连接链路3：用于在网络中构建冗余通信连接，保证数据传输的可靠性。

图2所示为时间触发以太网交换机的结构示意图，如图1以及图2所示，时间触发以太网交换机1包括：交换/控制逻辑101：用于实现交换机对其所连网络端系统的连接控制，实现连接端口的可控性。本地时钟102：用来提供交换机整体的工作时钟。同步原语接收模块103：用来接收由端系统发送来的数据，区分出时钟同步原语和传输数据帧，并向中央控制器传输这两部分数据。时钟同步模块104：用来接收中央控制器发出的时钟同步控制命令，产生时钟同步具体信息，并实现时钟同步。时间触发器105：用来提供时间触发事件所需的时间触发条件和时间信息，保证数据可以按照任务调度表产生对应的时间触发事件。tte中央控制器106：用来综合控制交换机内的各模块工作情况。任务调度控制模块107：依据任务调度表，用来对交换机中收到的数据进行分类控制，将不同的数据放进对应的数据缓冲区中，等待发送。tt、rc、be缓冲区108：用来存放对应的待发送数据。发送缓冲区109：经过任务调度控制后，当前需要发送的数据，其中，时间触发事件有最高的优先级。同步原语发送模块110：在中央控制器控制下，实现同步原语发送功能，检测当前数据发送状态，在数据发送间隔，添加时钟同步原语。配置存储器111：用来存储交换机的配置信息，在上电复位之后，使交换机可以加载配置信息并正常工作。任务调度表存储器112：用来存储离线生成的任务调度表，该表可以在中央控制器的控制下完成修改，并重新写入该存储器实现动态修改。

图3所示为时间触发以太网端系统的示意图，如图1以及图3所示，时间触发以太网端系统结构包括：发送/接收消息调度器201：依据任务调度表，对接收和发送数据进行统一调度控制，验证和检测数据是否为当前时间需要发送和接收的数据。tt控制器202：用来对时间触发事件进行专门管理控制。事件触发控制203：用来对事件触发事件(rc、be)进行专门管理控制。时间/事件触发队列204：分别用来缓冲保存不同事件，并按排序排列。同步原语发送/接收205：用来对从交换机接收到的数据进行数据帧和时钟同步原语识别或添加，对接收到的时钟同步原语，传输给同步原语处理模块。发送/接收器206：用来对当前需要发送/接收的数据进行缓冲。任务调度表207：用来对网络端系统中的数据传输任务实行统一管理控制。冗余通信控制模块208：用来对冗余网络中传输来的数据进行控制处理，使当前端系统只接受一个数据。同步原语处理模块209：用来对传输来的时钟同步原语进行解析，并对自己当前的时钟发送同步命令。时钟同步模块210：接收来自于同步原语处理模块的命令，实现时钟同步。配置存储器211：用来存储端系统基本配置信息，在端系统上电复位后，从该存储器中加载配置信息完成初始化。

图4所示为插入同步原语后的数据帧的示意图，图5所示为本发明一种高同步时间触发以太网络的实现方法的流程图，应用于如上述的时间触发以太网系统该方法包括：

系统同步工作步骤s10：基于一定的时钟同步算法，将网络中的不同功能部分(通常是交换机与端系统)进行时钟同步；

交换机工作步骤s20：用于将网络端系统发送来的数据依据任务调度表，进行数据帧的分类调度传输，同时控制网络端系统的时钟同步；

端系统工作步骤s30：依据任务调度表，发送和接收网络中的不同类型数据，同时根据自身端系统时钟状态向同步集中控制器(通常是交换机)发送时钟同步信息，并在其控制下完成时钟同步；

冗余控制工作步骤s40：在设计的冗余网络中，数据在网络上是两条通路并行传输的，所以在端系统上需要添加冗余控制，只接收其中的一份数据即可，而该步骤就是描述如何实现该过程；

其中，图6所示为系统同步工作步骤s10的流程图，如图6所示，图中sm与sc一般都是在端系统中，cm在交换机中，该步骤包括：

sm准备发送同步原语步骤s11：sm中检测发送数据帧，当出现数据帧间隙的时候，插入时钟同步原语；

sm发送同步原语步骤s12：sm将插入了时钟同步原语的数据发送给集中控制器；

cm接收同步原语步骤s13：cm接收数据，然后将数据帧中间的时钟同步原语提取出来；

cm时序保持算法步骤s14：该步骤中，cm运用时需保持算法，对时钟同步信息进行计算；

cm集中算法步骤s15：该步骤，在对多个端系统的同步原语完成保持算法后，对时钟同步信息，继续进行时钟同步集中算法；

cm时钟校正s16：该步骤，完善时钟同步信息的校正信息；

cm同步原语发送sm接收s17：该步骤，cm将时钟同步信息发送给sm，sm接收该时钟同步信息；

sm/sc时序保持算法s18：该步骤，sm/sc将接收到的时钟同步原语进行时序保持运算，计算出时钟校正信息；

sm/sc时钟校正算法s19：该步骤，sm/sc依据时钟校正信息，完成端系统本地时钟的校正；

其中，上述sm发送同步原语步骤s12为：

系统设置时钟同步原语的发送周期、同步计数器的初值，同时使能同步原语的发送，计数器开始减计数；然后原语检测电路对输入的数据中相关的信息进行检测，检测到三个连续idle原语，同时计数器计时溢出，并启动时钟同步原语插入操作；然后将经过时间信息编码后的时钟同步原语替换链路传输中的idle部分，如果检测到的idle部分不符合时钟同步原语插入条件，则等待在下一个数据帧的帧间隔，继续检测是否有可插入时间信息的idle原语。

上述cm接收同步原语步骤s13为：

同步原语检测电路检测到synx原语时，电路进入接收synx原语状态，并按照时钟，随后依次为syny、synz；在每个原语的接收状态，收到的原语分别被送入时钟同步原语解码电路中进行解码，并恢复出时间信息；在synz接收完成后，对三部分原语的时间信息进行拼接，得到完整的时间信息，并交给同步原语控制模块完成时钟同步。

图7所示为交换机的工作流程图，如图7所示，其中，交换机工作步骤还包括：

上电加载初始化步骤s21：该步骤，交换机上电加载配置芯片中的配置信息，任务调度表模块加载任务调度表存储模块中的存储信息，完成系统初始化

接收数据与时钟同步原语步骤s22：该步骤，交换机开始接收网络端系统经由网络传输过来的数据，数据包括网络数据帧与时钟同步原语

分解同步原语与数据帧步骤s23：该步骤，将同步原语与数据帧分离，分别进行不同的处理

时钟原语预处理步骤s24：该步骤，将同步原语进行时钟信息还原，并经过相应算法后产生新的时钟控制信息

时钟同步步骤s25：该步骤，交换机依据新的时钟控制信息，对自己的时钟进行同步，同时对端系统产生具体的时钟控制信息

数据分类缓存步骤s26：依据任务调度表，将数据分别缓存到对应的数据队列中等待发送

数据待发步骤s27：依据任务调度表，将当前需要发送的数据，放入发送缓冲区

原语插入操作s28：检测当前电路发送状态，并查看是否可以插入时钟同步原语，适合则进行插入操作，不适合，则舍弃当前原语信息重新计算，并等待下一次插入

其中，图8所示为网络端系统工作流程图，如图8所示，端系统工作步骤s30工作步骤还包括：端系统发送步骤s31、端系统接收步骤s32

其中，端系统发送步骤s31还包括：

端系统发送调度步骤s311，依据任务调度表，将需要发送的数据与任务调度表对比，然后将该事件分配给不同的事件控制器处理；

端系统发送缓冲步骤s312，将所有的同类事件进行统一缓冲储存，等待发送条件触发；

端系统同步原语计算步骤s313，获取当前端系统的本地时钟信息，然后计算出时钟同步原语；

端系统同步原语插入数据帧发送步骤s314，首先将需要发送的数据开始进行发送，然后检测网络上的数据信息，判断是否可以插入时钟同步原语，当可以实现插入时，将计算好的时钟信息插入；当不满足插入条件时，放弃当前插入，重新计算后，等待下一次插入；

其中，端系统接收步骤s32包括：

同步原语与数据帧接收步骤s321：该步骤将接收到的数据进行初步处理，区分出时钟同步原语和数据帧

同步原语处理步骤s322：该步骤将接收到的同步原语进行拼接，得到初始的时钟同步信息，并将其传给同步原语处理模块进行处理

时钟同步步骤s323：该步骤依据时钟同步信息，实现端系统本地时钟同步

任务调度数据处理步骤s324：该步骤依据任务调度表，将不同的数据对应存储到不同的数据队列中，在不同事件控制器控制下，等待总线读取

图9所示为冗余控制工作步骤的流程图，如图9所示，由一个冗余数据接收算法实现，如，其中sn为当前接收到的帧的顺序号，psn(previoussequencenumber)为当前接收端系统前一个有效的顺序号。该算法步骤还包括：

接收端系统复位及接收超时判断s41：该步骤下，接收端首先判断接收端系统是否复位，之后判断等待接收是否超时，这两个判断条件任意一个为真时，无论接收到的帧的sn为多少都为有效，接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时这一算法周期结束，接收到的sn被作为psn保存，并带入下一个算法周期。

接收端系统sn＝0判断步骤s42：该步骤，进一步判断sn是否为0.当时表明发送端发生复位.接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时这一算法周期结束，psn＝0被保存，并带入下一个算法周期。

sn区间判断步骤s43：该步骤，进一步判断sn是否属于区间[psn+1，psn+2]，若属于接收端将这一帧作为有效帧完成接收，此时一算法周期结束。接收到的sn被作为psn保存，并带入下一个算法周期。反之则该sn为无效sn，携带该sn的帧将被丢弃，接收端系统的psn在这一个算法周期将不做改变而带入下一个算法周期。

在时间触发以太网装置中，交换机与端系统之间是基于同步时钟完成数据发送接收传输的，所以时钟同步是时间触发的关键技术，在本发明中，网络端系统与交换机是基于时钟同步原语实现对网路中的时钟同步控制，其原理是计算出时钟同步信息，产生出synx、syny、synz格式的时钟同步原语，端系统将本地时钟信息以该原语格式发送给交换机，交换机经过接收到该时钟原语后，经过一定的处理运算，产生出新的同步原语，该同步原语又以一定的发送规则发送到端系统，端系统依据该原语实现时钟同步。

综上所述，本发明提供的高同步时间触发以太网装置、系统及实现方法是通信领域的一种技术创新，基于时钟同步原语控制，在交换机与网络端系统之间发送传输同步原语，并基于一定的算法，实现原语产生和时钟校正，该方法利用系统底层硬件检测电路上数据帧的传输情况，来发送时钟同步原语，对系统的软件资源占用少，提高了同步的效率和精度。同时，本发明还设计了冗余网络连接和冗余数据管理，提高了系统的可靠性，可以保证数据在网络的冗余性传输，同时在数据接收端，依据数据帧序号，实现对数据的接收舍弃，保证了数据的无冲突传输，提高了系统的稳定性。总之，本发明中的高同步时间触发以太网系统及其工作原理能大大改善现有时间触发以太网技术的多种问题，适用于对数据传输实时性要求高的领域，具有较高的技术和价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。