[实用新型]一种实现以太网链状网络节点间同步的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种在以太网链状网络结构中实现各网络节点间精确同步动作的装置，尤其涉及一种在高性能集中式控制网络系统中，控制器采用标准网卡，即可实现以太网链状网络节点间同步的装置。

背景技术

在现场级通信中，有的系统对通信节点间的同步性有严格的要求，比如在运动控制中，各轴的同步性就是一个非常重要的因素。在某一时刻，各轴必须同时锁存当前的状态，控制器根据当前各轴的状态作规划、插补运算，在下一个周期时各轴根据规划数据作同步控制运动，各轴的运动是严格同步的。

现有的解决方案为网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步以太网。例如：Internet网络时间协议NTP(Network Time Protocal)、简单时间网络协议SNTP(SimpleNetwork Time Protocal)、IEEE1588标准精确时间协议PTP(Precision Time Protocal)，周期性的通过发送带有时间戳协议的同步数据包实现通信循环的同步。Internet网络时间协议NTP、简单时间网络协议SNTP精度较低，只能达到几十ms的精度要求。

IEEE1588将整个网络内的时钟分为普通时钟OC和边界时钟BC，只有一个PTP通信端口上的时钟为普通时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。其中边界时钟通常用在确定性较差的网络设备如交换机和路由器上。从通信关系上又把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC，有着最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC(通用协调时间)的可追溯性等特性，由最佳主时钟算法来自动选择各子网内的主时钟。在只有一个子网的系统中，主时钟就是GMC。每个系统只有一个GMC，且每个子网内只有一个主时钟，从时钟与主时钟保持同步。PTP通信中的报文包括同步报文，跟随报文，延迟请求报文，延迟应答报文和管理报文等。PTP协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟达到同步。这个同步过程分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差，称为偏移测量。在修正偏移量的过程中，主时钟按照定义的间隔时间周期性地向相应的从时钟发出唯一的同步报文。这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值，主时钟测量传递的精确时间TM1，从时钟测量接收的准确时间TS1。之后主时钟发出第二条报文一跟随报文(Follow_Up Message)，此报文与同步报文相关联，且包含同步报文放到PTP通信路径上得更为精确的估计值。这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分离开来。从时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量，然后按照偏移量来修正从时钟的时间，如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就会同步。为了提高修正精度，可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进来，即延迟测量，这是同步过程的第二阶段，从时钟向主时钟发送一个“延迟请求”数据包，在这个过程中决定该报文传输准确时间TS3。主时钟对接收数据包打上一个时间戳TM3送回到从时钟。根据传递时间戳TS3和主时钟提供的接收时间戳TM3，从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间(缺省4到60秒之间的随机值)比偏移值测量间隔时间大。这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。采用这种同步过程，消减PTP协议栈中的时间波动和主从时钟间的等待时间。在要求同步精度为微秒级的场合，想要获得如此高的同步定时，单纯靠软件是无法实现的，必须依靠网络第二层(数据链路层)中硬件的支持，即等时实时ASIC芯片。这种方式在周期性实时通信中，将严重增加传输的负担，依靠等时实时ASIC芯片，又增加了系统成本。

美国专利“Reduced pin-count 10Base-T MAC to transceiver interface”，专利号为5953345，提供了一种以太网中实现时钟同步的技术，该技术利用一个公共时钟信号和同步脉冲，利用单独的线来连接到网络节点的PHY收发器和MAC控制器中。在实际应用中，该方法不适用，因为采用单独的线增加了系统成本。