CN101455014B - 传送所发送的或者所接收的消息的发送时间信息或者接收时间信息的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传送所发送的或者所接收的消息的发送时间信息或者接收时间信息的方法和装置。在接收同步相关消息(N)时，在电路技术上在装置(M、S)中形成接收时间信息(tSE、tME)并将该接收时间信息这样插入到所接收的消息(N)中或者附加到所接收的消息(N)并转发，使得接收时间信息(tSE、tME)可以由装置(M、S)的至少一个同步应用程序(PTP)接收。在发送消息(N)时，在电路技术上在装置(M、S)中形成发送时间信息(tST、tMT)并将该发送时间信息传送到装置(M、S)的初始化所述消息(N)的至少一个同步应用程序(PT)。在此主要优点在于，特别是依据IEEE标准1588实现时钟同步和确定通信网络或传输媒体传播时间的经济耗费、特别是电路技术耗费得到显著降低。
Description
背景技术
在分布式通信网络中，特别是在面向分组的通信网络中，通信网络组件时间上精确同步的要求日益增长。为此为面向分组的通信网络使用专业领域作为PTP公知的“精确时间协议(Precision Time Protocol)”，利用其可以使通信网络、特别是以太网的空间分布组件的实时时钟同步。公知的PTP在IEEE标准1588中标准化，这例如在Hans Weibel，Dominic Béchaz的文献“Implementation andPerformance of Time Stamping Techniques”(2004 Conference on IEEE 1588，September 28，2004)中予以描述。
依据该标准，在通信网络的组件之一中确定主机(在图3中通过用M标注的垂直线表示)，从该主机以规则的时间间隔通过通信网络KN向其辅机(Slave)或组件或装置或终端设备发送同步消息SYN-N，在图1中通过用S标注的垂直线表示。在该同步消息SYNC-N内说明设置在主机M内的时钟的当前时间tM。因为时钟的读出、协议的处理、协议栈的通过和数据经由以太网控制器的发送需要未定义的时间，所以同步消息SYNC-N内的时间信息在离开主机M时就已经过时。因此，尽可能靠近物理接口(理想的是直接在硬件的通信网络端子处)测量同步消息的实际发送时间点并将其作为发送时间信息tMT借助后随消息FUP-N(Follow Up Message)发送到辅机S。在本标准中和本技术领域中，这种发送时间信息tMT作为时间戳(Time Stamp)而公知。接收装置或终端设备、也就是辅机S确定接收时间点并形成接收时间信息tSE。接收时间信息tSE说明从传送媒体接管或接收同步消息SYNC-N的时间点，其中，接收时间点在物理层内或电路技术附近被确定。随后从所传送的发送时间信息tMT和在辅机S内所确定的接收时间信息tSE中确定其实时时钟的偏差tA或偏移量。辅机S的时钟根据所确定的偏差tA进行校正，也就是与主机M的时钟同步。
如果传输距离没有延迟，那么现在两个时钟已经同步。同步过程的第二阶段确定在辅机S与主机M之间的延迟时间、传播时间测量。为此按照IEEE标准1588，辅机S向主机M发送所谓的“延迟请求(Delay Request)”或请求消息DREQ-N并为此重新确定准确的发送时间点tST。主机M在接收请求消息DREQ-N时产生接收时间信息tME并将接收时间信息tME在“延迟响应(DelayResponse)”或应答信息DRES-N中回发到辅机S。从本地的发送时间信息tST和所传送的接收时间信息tME或两个时间戳中，辅机S确定在通信网络KN内在辅机S与主机M之间延迟时间或传播时间tL。传播时间测量不定期并以大于两个时钟同步的测量的时间间隔进行。
为确定所接收的同步相关消息(synchronisationsrelevante Nachricht)的接收时间点或者所要发送的同步相关消息的发送时间点，在装置内设置确定时间点或时间戳的时间戳单元。实时时钟和传播时间tL的偏差tA的确定利用PTP(Precision Time Protocol)进行，其中，PTP在装置或终端设备的应用层内实现。因为时间点或时间戳在物理附近层内形成，以便能够尽可能准确地确定通信网络内时钟和传播时间tL的偏差tA，所以将时间点或时间信息中间存储在物理层的存储器内，直至它们由应用层内的PTP调用。这一点在实践中意味着，必须为多个应用程序在存储器内在物理层中存储多个消息和多个PTP的多个时间信息。此外，在存储器内不仅必须存储时间信息，而且还必须存储可以将时间信息分配给各自消息所利用的信息，以便应用层内相应的PTP可以有针对性地从存储器调用时间信息。
为依据IEEE-1588标准实现PTP，因此为从通信网络、例如像内联网或者互联网的装置或终端设备的电路技术层或硬件层的存储器中调用时间信息，需要大规模的存储器以及电路和程序技术上所要实现的大规模协议。
发明内容
本发明的目的在于，利用时间戳改进依据IEEE标准1588或者其他协议的PTP的实现。
本发明的一个重要方面在于，在接收在装置的物理层中或者处所形成的同步相关消息时，将所形成的接收时间信息这样插入到所接收的消息中并转发，使得接收时间信息可以由装置的至少一个程序接收。另一个重要方面在于，在发送在电路技术上在装置中所形成的同步相关消息时，将所形成的发送时间信息提供给装置的初始化所述消息的至少一个程序。
本发明的重要优点在于，在电路技术上实现的物理层中，不再需要用于存储接收时间或发射时间信息以及应用程序特定的信息的存储器和用于调用所存储的同步相关消息的协议，以及明显降低用于实现时钟同步和确定通信网络或传输媒体传播时间的电路技术耗费或经济耗费。
本发明方法的有利改进以及装置和时间戳单元的本发明扩展方案可从其他权利要求得出。
附图说明
下面在图3中所介绍的公知方法的基础上通过其他三个附图对本发明进行详细说明。其中：
图1A示出接收时间信息从物理层向应用层的转发；
图1B示出发送时间信息从物理层向应用层的转发；以及
图2示出同步相关消息的结构。
具体实施方式
对于该实施例来说，在连接于作为互联网IN或以太网实现的通信网络KN上的装置或终端设备或主机M或者辅机S的层方面假设有在图1A和图1B中所示的构造。实现与互联网IN的物理连接的层是物理层PH。随后是媒体访问层MAC(Medium Access Control(媒体访问控制))、互联网协议层IP(InternetProtocol(互联网协议))、传输层UDP(User Datagram Protocol(用户数据报协议))和应用层APPS，在该应用层内为应用程序APP实现同步应用程序(Synchronisationsapplikation)PTP-依据IEEE标准1588此外称为精确时间协议PTP。为对本发明进行说明，主要涉及物理层PH和具有精确时间协议PTP的应用层APPS。
在物理层PH中，为确定同步相关消息N的发送时间和接收时间点，设置时间戳单元TU，其中，从所确定的发送和接收时间点中形成接收时间和发送时间信息tE、tS。对该实施例此外假设，同步相关消息N通过在IEEE标准1588中说明的同步消息SYNC-N、后随消息FUP-N、请求消息DREQ-N和应答消息DRES-N来表示。
对图1A中的实施例此外假设，依据IEEE标准1588从主机M向辅机S发送同步消息SYNC-N或者从辅机S向主机M发送请求消息DREQ-N，参见图3，其中，在两种情况下在物理层PH中利用时间戳单元TU确定接收时间点并形成接收时间信息tSE、tME。接收时间点的确定尽可能靠近互联网IN的传输媒体来执行，以便可以尽可能准确地确定主机M和辅机S的时钟的偏差tA以及在互联网中同步相关消息N的传播时间tL。
在图2中示出按照IEEE标准1588的例子同步相关消息N的原理结构。为通过媒体访问层MAC、互联网协议层IP和传输层UDP传送消息N，分别设置头部(Header)，图2中通过名称MAC、IP和UDP表示。在相应的头部中添加信息，所述信息指点(verweisen)随后的层IP、UDP的头部。为此依据IEEE标准1588中的例子设置字节Nr.0-41。精确时间协议PTP的信息包含在同步相关消息N的用PTP标注的部分内，其中，精确时间协议PTP例如在应用层APPS的应用程序APP中实现。在精确时间协议PTP的头部HD中(按照标准中的例子字节42-78)说明涉及同步相关消息N中的哪个，在图2中通过名称SN表示。这例如是根据标准的同步消息SYNC-N、后随消息FUP-N、请求消息DREQ-N或者应答消息DRES-N，其中，所述消息包括不同数量的字节，依据标准中的例子90、98或者154字节。
在物理层PH中形成的接收时间信息tSE、tME现在不被存储在物理层PH的存储器内用以通过应用程序APP调用，而是依据本发明被插入到所接收的同步消息SYNC-N或请求消息DREQ-N中，在图2中通过名称tSE、tME表示。为此如在图2中所示，利用在标准的例子中为同步相关消息N的其他信息所保留的字段FR。可替代地，接收时间信息tSE、tME在精确时间协议PTP末尾处被插入，在图2中通过箭头表示。在依据标准1588中的例子形成的同步相关消息N的情况下，接收时间信息tSE、tME例如可以被插入到PTP消息的为其他信息所保留的四个字节Nr.78-81内。
此外，在依据标准中的例子的精确时间协议PTP中设置字段F(字节Nr.86和90)用于传送接收时间和发送时间信息tME、tST。在同步相关消息N末尾处的另一个依据标准的校验字段PF中，录入校验信息pi，利用所述校验信息Pi可以在主机M和辅机S中执行对整个消息N的校验。这依据标准是CRC校验信息(Cyclic Redundancy Check(循环冗余校验))。为确保完整性，此外通常利用散列(散列)方法(例如按照RFC标准2104的HMAC-SHA1)通过秘密密钥关于消息N的精确时间协议PTP形成散列值H，其然后被附加到消息N的精确时间协议PTP末尾处。其他协议层MAC、IP、IDP的头部中的其他校验信息未示出。
在该实施例中假设，接收时间信息tSE、tME仅包括至多两秒，因为同步过程以相应的时间间隔定期地被实施。如果接收时间信息tSE、tME在其范围方面超过秒，那么仅将跟随在秒信息后面的时间信息(例如作为纳秒表示的)作为接收时间信息tSE、tME插入同步相关消息N中并转发到有关的应用程序APP。在分配给应用程序APP的同步应用程序PTP中，通过分析两个相继的接收时间信息tSE、tME来确定二者之间是否超过秒并根据分析结果的，要么不改变当前所传送的接收时间信息tSE、tME，要么增加一秒，也就是重新建立原始的接收时间信息tSE、tME。
在向应用层APPS中的有关的应用程序APP或向所分配的精确时间协议PTP转发同步相关消息N之前，按照第一方案清除校验信息pi或者散列值H或者按照第二方案确定包括附加接收时间信息tSE、tME在内的同步相关信息的校验信息pi或散列值H，并插入到校验字段PF或添加到消息N，而不是插入或添加所传送的校验信息pi或散列值H。第一方案有利地在校验所传送的同步相关信息时处于物理层PH中，第二方案在校验同步相关信息时设置在随后的层MAC、IP、UDF、APPS之一中，其中，清除或者刷新在其他层MAC、IP、UDP的头部中的其他校验信息，只要将该信息与精确时间协议PTP一起包括在校验信息内。
随后将同步相关消息N连同接收时间信息tSE、tME通过随后的层MAC、IP、UDP转发到应用层APPS内的精确时间协议PTP。在那里根据所传送的接收时间信息tSE、tME，要么确定与主机M时钟的时间偏差tA，要么确定在互联网IN中的传播时间tL，亦参见图3。为了应用层APPS可以计算和比较散列值用于完整性校验，该应用层事先将由接收单元所修改的、保留的字段复位到原始值。
对图1B中的实施例如在图1A中那样假设，依据IEEE标准1588从主机M向辅机S发送同步消息SYNC-N或者从辅机S向主机M发送请求消息DREQ-N，参见图3，其中，在两种情况下在物理层PH中在主机M或者辅机S中利用时间戳单元TU确定发送时间点并形成发送时间信息tST、tMT。发送时间点尽可能靠近互联网IN的传送媒体或代表互联网IN的以太网被测量，以便可以尽可能准确地确定主机M和辅机S的时钟的偏差tA以及在以太网IN中同步相关消息N的传播时间tL。
依据本发明，发送时间信息tST、tMT不被存储在物理层PH中，而是直接或者在短时间中间存储后被转发到有关的应用程序APP中的精确时间协议PTP，并在那里被中间存储在应用程序APP或应用程序程序中，直至确定出主机M的时钟的偏差tA以及互联网IN或以太网中同步相关消息N的传播时间tL为止，在图1B中通过用tST、tMT标注的虚线箭头表示。
本发明并不局限于该实施例，而是也可以在依据IEEE标准1588设有边界时钟方案(Boundary Clock)(特别是包括通信网络内的路由器在内)的通信网络中使用，或者也可以在为至少调整通信网络内组件中的时钟而传送同步相关消息的通信网络中使用。在这种情况下，在同步相关消息中未利用的或者为其他用途所设置的消息部分可用于插入接收时间信息。
Claims (15)
1.用于传送接收时间信息的方法，所述方法包括以下步骤：
-在接收同步相关消息(N)时在设备的物理层(PH)中形成接收时间信息，
-将所形成的接收时间信息插入到所接收的同步相关消息(N)中或者附加到所接收的同步相关消息(N)上并且
-转发使得所述接收时间信息可以由设备的至少一个同步应用程序(PTP)接收，其特征在于，
-为了插入所述接收时间信息这样设置同步相关消息(N)的未利用的部分或者为其他信息而保留的部分，使得在依据IEEE标准1588形成的同步相关消息(N)的情况下，将接收时间信息插入到同步相关消息的为其他信息所保留的四个字节Nr.78至81内，
-在向应用程序(APP)转发同步相关消息(N)之前，在同步应用程序(PTP)中可以清除校验信息(pi)或者散列值(H)，其中所传送的同步相关信息(N)的检验在物理层(PH)中进行，
-在同步应用程序(PTP)中通过分析在同步相关消息(N)中所传送的接收时间信息来确定原始的接收时间信息，和
-在物理层(PH)中形成的接收时间信息不被存储在物理层(PH)的存储器内用以通过同步应用程序(PTP)调用。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，应用层(APPS)中的至少一个同步应用程序(PTP)接收所述接收时间信息。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在高于1秒的接收时间信息情况下把跟随在秒信息后面的时间信息作为接收时间信息插入到同步相关消息(N)中。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在完整性校验后在插入接收时间信息时清除在同步相关消息(N)中所传送的、由同步相关消息(N)的包括接收时间信息的部分和/或者由整个同步相关消息(N)构成的至少一个校验信息(pi)。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在插入接收时间信息后更新在同步相关消息(N)中所传送的、由同步相关消息(N)的包括接收时间信息的部分和/或者由整个同步相关消息(N)构成的至少一个校验信息(pi)。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过时间戳信息按照精确时间协议依据IEEE标准1588形成和传送接收时间信息，其中，同步相关消息(N)通过
-同步消息(SYN-N)，
-后随消息(FUP-N)，
-延迟请求消息(DREQ-N)以及
-延迟响应消息(DRES-N)来表示。
7.用于传送接收时间信息的设备，包括：
-用于在接收同步相关消息(N)时在设备的物理层(PH)中形成接收时间信息的装置，
-用于将所形成的接收时间信息插入到所接收的同步相关消息(N)中或者附加到所接收的同步相关消息(N)上的装置，以及
-用于转发使得所述接收时间信息可以由设备的至少一个同步应用程序(PTP)接收的装置，其特征在于，
-为了插入所述接收时间信息这样设置同步相关消息(N)的未利用的部分或者为其他信息而保留的部分，使得在依据IEEE标准1588形成的同步相关消息(N)的情况下，将接收时间信息插入到同步相关消息的为其他信息所保留的四个字节Nr.78至81内，
-在向应用程序(APP)转发同步相关消息(N)之前，在同步应用程序(PTP)中可以清除校验信息(pi)或者散列值(H)，其中所传送的同步相关信息(N)的检验在物理层(PH)中进行，
-在同步应用程序(PTP)中通过分析在同步相关消息(N)中所传送的接收时间信息来确定原始的接收时间信息，和
-在物理层(PH)中形成的接收时间信息不被存储在物理层(PH)的存储器内用以通过同步应用程序(PTP)调用。
8.按权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于由应用层(APPS)中的至少一个同步应用程序(PTP)接收所述接收时间信息的装置。
9.按权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括：
用于在高于1秒的接收时间信息情况下把跟随在秒信息后面的时间信息作为接收时间信息插入到同步相关消息(N)中的装置。
10.按权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在完整性校验后在插入接收时间信息时清除在同步相关消息(N)中所传送的、由同步相关消息(N)的包括接收时间信息的部分和/或者由整个同步相关消息(N)构成的至少一个校验信息(pi)的装置。
11.按权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在插入接收时间信息后更新在同步相关消息(N)中所传送的、由同步相关消息(N)的包括接收时间信息的部分和/或者由整个同步相关消息(N)构成的至少一个校验信息(pi)的装置。
12.按权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于通过时间戳信息按照精确时间协议依据IEEE标准1588形成和传送接收时间信息的装置，其中，同步相关消息(N)通过
-同步消息(SYN-N)，
-后随消息(FUP-N)，
-延迟请求消息(DREQ-N)以及
-延迟响应消息(DRES-N)来表示。
13.用于传送设备用的接收时间信息的时间戳单元的应用，用于执行按权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述时间戳单元被构造，使得
-所述时间戳单元在接收同步相关消息(N)时在物理层(PH)中形成接收时间信息，
-所述时间戳单元将所形成的接收时间信息插入到所接收的同步相关消息(N)中或者附加到所接收的同步相关消息(N)，以及
-所述时间戳单元将同步相关消息(N)转发到设备的至少一个同步应用程序(PTP)。
14.按权利要求13所述的时间戳单元的应用，其特征在于，按照精确时间协议依据IEEE标准1588形成表示接收时间信息的时间戳信息。
15.按权利要求13或14所述的时间戳单元的应用，其特征在于，时间戳单元(TU)在FPGA或者用户专用集成电路中实现。
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