專利名稱：一種兼具ntp和ptp功能的以太網(wǎng)卡及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以太網(wǎng)卡，具體地說，是涉及一種兼有NTP和IEEE 1588PTP兩種功能的以太網(wǎng)卡及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
以太網(wǎng)卡是計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的一種必備的連接裝置，它包括OSI (開方系 統(tǒng)互聯(lián))模型的兩個(gè)層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電 與光信號、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。數(shù) 據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的 數(shù)據(jù)接口等功能。以太網(wǎng)卡中數(shù)據(jù)鏈路層的芯片一般簡稱之為MAC控制器，物理層的芯片 我們簡稱之為PHY。許多以太網(wǎng)卡的芯片已經(jīng)在外形上把MAC和PHY的功能集成到了一顆 芯片內(nèi)，但是MAC和PHY的機(jī)制還是單獨(dú)存在的。MAC芯片不但要實(shí)現(xiàn)MAC子層和LLC子層的功能，還要提供符合規(guī)范的PCI界面， 以實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，其結(jié)構(gòu)包含MAC(介質(zhì)訪問控制)子層和LLC(邏輯鏈路控制)子 層。MAC芯片的一端接計(jì)算機(jī)PCI總線，另外一端連接PHY芯片上。在MAC芯片從PCI總線接 收IP數(shù)據(jù)包(或者其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的數(shù)據(jù)包)后，將之拆分并重新打包成最大1518Byte、 最小64Byte的幀，這個(gè)幀包括了目標(biāo)MAC地址、自己的源MAC地址、數(shù)據(jù)包里面的協(xié)議類 型，以及一個(gè)DWORD (4Byte)的CRC碼。以太網(wǎng)卡的PHY芯片是實(shí)現(xiàn)物理層的重要功能器件 之一，其結(jié)構(gòu)包括MII/GMII(介質(zhì)獨(dú)立接口 )子層、PCS(物理編碼子層)、PMA(物理介質(zhì)附 加)子層、PMD (物理介質(zhì)相關(guān))子層、MDI子層。MAC芯片和PHY芯片通過IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)的MII/GigaMII (Media Ind印ended Interfade，即介質(zhì)獨(dú)立界面)實(shí)現(xiàn)連接。而MAC對PHY的工作狀態(tài)的確定和對PHY的控制 則是使用SMI (Serial Management Interface)界面通過讀寫PHY的寄存器來完成的。PHY 芯片內(nèi)的部分寄存器也是IEEE定義的，PHY把自己的當(dāng)前狀態(tài)反映到寄存器后，MAC通過 SMI總線讀取PHY的狀態(tài)寄存器便可得知當(dāng)前PHY的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP (Network Time Protocol)是用于互聯(lián)網(wǎng)中時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)互 聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其用途是把計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步到某些時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。它以GPS時(shí)間代碼傳送的時(shí)間 消息為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用Client/Server結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的靈活性，可以適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)環(huán) 境。NTP不僅校正現(xiàn)行時(shí)間，而且持續(xù)跟蹤時(shí)間的變化，能夠自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故 障，也能維持時(shí)間的穩(wěn)定。NTP產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷甚少，并具有保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)對措施。這 些措施的采用使NTP可以在互聯(lián)網(wǎng)上獲取可靠和精確的時(shí)間同步，并使NTP成為互聯(lián)網(wǎng)上 公認(rèn)的時(shí)間同步工具。IEEE 1588PTP協(xié)議借鑒了 NTP技術(shù)，與NTP相比，它具有配置更容易、收斂速度更 高以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗更少等特點(diǎn)。它的主要原理是通過一個(gè)同步信號周期性地 對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步。 IEEE1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。
目前來說，普通以太網(wǎng)卡的技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，無論從原理還是從生產(chǎn)上 對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠家都不存在任何問題。NTP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)中和時(shí)間同步子網(wǎng)中都得到 了廣泛的應(yīng)用，越來越多的NTP服務(wù)器出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上。但是，普通以太網(wǎng)卡的應(yīng)用主要體 現(xiàn)在普通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提供上網(wǎng)服務(wù)和工業(yè)控制等，NTP協(xié)議的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對時(shí)間 精度要求不是很高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和一些時(shí)間同步子網(wǎng)中，兩者之間并沒有交集?；诖嗽颍?現(xiàn)有的以太網(wǎng)卡并不能提供NTP協(xié)議的授時(shí)功能，而NTP協(xié)議應(yīng)用于專用的服務(wù)器時(shí)，則只 提供授時(shí)功能。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和延伸，越來越多的領(lǐng)域?qū)r(shí)間同步提出了更高的要求， NTP已經(jīng)不能滿足某些領(lǐng)域高精度、高可靠性時(shí)間傳輸?shù)男枨?，而IEEE 1588PTP協(xié)議作為 新興的標(biāo)準(zhǔn)，由于具有更優(yōu)良的性能，將會成為以后主流的時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，將NTP和PTP兩種 協(xié)議集成于一張網(wǎng)卡上，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的功能，使以太網(wǎng)卡既能夠滿足一般用戶對網(wǎng)絡(luò)訪 問的需求，又能夠滿足在特定環(huán)境下特殊用戶對高精度時(shí)間戳的需求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，包括內(nèi)置有PTP協(xié)議和TCP/ IP協(xié)議的控制芯片，以及與控制芯片連接的PHY芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片、PLXPCI芯片、內(nèi)頻標(biāo) 和內(nèi)置有NTP協(xié)議的FPGA，所述電源轉(zhuǎn)換芯片還分別與PLX PCI芯片、FPGA、內(nèi)頻標(biāo)連接， 內(nèi)頻標(biāo)還與FPGA連接，F(xiàn)PGA還與PLX PCI連接。所述以太網(wǎng)卡上還設(shè)有與控制芯片連接的SPI客戶端配置管理接口，該接口為 RS232。所述控制芯片為IM3000。所述內(nèi)頻標(biāo)為晶體振蕩器，其功能是產(chǎn)生IOMHz的時(shí)鐘信號。所述PHY芯片與IM3000的接口為MII。所述PHY芯片外接以太網(wǎng)絡(luò)，物理接口為RJ45。所述電源轉(zhuǎn)換芯片和PLX PCI芯片均外接計(jì)算機(jī)PCI接口。在上述硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了一種相應(yīng)的以太網(wǎng)卡的實(shí)現(xiàn)方法，其 特征在于，包括PHY芯片檢測是否收到未處理的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，若收到未處理的數(shù)據(jù)包，則將其傳輸 到控制芯片，然后判斷數(shù)據(jù)包的類型；若收到處理過的數(shù)據(jù)包，則將其發(fā)回網(wǎng)絡(luò)或丟棄；若未處理的數(shù)據(jù)包為PTP數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)PTP協(xié)議處理數(shù)據(jù)包，然后通過 PLX PCI芯片將數(shù)據(jù)包發(fā)送到計(jì)算機(jī)，或發(fā)送回互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，或?qū)⑵浣獍⒋嫒爰拇嫫鳎蝗粑刺幚淼臄?shù)據(jù)包為NTP數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)NTP協(xié)議處理數(shù)據(jù)包，并根據(jù)內(nèi) 標(biāo)頻提供的晶振信號控制FPGA產(chǎn)生高精度時(shí)間戳，然后將時(shí)間戳發(fā)送給客戶端；若為其他數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行處理，然后通過PLX PCI芯片 將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)或解包存入寄存器?，F(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)使以太網(wǎng)卡的應(yīng)用環(huán)境十分成熟，而現(xiàn)有的以 太網(wǎng)卡卻只支持IEEE1588和NTP協(xié)議中的一種，一旦因?yàn)樾枰呔葧r(shí)間戳而增加支持 IEEE1588或者NTP協(xié)議的專用網(wǎng)卡將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源重組，如重新布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重新購買和分配等一系列開銷。網(wǎng)絡(luò)資源的重組不僅需要耗費(fèi)時(shí)間和資金，而且還不一定能達(dá)到預(yù)期的效果。本發(fā)明是在現(xiàn)有的普通網(wǎng)卡基礎(chǔ)上，通過從硬件和軟件兩方面重新設(shè)計(jì)，將 IEEE 1588協(xié)議和NTP協(xié)議集成到同一以太網(wǎng)卡上，使其既能滿足一般用戶對網(wǎng)絡(luò)訪問的 需求，又能滿足在特定環(huán)境下特殊用戶對高精度時(shí)間戳的需求，從而達(dá)到直接取代現(xiàn)有以 太網(wǎng)卡的目的。本發(fā)明設(shè)計(jì)巧妙，功能齊全，性價(jià)比高，具有很高的推廣和應(yīng)用前景，屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。圖2為本發(fā)明的物理結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1，一種兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其硬件部分包括內(nèi)置有PTP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的控制芯片，以及與控制芯片連接的PHY芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片、PLX PCI芯片、 FPGA和內(nèi)頻標(biāo)，F(xiàn)PGA內(nèi)置NTP協(xié)議，所述電源轉(zhuǎn)換芯片還分別與PLX PCI芯片、FPGA、內(nèi)頻 標(biāo)連接，內(nèi)頻標(biāo)還與FPGA連接，F(xiàn)PGA還與PLX PCI連接。在上述模塊中，所述控制芯片為IM3000芯片，它是網(wǎng)卡的核心，具體作用包括1.控制整個(gè)網(wǎng)卡的工作，2.內(nèi)置的PTP協(xié)議，是實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間戳的必備協(xié)議，它可對PTP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，3.內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議，是實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)訪問的必備協(xié)議，它可對普通網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作。所述PHY芯片是物理層控制芯片，它和IM3000芯片的接口為MII，其作用是收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，和網(wǎng)絡(luò)的物理接口為RJ45。所述內(nèi)頻標(biāo)是晶體振蕩器，為控制芯片和FPGA提供IOMHz信號，其作用是使IM3000有個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘源，能夠進(jìn)行高精度的授時(shí)。電源轉(zhuǎn)換芯片的主要作用是將PCI接口上輸出的PC機(jī)主板電源轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)卡內(nèi)部其它器件工作的電源。FPGA芯片是產(chǎn)生NTP時(shí)間戳的核心，通過IM3000芯片的控制和IOMHz時(shí)鐘的輸入能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間戳。PLX PCI芯片是專用的PCI接口芯片，其作用是控制網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)PCI卡槽的接口，由IM3000芯片對其進(jìn)行操作來達(dá)到網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)通信的目的。本發(fā)明中還設(shè)有與控制芯片連接的SPI客戶端配置管理接口，其物理接口為 RS232，作用是對IM3000芯片的PTP參數(shù)進(jìn)行一些初始配置，比如同步間隔、錯(cuò)誤容限配置寸。為了更好地將本發(fā)明應(yīng)用于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)中，本發(fā)明采用與現(xiàn)有普通網(wǎng)卡相同的物理結(jié)構(gòu)，如圖2所示。本發(fā)明的安裝方法也與現(xiàn)有的普通網(wǎng)卡相同，只需要將網(wǎng)卡下端插 入計(jì)算機(jī)主板的網(wǎng)卡插槽中，其側(cè)部固定于計(jì)算機(jī)機(jī)箱上即可。
本發(fā)明能夠作為PTP的從時(shí)鐘和NTP的服務(wù)器。本發(fā)明的基本工作過程為首先電源轉(zhuǎn)換芯片將計(jì)算機(jī)主板電源轉(zhuǎn)換為適合以太網(wǎng)卡各個(gè)芯片工作的電源，使網(wǎng)卡開始正 常工作，然后由SPI客戶端配置管理接口對控制芯片IM3000中的PTP參數(shù)進(jìn)行初始化配 置，如同步間隔、錯(cuò)誤容限等；當(dāng)收到未處理的PTP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過PHY芯片從 MII接口發(fā)送到IM3000芯片進(jìn)行處理，因?yàn)镮M3000芯片內(nèi)置了 PTP協(xié)議，所以以太網(wǎng)卡依 據(jù)PTP協(xié)議的算法將會同步于主時(shí)鐘，如果沒收到未處理的PTP數(shù)據(jù)包，IM3000芯片用內(nèi)標(biāo) 頻提供的IOMHz晶振信號進(jìn)行授時(shí)，通過PLX PCI芯片，計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件就可以獲得精度很 高的時(shí)間戳。當(dāng)收到NTP客戶端請求同步數(shù)據(jù)包時(shí)，IM3000芯片發(fā)出中斷信號配合IOMHz 晶振信號在FPGA內(nèi)進(jìn)行時(shí)間鎖存，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間戳，IM3000芯片依據(jù)NTP 協(xié)議將這個(gè)時(shí)間戳返回給客戶端，使客戶端時(shí)鐘同步于網(wǎng)卡。如果收到的數(shù)據(jù)包既不是PTP 數(shù)據(jù)包，又不是NTP數(shù)據(jù)包，僅僅是普通數(shù)據(jù)包，那么說明該數(shù)據(jù)包是一般用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的 數(shù)據(jù)包，IM3000芯片將依據(jù)TCP/IP協(xié)議對其進(jìn)行處理，處理方式與現(xiàn)有的普通網(wǎng)卡處理網(wǎng) 絡(luò)訪問數(shù)據(jù)包的方式相同，即數(shù)據(jù)解包、處理、發(fā)送等一系列環(huán)節(jié)。另外，如果PHY芯片收到 的數(shù)據(jù)包為經(jīng)過以太網(wǎng)卡處理過的數(shù)據(jù)包，則直接將其發(fā)送回互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或丟棄。
權(quán)利要求
一種兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，包括內(nèi)置有PTP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的控制芯片，以及與控制芯片連接的PHY芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片、PLX PCI芯片、內(nèi)頻標(biāo)和內(nèi)置有NTP協(xié)議的FPGA，所述電源轉(zhuǎn)換芯片還分別與PLX PCI芯片、FPGA、內(nèi)頻標(biāo)連接，內(nèi)頻標(biāo)還與FPGA連接，F(xiàn)PGA還與PLX PCI連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述控制芯片 為 IM3000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述內(nèi)頻標(biāo)為 晶體振蕩器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述晶體振蕩 器產(chǎn)生IOMHz的時(shí)鐘信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述PHY芯片 與IM3000的接口為M II。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述PHY芯片 外接以太網(wǎng)絡(luò)，物理接口為RJ45。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述電源轉(zhuǎn)換 芯片和PLX PCI芯片均外接計(jì)算機(jī)PCI接口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述以太網(wǎng)卡 上還設(shè)有與控制芯片連接的SPI客戶端配置管理接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兼具NTP和PTP功能的以太網(wǎng)卡，其特征在于，所述SPI客戶 端配置管理接口為RS232。
10. 一種以太網(wǎng)卡的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括PHY芯片檢測是否收到未處理的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，若收到未處理的數(shù)據(jù)包，則將其傳輸?shù)娇?制芯片，然后判斷數(shù)據(jù)包的類型；若收到處理過的數(shù)據(jù)包，則將其發(fā)回網(wǎng)絡(luò)或丟棄；若未處理的數(shù)據(jù)包為PTP數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)PTP協(xié)議處理數(shù)據(jù)包，然后通過PLX PCI芯片將數(shù)據(jù)包發(fā)送到計(jì)算機(jī)，或?qū)⑵浣獍⒋嫒爰拇嫫?；若未處理的?shù)據(jù)包為NTP數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)NTP協(xié)議處理數(shù)據(jù)包，并根據(jù)內(nèi)標(biāo)頻 提供的晶振信號控制FPGA產(chǎn)生高精度時(shí)間戳，然后將時(shí)間戳發(fā)送給客戶端；若為其他數(shù)據(jù)包，則控制芯片根據(jù)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行處理，然后通過PLX PCI芯片將其 發(fā)送到計(jì)算機(jī)或解包存入寄存器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兼具NTP和IEEE 1588PTP功能的以太網(wǎng)卡，主要解決了現(xiàn)有的以太網(wǎng)卡不能同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)訪問和高精度時(shí)間戳的問題。該以太網(wǎng)卡的硬件部分包括內(nèi)置有PTP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的控制芯片，以及與控制芯片連接的PHY芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片、PLXPCI芯片、FPGA和內(nèi)頻標(biāo)，所述電源轉(zhuǎn)換芯片還分別與PLX PCI芯片、FPGA、內(nèi)頻標(biāo)連接，內(nèi)頻標(biāo)還與FPGA連接，F(xiàn)PGA還與PLX PCI連接。本發(fā)明還公開了與硬件相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，使其在提供一般網(wǎng)絡(luò)訪問需求的同時(shí)，還能為特殊用戶在特定環(huán)境下提供高精度時(shí)間戳，從而達(dá)到完全替代現(xiàn)有以太網(wǎng)卡的目的。本發(fā)明性價(jià)比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H04L12/02GK101800648SQ201010101668
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者楊健, 熊嘉明 申請人:成都天奧電子有限公司