用于實行高可用性的最高級主時鐘的網(wǎng)絡和方法
用于實行高可用性的最高級主時鐘的網(wǎng)絡和方法
【專利摘要】基于IEEE1588的網(wǎng)絡，其包含多個節(jié)點(201，501)和多個連接點，其中每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，通過容許多個最高級主時鐘(701)在系統(tǒng)中同時運行，改善了IEEE1588的同步。因而廢止了IEEE1588重選通訊協(xié)定。為此，大量節(jié)點形成子系統(tǒng)，其根據(jù)該IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該子系統(tǒng)被配置以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障。雙向通信鏈接(401)被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，實行高可用性的最高級主時鐘(301)。
【專利說明】用于實行高可用性的最高級主時鐘的網(wǎng)絡和方法
【背景技術】
[0001]本發(fā)明涉及在計算機工程【技術領域】中的方法和系統(tǒng)，更詳細地為在計算機系統(tǒng)的節(jié)點同步該些本地時鐘的方法，而該些節(jié)點通過網(wǎng)絡連接。更具體地說，本發(fā)明提出了用于IEEE1588標準(IEEE標準用于網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的精確時鐘同步通訊協(xié)定)的最高級主時鐘，尤其為高可用性的最高級主時鐘，優(yōu)選地關于當前的版本IEEE1588-2008和未來任何可兼容的版本。本發(fā)明通過容許多個最高級主時鐘在系統(tǒng)中同時運行，改善了 IEEE1588所限定的同步方法；因而，它廢止了 IEEE1588重選通訊協(xié)定。為此，本發(fā)明提供了方法以實行高可用性的最高級主時鐘，并進一步提供實行所述方法的(子)系統(tǒng)。在本發(fā)明的一實現(xiàn)形式中，可采用時間觸發(fā)以太網(wǎng)以實行用于IEEE1588的該高可用性的最高級主時鐘。
[0002]本發(fā)明的功能為改進計算機系統(tǒng)的性能，其包括空間分布式的計算節(jié)點網(wǎng)絡(簡稱為節(jié)點)，其執(zhí)行指令應用程式和/或控制應用程式，如化工廠的計算機系統(tǒng)控制容器內的壓力。這樣的計算機系統(tǒng)可使用適當?shù)母袘鞅O(jiān)控該容器內的實際壓力，比較感應器讀出的數(shù)值與預設上限，并操作致動器，例如加熱器，使該實際壓力與該預設上限接近一致。這樣的計算機系統(tǒng)的功能不僅是要產(chǎn)生正確輸出一諸如在普通辦公室中的電腦系統(tǒng)已足夠一亦需要在預設且非常緊張的時間限制內產(chǎn)生此效果，因此它們經(jīng)常一般被稱作實時系統(tǒng)。
[0003]實時系統(tǒng)的該些節(jié)點通常裝有能夠量度該實時進度的本地時鐘。在工程手段中，計算機系統(tǒng)實行方法，在該些空間分布式節(jié)點中使該些本地時鐘彼此同步，使得在實時中的任何一時點，任何兩個在實時系統(tǒng)的任何兩個節(jié)點中正常運作的時鐘有非常相近的數(shù)值。正常運作節(jié)點的兩個本地時鐘的最大差異數(shù)值被稱作精度；換言之該精度被限定為在實時中的任何一時點，在網(wǎng)絡中任何兩個同步的非故障時鐘之間的最大距離。“非故障”指裝置根據(jù)其規(guī)格運行，而“同步”指裝置成功啟動(例如開啟后或重開電源后)。該IEEE1588標準限定了這樣方法來同步該些本地時鐘。IEEE1588所描述的方法尤其基于選擇僅僅一個同步主時鐘,稱作最高級主時鐘,該計算機系統(tǒng)中的所有其他節(jié)點與之同步。如最高級主時鐘發(fā)生故障，IEEE1588會指定-重選通訊協(xié)定，稱作PTP (精確時間同步通訊協(xié)定)，其在該計算機系統(tǒng)有合適節(jié)點的情況下，選定新的最高級主時鐘。在某些應用程式中，因為重選通訊協(xié)定有可能導致系統(tǒng)的精度下降和/或不能保證在計算機系統(tǒng)中的所有節(jié)點一致地選擇同一個新最高級主時鐘，而不被接受。
[0004]在本發(fā)明的內容中，任何以“IEEE1588裝置”形式的表達被理解為指與IEEE1588標準兼容的“裝置”，例如網(wǎng)絡節(jié)點、主時鐘、從時鐘等。同樣，任何以“ IEEE1588信息”形式的表達被理解為指按照IEEE1588標準形成的“信息”(如同步信息、宣布信息等)。此處的用詞“主”和“從”為IEEE1588標準所限定的意思:簡單來說，IEEE1588主時鐘是“單一精確時間同步通訊協(xié)定通信路徑中的主時鐘，為時間來源，在該路徑上其他所有的時鐘與之同步”(IEEE1588-2008，第5頁);而IEEE1588從時鐘是在網(wǎng)絡中與另一時鐘同步(即主時鐘)的從時鐘。IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘形成了同步層次結構，以該IEEE1588最高級主時鐘為最終時間來源。因此，網(wǎng)絡中的節(jié)點可同時為IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘，例如當它與最高級主時鐘直接同步時(扮演IEEE1588從時鐘的角色)和與另一與之同步的節(jié)點通信時(因而作為IEEE1588主時鐘)。
[0005]在本公開內容中，節(jié)點也被稱作終端系統(tǒng)。此外，連接該些終端系統(tǒng)的網(wǎng)絡包含實體連接和交換機，其中兩個終端系統(tǒng)通過至少一個交換機彼此連接，而實體連接把該些終端系統(tǒng)連接到交換機，亦把交換機之間連接起來。終端系統(tǒng)帶有本地時鐘。交換機可帶有本地時鐘。這樣的本地時鐘為實體元件,如振蕩器。因此,該些本地時鐘無法完美地表示實時，而可能比實時快或慢。本地時鐘和理論上完美的時鐘之間的速率差異一般稱作時鐘的漂移率。用于指令和控制應用程式領域中的時鐘，其漂移率的典型數(shù)值在約幾十或幾百ppm的范圍內。該漂移率會導致不同終端系統(tǒng)和/或交換機的本地時鐘的數(shù)值隨著實時的演變而彼此偏離。因此，該些本地時鐘必須周期性地重新彼此對準，使得它們最大的距離不超過稱作精度的預設上限。此重新對準的過程被稱作時鐘的同步。
[0006]為了使終端系統(tǒng)和/或交換機的本地時鐘彼此同步，該些終端系統(tǒng)和/或交換機以同步信息的形式彼此交換資訊。同步信息的類型和這些同步信息的交換規(guī)則通常被稱作同步通訊協(xié)定。IEEE1588限定了這樣的同步通訊協(xié)定。
[0007]本發(fā)明特別關注以下類型IEEE1588標準的同步信息:IEEE1588宣布信息和IEEE1588同步信息。IEEE1588同步通訊協(xié)定使用IEEE1588宣布信息，以從網(wǎng)絡中該套終端系統(tǒng)和/或交換機中決定只有一個的最高級主時鐘。該最高級主時鐘不斷在網(wǎng)絡中發(fā)送IEEE1588同步信息。接收IEEE1588同步信息和實行IEEE1588標準的終端系統(tǒng)和/或交換機以IEEE1588同步信息把其本地時鐘與該最高級主時鐘的本地時鐘同步。
[0008]該些IEEE1588宣布信息用于精確時間同步通訊協(xié)定，其為IEEE1588同步通訊協(xié)定的一部分。每個參與該精確時間同步通訊協(xié)定的終端系統(tǒng)和交換機周期性地發(fā)送IEEE1588宣布信息到網(wǎng)絡中所有終端系統(tǒng)和交換機。每個參與該精確時間同步通訊協(xié)定的終端系統(tǒng)和交換機選出這些IEEE1588宣布信息中最佳的宣布信息，并以其相應的發(fā)件者作為最高級主時鐘進行同步。在接收者處，通過把不同發(fā)送者的IEEE1588宣布信息互相比較，以決定最佳IEEE1588宣布信息。該精確時間同步通訊協(xié)定保證該套接收到的IEEE1588宣布信息中只存一個最佳IEEE1588宣布信息。
[0009]在容錯的方面，IEEE1588標準限定了實行所謂順序冗余的同步通訊協(xié)定。這意味著，如目前的最高級主時鐘發(fā)生故障，該IEEE1588標準的精確時間同步通訊協(xié)定會重選新的最高級主時鐘。一般的順序冗余和IEEE1588所限定的具體方法有兩個主要缺點。首先重選過程不會瞬間發(fā)生，而是需要一段實時持續(xù)時間。這意味著在此重選期間，IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘可把其本地時鐘與之同步的最高級主時鐘并不存在。結果它們的本地時鐘會彼此漂移。因此，該精度(即任何兩個正常運作的本地時鐘之間的最大差異)需要考慮這些，可能很長的，非同步的時期。此非同步導致某些應用程式的精度可能變得大得不可接受。第二個IEEE1588順序冗余同步方法的重大缺點是在某些重大故障情況，缺乏對一致性和最高級主時鐘可用性的保障。這意味著在某些情況下，例如最高級主時鐘以惡意故障形式故障時，IEEE1588不能保證IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘會選出新的最高級主時鐘和/或會一致地選出相同的最高級主時鐘。
[0010]—些最聞級主時鐘的故障形式會導致系統(tǒng)不斷重選最聞級主時鐘，例如最聞級主時鐘間歇性故障。這意味著該故障的最高級主時鐘可能只有很短時間會發(fā)送IEEE1588宣布信息，而未能發(fā)送IEEE1588同步信息。每當該故障的最高級主時鐘發(fā)送IEEE1588宣布信息，其會被選為新的最高級主時鐘。剛被選出后，當它未能發(fā)送IEEE1588同步和宣布信息，新的最聞級主時鐘會再被選出?？墒莿傔x出新的最聞級主時鐘后，該故障的最聞級主時鐘可能再次發(fā)送IEEE1588宣布信息，因而引發(fā)另一重選過程。該故障最高級主時鐘這一系列的運作/非運作故障行為因而引致系統(tǒng)不斷重選最高級主時鐘。另一會導致選出不一致的最高級主時鐘的故障例子是故障的交換機，其只把目前最高級主時鐘的IEEE1588同步和宣布信息傳遞到IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘的子集。因此，余下的IEEE1588主和從時鐘因為欠缺目前最高級主時鐘的信息而重選另一(即第二個)最高級主時鐘。
【發(fā)明內容】
[0011]鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供克服上述缺陷的方法和實行方式。本發(fā)明提供在獨立權利要求中所描述的方法及實行方式。從屬權利要求描述了本發(fā)明進一步有利的改進。
[0012]特別是根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其基于包含多個節(jié)點和多個連接點的網(wǎng)絡，每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，根據(jù)本發(fā)明該網(wǎng)絡包含
[0013]a)大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘，其中該子系統(tǒng)被配置來容忍形成子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及
[0014]b)至少一條雙向通信鏈接，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘。
[0015]此解決方案基于高可用性的最高級主時鐘(簡稱HAGM)的概念，其采用平行冗余代替，或附加到，順序冗余。在任何時間IEEE1588最多都有一個節(jié)點作為最高級主時鐘，本發(fā)明提供了其中最高級主時鐘一 HAGM —由大量節(jié)點組成的方法和實行方式。這解決方案改善了 IEEE1588所限定的同步方法，通過容許多個最高級主時鐘在系統(tǒng)中同時運行從而廢止IEEE1588的重選通訊協(xié)定。它可以進一步實現(xiàn)最高級主時鐘的容錯，其在該網(wǎng)絡啟動和運行時提供更高的可靠性和性能的改進。這意味著其中一個最高級主時鐘發(fā)生故障時，不需要切換到另一個最高級主時鐘，但至少一個提供IEEE1588同步信息的其它最高級主時鐘早已存在，以確保網(wǎng)絡中的本地時鐘同步。這樣經(jīng)常保持運行的時間服務是很多必須流暢和不間斷地運作的關鍵應用程式的必要條件。
[0016]在另一方面，本發(fā)明還提供了用于實行根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡的方法，該方法包括以下步驟:
[0017]a)提供大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘，并配置該子系統(tǒng)以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及
[0018]b)設置至少一條雙向通信鏈接，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘。
[0019]本發(fā)明進一步的方面涉及時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機和/或網(wǎng)絡節(jié)點，其被配置以參與子系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明實行高可用性的最高級主時鐘。
[0020]在本發(fā)明的進一步改進中，根據(jù)本發(fā)明的HAGM被配置成產(chǎn)生并發(fā)送IEEE1588宣布信息到IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘，其IEEE1588宣布信息總會被選為最佳IEEE1588宣布信息。這類型的宣布信息會確保該高可用性的最高級主時鐘會被該IEEE1588最佳主時鐘算法選為最佳主時鐘。在一實施例中，可通過按照IEEE1588標準配置該HAGM的IEEE1588宣布信息為最佳的宣布信息而做到。
[0021]該些IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘使用來自該最高級主時鐘的IEEE1588同步信息以同步其本地時鐘。要注意，由于所有IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘與最高級主時鐘同步，該些本地時鐘亦彼此同步。
[0022]在本發(fā)明的另一改進中，網(wǎng)絡可連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘，而高可用性的最高級主時鐘被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，據(jù)此
[0023]a)該高可用性的最高級主時鐘消去來自該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘的IEEE1588同步信息和IEEE1588宣布信息，并不轉發(fā)該些IEEE1588同步信息，以及
[0024]b)該聞可用性的最聞級主時鐘廣生的該些IEEE1588同步"[目息所代表的時序資訊代表從IEEE1588標準最高級主時鐘(101)接收的所述IEEE1588同步信息的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值或與此數(shù)值的偏移值。
[0025]特別是在前述兩個改進內容中，該高可用性的最高級主時鐘可被配置成不發(fā)送或轉發(fā)任何IEEE1588同步信息或IEEE1588宣布信息到該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘,這避免了不同最高級主時鐘之間可能發(fā)生的沖突。
[0026]在本發(fā)明一實行方式中，大量節(jié)點中的一些節(jié)點同時作為IEEE1588最高級主時鐘。這意味著即使一個或多個作為IEEE1588最高級主時鐘的節(jié)點發(fā)生故障，只要組成HAGM的多個節(jié)點中還有正常運作的節(jié)點，該HAGM仍能保持同步時間，即發(fā)送IEEE1588同步信
肩、O
[0027]根據(jù)本發(fā)明的進一步方面，其能以進一步改進的方式維持同步時間，除了使用多個IEEE1588主時鐘，HAGM實行容錯時鐘同步方法。此容錯時鐘同步方法使用來自冗余IEEE1588最高級主時鐘節(jié)點的信息作為輸入數(shù)據(jù)并產(chǎn)生新IEEE1588信息。特別是如上述，該HAGM產(chǎn)生IEEE1588宣布信息，其指出該HAGM為系統(tǒng)中最佳最高級主時鐘，而在一實行方式中用于該些IEEE1588宣布信息的資訊可在設計計算機系統(tǒng)的時候靜態(tài)配置。該HAGM的IEEE1588同步信息顯示對形成該HAGM的多個節(jié)點的該些冗余IEEE1588最高級主時鐘的目前本地時鐘時間的綜合審視。該容錯時鐘同步方法用于建立該些本地時鐘時間的這樣綜合審視。廣為人知用于工業(yè)的容錯時鐘同步方法為例如用于時間觸發(fā)通訊協(xié)定的容錯平均值或時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能。
[0028]在本發(fā)明一特別有利的實行方式中，HAGM可于時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中實行，在此情況下，時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能可用作容錯時鐘同步的首選方法。換言之，根據(jù)本發(fā)明的子系統(tǒng)可以時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)，其被配置以實現(xiàn)該高可用性的最高級主時鐘，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括一個或多個網(wǎng)路介面卡和一個或多個交換機，每個網(wǎng)路介面卡通過雙向通訊鏈接連接到至少一個交換機。該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身可實行IEEE1588最聞級主時鐘。
[0029]根據(jù)本發(fā)明此實行方式的網(wǎng)絡還可進一步連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收冗余標準IEEE1588最高級主時鐘所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，其中[0030]a)所有非故障冗余標準IEEE1588最高級主時鐘根據(jù)其本地的時間觀念，在相同的時間點，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，以及
[0031]b)該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能用于從冗余標準IEEE1588最高級主時鐘收集該些IEEE1588同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。
[0032]在此情況下，可在該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)的交換機中實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。替代地或另外，可在時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)中實行大量時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。在此情況進一步的有用改進中，所有冗余標準IEEE1588最高級主時鐘可配置成向所有時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能發(fā)送其IEEE1588同步信息，其中每個壓縮功能產(chǎn)生新的IEEE1588同步信息。
[0033]在本發(fā)明的進一步方面，標準IEEE1588主時鐘或標準IEEE1588從時鐘配置成接收該高可用性的最高級主時鐘所產(chǎn)生的冗余IEEE1588同步信息，據(jù)此該IEEE1588主時鐘或IEEE1588從時鐘利用來自該高可用性的最高級主時鐘的冗余IEEE1588同步信息所帶有的時序資訊來糾正其本地時鐘。該時序資訊可，例如，為以下類型之一:平均值、中位數(shù)、該容錯平均值或時序資訊的容錯中位數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]下文中，本發(fā)明的進一步的細節(jié)、合適的改進和優(yōu)點將透過【專利附圖】
【附圖說明】的該些示例性實施例變得清楚，其顯示:
[0035]圖1說明了連接到IEEE1588主/從時鐘的HAGM。
[0036]圖2說明了使用三個冗余外置IEEE1588最高級主時鐘的時序資訊以同步IEEE1588主/從時鐘的HAGM。
[0037]圖3說明了 HAGM以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的形式實行，其包括終端系統(tǒng)和交換機，其中一些時間觸發(fā)以太網(wǎng)終端系統(tǒng)實行了 IEEE1588最高級主時鐘。
[0038]圖4說明了 HAGM以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的形式實行，其包括終端系統(tǒng)和交換機，其中該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機回應從三個外置IEEE1588最高級主時鐘接收到的資料輸入，產(chǎn)生容錯IEEE1588同步信息。
【具體實施方式】
[0039]以下示例性實施例描述了數(shù)個本發(fā)明可能的實現(xiàn)形式。附圖示出根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡子系統(tǒng)的具體實施例相應的示例性解決方案；該子系統(tǒng)可以是更大的網(wǎng)絡(圖中未示出)的一部分，優(yōu)選為時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)。當然本發(fā)明并不限于此處所示的實施例，其不被解讀為限制本發(fā)明的范圍到僅僅該些被示出和/或討論的實施例；而是本領域技術人員在所附的權利要求書的范圍內，將容易設計出進一步的修改和實行形式。這里提出的所有解決方案和方面為示例性質，并可彼此自由組合。
[0040]圖1描述了 HAGM301，其通過該些實體連接401發(fā)送IEEE1588同步信息到IEEE1588主/從時鐘201。圖2描述了變體的網(wǎng)絡布局，其中HAGM301利用冗余IEEE1588最高級主時鐘101通過該些實體連接402傳輸?shù)臅r序資訊，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，其通過該實體連接401被發(fā)送到IEEE1588主/從時鐘。根據(jù)本發(fā)明
[0041]a)高可用性的最高級主時鐘(301)包含大量實體裝置，進一步解說如下，[0042]b)高可用性的最高級主時鐘(301)可容忍多個裝置其中一個或多個裝置的故障，以及
[0043]c) IEEE1588主時鐘(201)及/或IEEE1588從時鐘(201)通過一個或多個雙向通訊鏈接(401)實體連接到高可用性的最高級主時鐘(301)。
[0044]圖1和2的HAGM301根據(jù)IEEE1588標準形成最高級主時鐘，并通過根據(jù)本發(fā)明的子系統(tǒng)實現(xiàn)，其可包含該網(wǎng)絡的部分或所有的組件。參與形成此子系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點(或簡稱節(jié)點)可以是，例如，計算機、網(wǎng)絡介面卡(NIC)、以太網(wǎng)交換機、帶有集成以太網(wǎng)控制器的微處理器或諸如此類。
[0045]圖3描述了 HAGM301以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡形式實現(xiàn)，其包含終端系統(tǒng)和交換機601，其中所有終端系統(tǒng)都配備時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡介面卡(NIC)501，而一些終端系統(tǒng)實行IEEE1588最高級主時鐘701。此IEEE1588HAGM時鐘301的基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的實現(xiàn)形式通過實體連接401冗余地發(fā)送IEEE1588同步信息到IEEE1588主/從時鐘。時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡介面卡501和交換機601利用從現(xiàn)有技術得知的自由運行本地時鐘實行透明時鐘。該時間觸發(fā)以太網(wǎng)透明時鐘的功能類似于IEEE1588端到端和點到點透明時鐘的功能。時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機為通訊協(xié)定控制幀(PCFs)和一套可配置的其他幀量度該幀的等待時間。此延遲加上可配置值隨后被寫入該幀的專用欄目中。該可配置值的目的是補償導線延遲，亦因此是點到點透明時鐘的廉價(雖然靈活度較低)替代品。
[0046]如圖3所示的子系統(tǒng)描述了兼容模式的例子，其不僅容許IEEE1588時間表與時間觸發(fā)以太網(wǎng)同步，亦展示如何利用本地時間觸發(fā)以太網(wǎng)機制，使得時間觸發(fā)以太網(wǎng)可模擬故障后能操作的IEEE1588最高級主時鐘。為此，該三個網(wǎng)路介面卡501實行三個1588最高級主時鐘701。這些時鐘701被配置成在根據(jù)其本地時鐘的相同時點周期性地提供其同步信息，其允許擴展該些交換機601的壓縮主控(CM)功能，使得其在反映該些最高級主時鐘701的平均值(或中位數(shù))的時間點，消除這些原始同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。在最高級主時鐘故障的情況下，該故障被壓縮主控遮蓋:只要有足夠大數(shù)量的最高級主時鐘，沒有最高級主時鐘或故障數(shù)值會被該平均(或中位數(shù))功能補償。該些最高級主時鐘701發(fā)送同步信息到兩個壓縮主控(其以該些交換機601實現(xiàn))，可減輕壓縮主控本身的故障，其繼而產(chǎn)生相同的IEEE1588同步信息，并將其轉發(fā)到舊系統(tǒng)的IEEE1588裝置，如通信路徑401所示。此舊系統(tǒng)元件隨后二擇其一或自行計算這些同步信息的平均值。這將引致在本發(fā)明范圍內不同的容錯特性。
[0047]所示類型的配置所用例案，其中IEEE1588裝置需以容錯方式同步，例如，因為這些裝置本身為安全關鍵系統(tǒng)的一部分。
[0048]該子系統(tǒng)301的配置確保該HAGM的IEEE1588宣布信息會被視為根據(jù)IEEE1588標準最佳的宣布信息。此可通過，例如，把HAGM的最高級主時鐘優(yōu)先權l(xiāng)(IEEE1588-2008，第88頁)獨特設置為網(wǎng)絡中最優(yōu)先的而達成。結果精確時間同步通訊協(xié)定使用數(shù)據(jù)集比較算法(IEEE1588-2008，第89頁，圖27)，將選定該HAGM為最佳時鐘。替代地，亦可以其他配置確保HAGM的IEEE1588宣布信息在使用IEEE1588所指定的決策算法中，被選為最佳主時鐘信息。基于網(wǎng)絡的節(jié)點的配置，通過把系統(tǒng)中的節(jié)點的配置與數(shù)據(jù)集比較算法比較，決定HAGM被選定為最佳主時鐘的配置是直接了當?shù)摹?br> [0049]圖4描述HAGM301另一以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡形式的實現(xiàn)，其使用外置IEEE1588最高級主時鐘101的同步信息作為輸入資料，通過該些實體連接402發(fā)送到該些交換機601。該些交換機601整合該些來自外置IEEE1588最高級主時鐘的IEEE1588同步信息，并通過實體連接401發(fā)送新的IEEE1588同步信息到其他IEEE1588主/從時鐘元件201。
[0050]圖4示出了 IEEE1588與時間觸發(fā)以太網(wǎng)之間另一兼容模式，此實施方案直接實行該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機中的功能，使得該些交換機識別IEEE1588流量、測量其延遲并在合適的欄目中設置正確的數(shù)值。此實現(xiàn)從該些外置IEEE1588最高級主時鐘通過被選定鏈接402到交換機601和進一步通過鏈接401到裝置201的通信。
[0051]在另一變體(未示出)中，外置的IEEE1588最高級主時鐘101可被連接到時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)路介面卡501。使用時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)路介面卡的功能為IEEE1588同步信息建立隧道。為此，該網(wǎng)路介面卡501會翻譯該些IEEE1588幀，使得其能被該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機601識別。
[0052]這樣的配置的一個用例為用于時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身的的測試設置；IEEE1588同步時間表可被用于測量該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)算法是否正確地實行，例如，通訊協(xié)定控制幀是否在正確時間分發(fā)。
[0053]例如以下的需求可適當?shù)匕l(fā)揮在時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡實現(xiàn)單一容錯的作用:
[0054]每個發(fā)送節(jié)點容錯地傳輸信息到一個或多個接收節(jié)點，其通過至少兩個與節(jié)點無關、透過網(wǎng)絡的，其亦被稱為信道的路徑連接到該些接收節(jié)點。雖然信道互相與節(jié)點無關，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點共享該兩個(或多個)信道。
[0055]此普通的要求與時鐘同步無關。
[0056]為了參與時鐘同步，
[0057]*每個節(jié)點將需要實行同步客戶端功能
[0058]*至少四個節(jié)點將需要實行同步主控功能
[0059]*在該兩個路徑中，每條至少有一個節(jié)點將需要實行該壓縮主控功能
[0060]如該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的規(guī)格所限定。這樣的網(wǎng)絡據(jù)說是以單一容錯配置實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)通訊協(xié)定。
[0061]該時間觸發(fā)以太網(wǎng)亦可使用第三條信道來支持雙重容錯配置，其帶有至少7個實行該同步主控功能的節(jié)點。
【權利要求】
1.網(wǎng)絡，其包含多個節(jié)點和多個連接點，其中每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，其特征在于該網(wǎng)絡包含 a)大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)該IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該子系統(tǒng)被配置來容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及 b)至少一條雙向通信鏈接(401)，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘(301)。
2.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其特征在于該高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成產(chǎn)生并發(fā)送IEEE1588宣布信息，其確保該高可用性的最高級主時鐘(301)會被該IEEE1588最佳主時鐘算法選為最佳主時鐘。
3.如權利要求1或2所述的網(wǎng)絡，其特征在于其可連接(402)到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)，而高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，據(jù)此 a)該高可用性的最高級主時鐘(301)消去來自該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)的IEEE1588同步信息和IEEE1588宣布信息，并不轉發(fā)該些IEEE1588同步信息，以及 b)該高可用性的最高級主時鐘(301)產(chǎn)生的該些IEEE1588同步信息所代表的時序資訊代表從IEEE1588標準最高級主時鐘(101)接收的所述IEEE1588同步信息的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值或與此數(shù)值的偏移值。
4.如權利要求2或3所述的網(wǎng)絡，其特征在于該高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成不發(fā)送或轉發(fā)任何IEEE1588同步信息或IEEE1588宣布信息到該些冗余標準IEEE1588最聞級主時鐘(101)。
5.如權利要求1至4中任一所述的網(wǎng)絡，其特征在于該子系統(tǒng)以時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)，其被配置以實現(xiàn)該高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括一個或多個網(wǎng)路介面卡(501)和一個或多個交換機(601)，每個網(wǎng)路介面卡(501)通過雙向通訊鏈接連接到至少一個交換機(601)。
6.如權利要求5所述的網(wǎng)絡，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身實行IEEE1588最高級主時鐘(701)。
7.如權利要求5所述的網(wǎng)絡，其可連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，其中 a)所有非故障冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)根據(jù)其本地的時間觀念，在相同的時間點，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，以及 b)該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能用于從冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)收集該些IEEE1588同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。
8.如權利要求7所述的網(wǎng)絡，其中該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)的交換機實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。
9.如權利要求7或8所述的網(wǎng)絡，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實行大量時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。
10.如權利要求9所述的網(wǎng)絡，其中所有冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)被配置成向所有時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能發(fā)送其IEEE1588同步信息，而每個壓縮功能產(chǎn)生新的IEEE1588同步信息。
11.如權利要求1至10中任一所述的網(wǎng)絡，其中標準IEEE1588主時鐘(201)或標準IEEE1588從時鐘(201)配置成接收該高可用性的最高級主時鐘(301)所產(chǎn)生的冗余IEEE1588同步信息，據(jù)此該IEEE1588主時鐘(201)或IEEE1588從時鐘(201)利用來自該高可用性的最高級主時鐘(301)的冗余IEEE1588同步信息所帶有的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值來糾正其本地時鐘。
12.如權利要求1至11中任一所述的網(wǎng)絡的實行方法，其包括以下步驟: a)提供大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，并配置該子系統(tǒng)以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及 b)設置至少一條雙向通信鏈接(401)，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘(3 01)。
13.時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機，其被配置以參與如權利要求1至12中任一所述的子系統(tǒng)。
14.網(wǎng)絡節(jié)點，其被配置以參與如權利要求1至12中任一所述的子系統(tǒng)。
【文檔編號】H04J3/06GK103620991SQ201280029292
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月2日 優(yōu)先權日:2011年5月6日
【發(fā)明者】威爾弗里德·施泰納, 岡瑟·鮑爾, 馬丁·施瓦茨 申請人:Fts電腦技術有限公司
【專利摘要】基于IEEE1588的網(wǎng)絡，其包含多個節(jié)點(201，501)和多個連接點，其中每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，通過容許多個最高級主時鐘(701)在系統(tǒng)中同時運行，改善了IEEE1588的同步。因而廢止了IEEE1588重選通訊協(xié)定。為此，大量節(jié)點形成子系統(tǒng)，其根據(jù)該IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該子系統(tǒng)被配置以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障。雙向通信鏈接(401)被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，實行高可用性的最高級主時鐘(301)。
【專利說明】用于實行高可用性的最高級主時鐘的網(wǎng)絡和方法
【背景技術】
[0001]本發(fā)明涉及在計算機工程【技術領域】中的方法和系統(tǒng)，更詳細地為在計算機系統(tǒng)的節(jié)點同步該些本地時鐘的方法，而該些節(jié)點通過網(wǎng)絡連接。更具體地說，本發(fā)明提出了用于IEEE1588標準(IEEE標準用于網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的精確時鐘同步通訊協(xié)定)的最高級主時鐘，尤其為高可用性的最高級主時鐘，優(yōu)選地關于當前的版本IEEE1588-2008和未來任何可兼容的版本。本發(fā)明通過容許多個最高級主時鐘在系統(tǒng)中同時運行，改善了 IEEE1588所限定的同步方法；因而，它廢止了 IEEE1588重選通訊協(xié)定。為此，本發(fā)明提供了方法以實行高可用性的最高級主時鐘，并進一步提供實行所述方法的(子)系統(tǒng)。在本發(fā)明的一實現(xiàn)形式中，可采用時間觸發(fā)以太網(wǎng)以實行用于IEEE1588的該高可用性的最高級主時鐘。
[0002]本發(fā)明的功能為改進計算機系統(tǒng)的性能，其包括空間分布式的計算節(jié)點網(wǎng)絡(簡稱為節(jié)點)，其執(zhí)行指令應用程式和/或控制應用程式，如化工廠的計算機系統(tǒng)控制容器內的壓力。這樣的計算機系統(tǒng)可使用適當?shù)母袘鞅O(jiān)控該容器內的實際壓力，比較感應器讀出的數(shù)值與預設上限，并操作致動器，例如加熱器，使該實際壓力與該預設上限接近一致。這樣的計算機系統(tǒng)的功能不僅是要產(chǎn)生正確輸出一諸如在普通辦公室中的電腦系統(tǒng)已足夠一亦需要在預設且非常緊張的時間限制內產(chǎn)生此效果，因此它們經(jīng)常一般被稱作實時系統(tǒng)。
[0003]實時系統(tǒng)的該些節(jié)點通常裝有能夠量度該實時進度的本地時鐘。在工程手段中，計算機系統(tǒng)實行方法，在該些空間分布式節(jié)點中使該些本地時鐘彼此同步，使得在實時中的任何一時點，任何兩個在實時系統(tǒng)的任何兩個節(jié)點中正常運作的時鐘有非常相近的數(shù)值。正常運作節(jié)點的兩個本地時鐘的最大差異數(shù)值被稱作精度；換言之該精度被限定為在實時中的任何一時點，在網(wǎng)絡中任何兩個同步的非故障時鐘之間的最大距離。“非故障”指裝置根據(jù)其規(guī)格運行，而“同步”指裝置成功啟動(例如開啟后或重開電源后)。該IEEE1588標準限定了這樣方法來同步該些本地時鐘。IEEE1588所描述的方法尤其基于選擇僅僅一個同步主時鐘,稱作最高級主時鐘,該計算機系統(tǒng)中的所有其他節(jié)點與之同步。如最高級主時鐘發(fā)生故障，IEEE1588會指定-重選通訊協(xié)定，稱作PTP (精確時間同步通訊協(xié)定)，其在該計算機系統(tǒng)有合適節(jié)點的情況下，選定新的最高級主時鐘。在某些應用程式中，因為重選通訊協(xié)定有可能導致系統(tǒng)的精度下降和/或不能保證在計算機系統(tǒng)中的所有節(jié)點一致地選擇同一個新最高級主時鐘，而不被接受。
[0004]在本發(fā)明的內容中，任何以“IEEE1588裝置”形式的表達被理解為指與IEEE1588標準兼容的“裝置”，例如網(wǎng)絡節(jié)點、主時鐘、從時鐘等。同樣，任何以“ IEEE1588信息”形式的表達被理解為指按照IEEE1588標準形成的“信息”(如同步信息、宣布信息等)。此處的用詞“主”和“從”為IEEE1588標準所限定的意思:簡單來說，IEEE1588主時鐘是“單一精確時間同步通訊協(xié)定通信路徑中的主時鐘，為時間來源，在該路徑上其他所有的時鐘與之同步”(IEEE1588-2008，第5頁);而IEEE1588從時鐘是在網(wǎng)絡中與另一時鐘同步(即主時鐘)的從時鐘。IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘形成了同步層次結構，以該IEEE1588最高級主時鐘為最終時間來源。因此，網(wǎng)絡中的節(jié)點可同時為IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘，例如當它與最高級主時鐘直接同步時(扮演IEEE1588從時鐘的角色)和與另一與之同步的節(jié)點通信時(因而作為IEEE1588主時鐘)。
[0005]在本公開內容中，節(jié)點也被稱作終端系統(tǒng)。此外，連接該些終端系統(tǒng)的網(wǎng)絡包含實體連接和交換機，其中兩個終端系統(tǒng)通過至少一個交換機彼此連接，而實體連接把該些終端系統(tǒng)連接到交換機，亦把交換機之間連接起來。終端系統(tǒng)帶有本地時鐘。交換機可帶有本地時鐘。這樣的本地時鐘為實體元件,如振蕩器。因此,該些本地時鐘無法完美地表示實時，而可能比實時快或慢。本地時鐘和理論上完美的時鐘之間的速率差異一般稱作時鐘的漂移率。用于指令和控制應用程式領域中的時鐘，其漂移率的典型數(shù)值在約幾十或幾百ppm的范圍內。該漂移率會導致不同終端系統(tǒng)和/或交換機的本地時鐘的數(shù)值隨著實時的演變而彼此偏離。因此，該些本地時鐘必須周期性地重新彼此對準，使得它們最大的距離不超過稱作精度的預設上限。此重新對準的過程被稱作時鐘的同步。
[0006]為了使終端系統(tǒng)和/或交換機的本地時鐘彼此同步，該些終端系統(tǒng)和/或交換機以同步信息的形式彼此交換資訊。同步信息的類型和這些同步信息的交換規(guī)則通常被稱作同步通訊協(xié)定。IEEE1588限定了這樣的同步通訊協(xié)定。
[0007]本發(fā)明特別關注以下類型IEEE1588標準的同步信息:IEEE1588宣布信息和IEEE1588同步信息。IEEE1588同步通訊協(xié)定使用IEEE1588宣布信息，以從網(wǎng)絡中該套終端系統(tǒng)和/或交換機中決定只有一個的最高級主時鐘。該最高級主時鐘不斷在網(wǎng)絡中發(fā)送IEEE1588同步信息。接收IEEE1588同步信息和實行IEEE1588標準的終端系統(tǒng)和/或交換機以IEEE1588同步信息把其本地時鐘與該最高級主時鐘的本地時鐘同步。
[0008]該些IEEE1588宣布信息用于精確時間同步通訊協(xié)定，其為IEEE1588同步通訊協(xié)定的一部分。每個參與該精確時間同步通訊協(xié)定的終端系統(tǒng)和交換機周期性地發(fā)送IEEE1588宣布信息到網(wǎng)絡中所有終端系統(tǒng)和交換機。每個參與該精確時間同步通訊協(xié)定的終端系統(tǒng)和交換機選出這些IEEE1588宣布信息中最佳的宣布信息，并以其相應的發(fā)件者作為最高級主時鐘進行同步。在接收者處，通過把不同發(fā)送者的IEEE1588宣布信息互相比較，以決定最佳IEEE1588宣布信息。該精確時間同步通訊協(xié)定保證該套接收到的IEEE1588宣布信息中只存一個最佳IEEE1588宣布信息。
[0009]在容錯的方面，IEEE1588標準限定了實行所謂順序冗余的同步通訊協(xié)定。這意味著，如目前的最高級主時鐘發(fā)生故障，該IEEE1588標準的精確時間同步通訊協(xié)定會重選新的最高級主時鐘。一般的順序冗余和IEEE1588所限定的具體方法有兩個主要缺點。首先重選過程不會瞬間發(fā)生，而是需要一段實時持續(xù)時間。這意味著在此重選期間，IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘可把其本地時鐘與之同步的最高級主時鐘并不存在。結果它們的本地時鐘會彼此漂移。因此，該精度(即任何兩個正常運作的本地時鐘之間的最大差異)需要考慮這些，可能很長的，非同步的時期。此非同步導致某些應用程式的精度可能變得大得不可接受。第二個IEEE1588順序冗余同步方法的重大缺點是在某些重大故障情況，缺乏對一致性和最高級主時鐘可用性的保障。這意味著在某些情況下，例如最高級主時鐘以惡意故障形式故障時，IEEE1588不能保證IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘會選出新的最高級主時鐘和/或會一致地選出相同的最高級主時鐘。
[0010]—些最聞級主時鐘的故障形式會導致系統(tǒng)不斷重選最聞級主時鐘，例如最聞級主時鐘間歇性故障。這意味著該故障的最高級主時鐘可能只有很短時間會發(fā)送IEEE1588宣布信息，而未能發(fā)送IEEE1588同步信息。每當該故障的最高級主時鐘發(fā)送IEEE1588宣布信息，其會被選為新的最高級主時鐘。剛被選出后，當它未能發(fā)送IEEE1588同步和宣布信息，新的最聞級主時鐘會再被選出?？墒莿傔x出新的最聞級主時鐘后，該故障的最聞級主時鐘可能再次發(fā)送IEEE1588宣布信息，因而引發(fā)另一重選過程。該故障最高級主時鐘這一系列的運作/非運作故障行為因而引致系統(tǒng)不斷重選最高級主時鐘。另一會導致選出不一致的最高級主時鐘的故障例子是故障的交換機，其只把目前最高級主時鐘的IEEE1588同步和宣布信息傳遞到IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘的子集。因此，余下的IEEE1588主和從時鐘因為欠缺目前最高級主時鐘的信息而重選另一(即第二個)最高級主時鐘。
【發(fā)明內容】
[0011]鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供克服上述缺陷的方法和實行方式。本發(fā)明提供在獨立權利要求中所描述的方法及實行方式。從屬權利要求描述了本發(fā)明進一步有利的改進。
[0012]特別是根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其基于包含多個節(jié)點和多個連接點的網(wǎng)絡，每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，根據(jù)本發(fā)明該網(wǎng)絡包含
[0013]a)大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘，其中該子系統(tǒng)被配置來容忍形成子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及
[0014]b)至少一條雙向通信鏈接，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘。
[0015]此解決方案基于高可用性的最高級主時鐘(簡稱HAGM)的概念，其采用平行冗余代替，或附加到，順序冗余。在任何時間IEEE1588最多都有一個節(jié)點作為最高級主時鐘，本發(fā)明提供了其中最高級主時鐘一 HAGM —由大量節(jié)點組成的方法和實行方式。這解決方案改善了 IEEE1588所限定的同步方法，通過容許多個最高級主時鐘在系統(tǒng)中同時運行從而廢止IEEE1588的重選通訊協(xié)定。它可以進一步實現(xiàn)最高級主時鐘的容錯，其在該網(wǎng)絡啟動和運行時提供更高的可靠性和性能的改進。這意味著其中一個最高級主時鐘發(fā)生故障時，不需要切換到另一個最高級主時鐘，但至少一個提供IEEE1588同步信息的其它最高級主時鐘早已存在，以確保網(wǎng)絡中的本地時鐘同步。這樣經(jīng)常保持運行的時間服務是很多必須流暢和不間斷地運作的關鍵應用程式的必要條件。
[0016]在另一方面，本發(fā)明還提供了用于實行根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡的方法，該方法包括以下步驟:
[0017]a)提供大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘，并配置該子系統(tǒng)以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及
[0018]b)設置至少一條雙向通信鏈接，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘。
[0019]本發(fā)明進一步的方面涉及時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機和/或網(wǎng)絡節(jié)點，其被配置以參與子系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明實行高可用性的最高級主時鐘。
[0020]在本發(fā)明的進一步改進中，根據(jù)本發(fā)明的HAGM被配置成產(chǎn)生并發(fā)送IEEE1588宣布信息到IEEE1588主時鐘和/或IEEE1588從時鐘，其IEEE1588宣布信息總會被選為最佳IEEE1588宣布信息。這類型的宣布信息會確保該高可用性的最高級主時鐘會被該IEEE1588最佳主時鐘算法選為最佳主時鐘。在一實施例中，可通過按照IEEE1588標準配置該HAGM的IEEE1588宣布信息為最佳的宣布信息而做到。
[0021]該些IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘使用來自該最高級主時鐘的IEEE1588同步信息以同步其本地時鐘。要注意，由于所有IEEE1588主時鐘和IEEE1588從時鐘與最高級主時鐘同步，該些本地時鐘亦彼此同步。
[0022]在本發(fā)明的另一改進中，網(wǎng)絡可連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘，而高可用性的最高級主時鐘被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，據(jù)此
[0023]a)該高可用性的最高級主時鐘消去來自該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘的IEEE1588同步信息和IEEE1588宣布信息，并不轉發(fā)該些IEEE1588同步信息，以及
[0024]b)該聞可用性的最聞級主時鐘廣生的該些IEEE1588同步"[目息所代表的時序資訊代表從IEEE1588標準最高級主時鐘(101)接收的所述IEEE1588同步信息的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值或與此數(shù)值的偏移值。
[0025]特別是在前述兩個改進內容中，該高可用性的最高級主時鐘可被配置成不發(fā)送或轉發(fā)任何IEEE1588同步信息或IEEE1588宣布信息到該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘,這避免了不同最高級主時鐘之間可能發(fā)生的沖突。
[0026]在本發(fā)明一實行方式中，大量節(jié)點中的一些節(jié)點同時作為IEEE1588最高級主時鐘。這意味著即使一個或多個作為IEEE1588最高級主時鐘的節(jié)點發(fā)生故障，只要組成HAGM的多個節(jié)點中還有正常運作的節(jié)點，該HAGM仍能保持同步時間，即發(fā)送IEEE1588同步信
肩、O
[0027]根據(jù)本發(fā)明的進一步方面，其能以進一步改進的方式維持同步時間，除了使用多個IEEE1588主時鐘，HAGM實行容錯時鐘同步方法。此容錯時鐘同步方法使用來自冗余IEEE1588最高級主時鐘節(jié)點的信息作為輸入數(shù)據(jù)并產(chǎn)生新IEEE1588信息。特別是如上述，該HAGM產(chǎn)生IEEE1588宣布信息，其指出該HAGM為系統(tǒng)中最佳最高級主時鐘，而在一實行方式中用于該些IEEE1588宣布信息的資訊可在設計計算機系統(tǒng)的時候靜態(tài)配置。該HAGM的IEEE1588同步信息顯示對形成該HAGM的多個節(jié)點的該些冗余IEEE1588最高級主時鐘的目前本地時鐘時間的綜合審視。該容錯時鐘同步方法用于建立該些本地時鐘時間的這樣綜合審視。廣為人知用于工業(yè)的容錯時鐘同步方法為例如用于時間觸發(fā)通訊協(xié)定的容錯平均值或時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能。
[0028]在本發(fā)明一特別有利的實行方式中，HAGM可于時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中實行，在此情況下，時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能可用作容錯時鐘同步的首選方法。換言之，根據(jù)本發(fā)明的子系統(tǒng)可以時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)，其被配置以實現(xiàn)該高可用性的最高級主時鐘，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括一個或多個網(wǎng)路介面卡和一個或多個交換機，每個網(wǎng)路介面卡通過雙向通訊鏈接連接到至少一個交換機。該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身可實行IEEE1588最聞級主時鐘。
[0029]根據(jù)本發(fā)明此實行方式的網(wǎng)絡還可進一步連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收冗余標準IEEE1588最高級主時鐘所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，其中[0030]a)所有非故障冗余標準IEEE1588最高級主時鐘根據(jù)其本地的時間觀念，在相同的時間點，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，以及
[0031]b)該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能用于從冗余標準IEEE1588最高級主時鐘收集該些IEEE1588同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。
[0032]在此情況下，可在該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)的交換機中實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。替代地或另外，可在時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)中實行大量時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。在此情況進一步的有用改進中，所有冗余標準IEEE1588最高級主時鐘可配置成向所有時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能發(fā)送其IEEE1588同步信息，其中每個壓縮功能產(chǎn)生新的IEEE1588同步信息。
[0033]在本發(fā)明的進一步方面，標準IEEE1588主時鐘或標準IEEE1588從時鐘配置成接收該高可用性的最高級主時鐘所產(chǎn)生的冗余IEEE1588同步信息，據(jù)此該IEEE1588主時鐘或IEEE1588從時鐘利用來自該高可用性的最高級主時鐘的冗余IEEE1588同步信息所帶有的時序資訊來糾正其本地時鐘。該時序資訊可，例如，為以下類型之一:平均值、中位數(shù)、該容錯平均值或時序資訊的容錯中位數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]下文中，本發(fā)明的進一步的細節(jié)、合適的改進和優(yōu)點將透過【專利附圖】
【附圖說明】的該些示例性實施例變得清楚，其顯示:
[0035]圖1說明了連接到IEEE1588主/從時鐘的HAGM。
[0036]圖2說明了使用三個冗余外置IEEE1588最高級主時鐘的時序資訊以同步IEEE1588主/從時鐘的HAGM。
[0037]圖3說明了 HAGM以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的形式實行，其包括終端系統(tǒng)和交換機，其中一些時間觸發(fā)以太網(wǎng)終端系統(tǒng)實行了 IEEE1588最高級主時鐘。
[0038]圖4說明了 HAGM以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的形式實行，其包括終端系統(tǒng)和交換機，其中該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機回應從三個外置IEEE1588最高級主時鐘接收到的資料輸入，產(chǎn)生容錯IEEE1588同步信息。
【具體實施方式】
[0039]以下示例性實施例描述了數(shù)個本發(fā)明可能的實現(xiàn)形式。附圖示出根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡子系統(tǒng)的具體實施例相應的示例性解決方案；該子系統(tǒng)可以是更大的網(wǎng)絡(圖中未示出)的一部分，優(yōu)選為時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)。當然本發(fā)明并不限于此處所示的實施例，其不被解讀為限制本發(fā)明的范圍到僅僅該些被示出和/或討論的實施例；而是本領域技術人員在所附的權利要求書的范圍內，將容易設計出進一步的修改和實行形式。這里提出的所有解決方案和方面為示例性質，并可彼此自由組合。
[0040]圖1描述了 HAGM301，其通過該些實體連接401發(fā)送IEEE1588同步信息到IEEE1588主/從時鐘201。圖2描述了變體的網(wǎng)絡布局，其中HAGM301利用冗余IEEE1588最高級主時鐘101通過該些實體連接402傳輸?shù)臅r序資訊，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，其通過該實體連接401被發(fā)送到IEEE1588主/從時鐘。根據(jù)本發(fā)明
[0041]a)高可用性的最高級主時鐘(301)包含大量實體裝置，進一步解說如下，[0042]b)高可用性的最高級主時鐘(301)可容忍多個裝置其中一個或多個裝置的故障，以及
[0043]c) IEEE1588主時鐘(201)及/或IEEE1588從時鐘(201)通過一個或多個雙向通訊鏈接(401)實體連接到高可用性的最高級主時鐘(301)。
[0044]圖1和2的HAGM301根據(jù)IEEE1588標準形成最高級主時鐘，并通過根據(jù)本發(fā)明的子系統(tǒng)實現(xiàn)，其可包含該網(wǎng)絡的部分或所有的組件。參與形成此子系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點(或簡稱節(jié)點)可以是，例如，計算機、網(wǎng)絡介面卡(NIC)、以太網(wǎng)交換機、帶有集成以太網(wǎng)控制器的微處理器或諸如此類。
[0045]圖3描述了 HAGM301以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡形式實現(xiàn)，其包含終端系統(tǒng)和交換機601，其中所有終端系統(tǒng)都配備時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡介面卡(NIC)501，而一些終端系統(tǒng)實行IEEE1588最高級主時鐘701。此IEEE1588HAGM時鐘301的基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的實現(xiàn)形式通過實體連接401冗余地發(fā)送IEEE1588同步信息到IEEE1588主/從時鐘。時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡介面卡501和交換機601利用從現(xiàn)有技術得知的自由運行本地時鐘實行透明時鐘。該時間觸發(fā)以太網(wǎng)透明時鐘的功能類似于IEEE1588端到端和點到點透明時鐘的功能。時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機為通訊協(xié)定控制幀(PCFs)和一套可配置的其他幀量度該幀的等待時間。此延遲加上可配置值隨后被寫入該幀的專用欄目中。該可配置值的目的是補償導線延遲，亦因此是點到點透明時鐘的廉價(雖然靈活度較低)替代品。
[0046]如圖3所示的子系統(tǒng)描述了兼容模式的例子，其不僅容許IEEE1588時間表與時間觸發(fā)以太網(wǎng)同步，亦展示如何利用本地時間觸發(fā)以太網(wǎng)機制，使得時間觸發(fā)以太網(wǎng)可模擬故障后能操作的IEEE1588最高級主時鐘。為此，該三個網(wǎng)路介面卡501實行三個1588最高級主時鐘701。這些時鐘701被配置成在根據(jù)其本地時鐘的相同時點周期性地提供其同步信息，其允許擴展該些交換機601的壓縮主控(CM)功能，使得其在反映該些最高級主時鐘701的平均值(或中位數(shù))的時間點，消除這些原始同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。在最高級主時鐘故障的情況下，該故障被壓縮主控遮蓋:只要有足夠大數(shù)量的最高級主時鐘，沒有最高級主時鐘或故障數(shù)值會被該平均(或中位數(shù))功能補償。該些最高級主時鐘701發(fā)送同步信息到兩個壓縮主控(其以該些交換機601實現(xiàn))，可減輕壓縮主控本身的故障，其繼而產(chǎn)生相同的IEEE1588同步信息，并將其轉發(fā)到舊系統(tǒng)的IEEE1588裝置，如通信路徑401所示。此舊系統(tǒng)元件隨后二擇其一或自行計算這些同步信息的平均值。這將引致在本發(fā)明范圍內不同的容錯特性。
[0047]所示類型的配置所用例案，其中IEEE1588裝置需以容錯方式同步，例如，因為這些裝置本身為安全關鍵系統(tǒng)的一部分。
[0048]該子系統(tǒng)301的配置確保該HAGM的IEEE1588宣布信息會被視為根據(jù)IEEE1588標準最佳的宣布信息。此可通過，例如，把HAGM的最高級主時鐘優(yōu)先權l(xiāng)(IEEE1588-2008，第88頁)獨特設置為網(wǎng)絡中最優(yōu)先的而達成。結果精確時間同步通訊協(xié)定使用數(shù)據(jù)集比較算法(IEEE1588-2008，第89頁，圖27)，將選定該HAGM為最佳時鐘。替代地，亦可以其他配置確保HAGM的IEEE1588宣布信息在使用IEEE1588所指定的決策算法中，被選為最佳主時鐘信息。基于網(wǎng)絡的節(jié)點的配置，通過把系統(tǒng)中的節(jié)點的配置與數(shù)據(jù)集比較算法比較，決定HAGM被選定為最佳主時鐘的配置是直接了當?shù)摹?br> [0049]圖4描述HAGM301另一以時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡形式的實現(xiàn)，其使用外置IEEE1588最高級主時鐘101的同步信息作為輸入資料，通過該些實體連接402發(fā)送到該些交換機601。該些交換機601整合該些來自外置IEEE1588最高級主時鐘的IEEE1588同步信息，并通過實體連接401發(fā)送新的IEEE1588同步信息到其他IEEE1588主/從時鐘元件201。
[0050]圖4示出了 IEEE1588與時間觸發(fā)以太網(wǎng)之間另一兼容模式，此實施方案直接實行該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機中的功能，使得該些交換機識別IEEE1588流量、測量其延遲并在合適的欄目中設置正確的數(shù)值。此實現(xiàn)從該些外置IEEE1588最高級主時鐘通過被選定鏈接402到交換機601和進一步通過鏈接401到裝置201的通信。
[0051]在另一變體(未示出)中，外置的IEEE1588最高級主時鐘101可被連接到時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)路介面卡501。使用時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)路介面卡的功能為IEEE1588同步信息建立隧道。為此，該網(wǎng)路介面卡501會翻譯該些IEEE1588幀，使得其能被該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機601識別。
[0052]這樣的配置的一個用例為用于時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身的的測試設置；IEEE1588同步時間表可被用于測量該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)算法是否正確地實行，例如，通訊協(xié)定控制幀是否在正確時間分發(fā)。
[0053]例如以下的需求可適當?shù)匕l(fā)揮在時間觸發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡實現(xiàn)單一容錯的作用:
[0054]每個發(fā)送節(jié)點容錯地傳輸信息到一個或多個接收節(jié)點，其通過至少兩個與節(jié)點無關、透過網(wǎng)絡的，其亦被稱為信道的路徑連接到該些接收節(jié)點。雖然信道互相與節(jié)點無關，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點共享該兩個(或多個)信道。
[0055]此普通的要求與時鐘同步無關。
[0056]為了參與時鐘同步，
[0057]*每個節(jié)點將需要實行同步客戶端功能
[0058]*至少四個節(jié)點將需要實行同步主控功能
[0059]*在該兩個路徑中，每條至少有一個節(jié)點將需要實行該壓縮主控功能
[0060]如該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的規(guī)格所限定。這樣的網(wǎng)絡據(jù)說是以單一容錯配置實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)通訊協(xié)定。
[0061]該時間觸發(fā)以太網(wǎng)亦可使用第三條信道來支持雙重容錯配置，其帶有至少7個實行該同步主控功能的節(jié)點。
【權利要求】
1.網(wǎng)絡，其包含多個節(jié)點和多個連接點，其中每個連接點連接至少兩個節(jié)點以容許節(jié)點之間的通信，包括根據(jù)網(wǎng)絡通訊協(xié)定交換信息，其特征在于該網(wǎng)絡包含 a)大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)該IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該子系統(tǒng)被配置來容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及 b)至少一條雙向通信鏈接(401)，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘(301)。
2.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其特征在于該高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成產(chǎn)生并發(fā)送IEEE1588宣布信息，其確保該高可用性的最高級主時鐘(301)會被該IEEE1588最佳主時鐘算法選為最佳主時鐘。
3.如權利要求1或2所述的網(wǎng)絡，其特征在于其可連接(402)到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)，而高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，據(jù)此 a)該高可用性的最高級主時鐘(301)消去來自該些冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)的IEEE1588同步信息和IEEE1588宣布信息，并不轉發(fā)該些IEEE1588同步信息，以及 b)該高可用性的最高級主時鐘(301)產(chǎn)生的該些IEEE1588同步信息所代表的時序資訊代表從IEEE1588標準最高級主時鐘(101)接收的所述IEEE1588同步信息的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值或與此數(shù)值的偏移值。
4.如權利要求2或3所述的網(wǎng)絡，其特征在于該高可用性的最高級主時鐘(301)被配置成不發(fā)送或轉發(fā)任何IEEE1588同步信息或IEEE1588宣布信息到該些冗余標準IEEE1588最聞級主時鐘(101)。
5.如權利要求1至4中任一所述的網(wǎng)絡，其特征在于該子系統(tǒng)以時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)，其被配置以實現(xiàn)該高可用性的最高級主時鐘(301)，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括一個或多個網(wǎng)路介面卡(501)和一個或多個交換機(601)，每個網(wǎng)路介面卡(501)通過雙向通訊鏈接連接到至少一個交換機(601)。
6.如權利要求5所述的網(wǎng)絡，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)本身實行IEEE1588最高級主時鐘(701)。
7.如權利要求5所述的網(wǎng)絡，其可連接到至少兩個冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)，其中所述時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)被配置成產(chǎn)生IEEE1588同步信息，作為對接收冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)所發(fā)出的IEEE1588同步信息的回應，其中 a)所有非故障冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)根據(jù)其本地的時間觀念，在相同的時間點，產(chǎn)生IEEE1588同步信息，以及 b)該時間觸發(fā)以太網(wǎng)的壓縮功能用于從冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)收集該些IEEE1588同步信息并產(chǎn)生該新的IEEE1588同步信息。
8.如權利要求7所述的網(wǎng)絡，其中該些時間觸發(fā)以太網(wǎng)的交換機實行時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。
9.如權利要求7或8所述的網(wǎng)絡，其中該時間觸發(fā)以太網(wǎng)系統(tǒng)實行大量時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能。
10.如權利要求9所述的網(wǎng)絡，其中所有冗余標準IEEE1588最高級主時鐘(101)被配置成向所有時間觸發(fā)以太網(wǎng)壓縮功能發(fā)送其IEEE1588同步信息，而每個壓縮功能產(chǎn)生新的IEEE1588同步信息。
11.如權利要求1至10中任一所述的網(wǎng)絡，其中標準IEEE1588主時鐘(201)或標準IEEE1588從時鐘(201)配置成接收該高可用性的最高級主時鐘(301)所產(chǎn)生的冗余IEEE1588同步信息，據(jù)此該IEEE1588主時鐘(201)或IEEE1588從時鐘(201)利用來自該高可用性的最高級主時鐘(301)的冗余IEEE1588同步信息所帶有的時序資訊的平均值、中位數(shù)、容錯平均值或或容錯中位數(shù)值來糾正其本地時鐘。
12.如權利要求1至11中任一所述的網(wǎng)絡的實行方法，其包括以下步驟: a)提供大量節(jié)點，形成子系統(tǒng)，其根據(jù)IEEE1588標準實行高可用性的最高級主時鐘(301)，并配置該子系統(tǒng)以容忍形成所述子系統(tǒng)的所述節(jié)點中的至少其中一個的故障，以及 b)設置至少一條雙向通信鏈接(401)，每條鏈接被配置來把IEEE1588主時鐘(201)和/或IEEE1588從時鐘(201)實體連接到該子系統(tǒng)，以實行高可用性的最高級主時鐘(3 01)。
13.時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換機，其被配置以參與如權利要求1至12中任一所述的子系統(tǒng)。
14.網(wǎng)絡節(jié)點，其被配置以參與如權利要求1至12中任一所述的子系統(tǒng)。
【文檔編號】H04J3/06GK103620991SQ201280029292
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月2日 優(yōu)先權日:2011年5月6日
【發(fā)明者】威爾弗里德·施泰納, 岡瑟·鮑爾, 馬丁·施瓦茨 申請人:Fts電腦技術有限公司
相關技術