專利名稱：具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)及其交換處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域的交換裝置及其方法，具體是一種具有 亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)及其交換處理方法。
背景技術(shù)：
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字化變電站的 信息交互、傳輸提出了詳細(xì)的技術(shù)要求。數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是依托以太 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備IED (Intelligent Electronic Device)的信息傳輸，目 前基于網(wǎng)絡(luò)通信方式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所采用的交換機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功 能，不能實(shí)現(xiàn)所接入的IED設(shè)備的信息匯聚、時(shí)鐘同步。能夠?qū)崿F(xiàn)IEC61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換同時(shí)又具備時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)匯聚輸出的交換機(jī)尚未見商業(yè)化產(chǎn) 品和實(shí)際應(yīng)用。然而現(xiàn)有技術(shù)中，變電站IED設(shè)備的時(shí)鐘同步均是采用外同步 方式，由外接時(shí)鐘服務(wù)器通過(guò)NTP協(xié)議或IRIG-B實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，這種同步 模式的工程實(shí)施困難且不能達(dá)到數(shù)字化變電站所要求的時(shí)鐘同步精度要求。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?00710106948. 5，公開 號(hào)CN101114896A的發(fā)明專利申請(qǐng)，記載了一種"精密同步時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方法"， 該方法采用硬件并聯(lián)在以太網(wǎng)物理層，用FPGA檢測(cè)精密同步時(shí)鐘協(xié)議報(bào)文、維 護(hù)時(shí)鐘，采用軟件(CPU)計(jì)算、校正的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部設(shè)計(jì)了五個(gè)模塊時(shí) 鐘管理模塊，sinii接口模塊，報(bào)文解析模塊，spi接口模塊，系統(tǒng)狀態(tài)指示模 塊。來(lái)保證時(shí)間戳的正確獲取、維護(hù)系統(tǒng)時(shí)鐘；軟件部分設(shè)計(jì)了七個(gè)模塊 數(shù)據(jù)報(bào)文收發(fā)模塊、定時(shí)器模塊、Sync處理模塊、Follow^Up處理模塊、Delay 一Req處理模塊、Delay—Resp處理模塊、管理模塊，來(lái)保證精密同步時(shí)鐘協(xié)議 報(bào)文的發(fā)送、接收；系統(tǒng)時(shí)鐘校正等。該技術(shù)雖然在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接時(shí)，時(shí)鐘的 同步精度可以達(dá)到亞微秒級(jí)，但是由于不具備數(shù)據(jù)交換功能，在實(shí)際應(yīng)用中， 需要接入交換機(jī)或HUB，根據(jù)IEEE1588的實(shí)現(xiàn)原理，要求傳輸介質(zhì)對(duì)稱，對(duì)稱 性越好，時(shí)鐘的精度越高，顯然，在通過(guò)交換機(jī)和HUB后，傳輸?shù)膶?duì)稱性下降，會(huì)直接影響時(shí)鐘精度。
另外一種現(xiàn)有工業(yè)控制交換機(jī)技術(shù)僅支持端口數(shù)據(jù)的鏡像，該技術(shù)通過(guò)各 個(gè)交換端口可以鏡像到一個(gè)端口輸出，鏡像端口輸出的是某一個(gè)端口的數(shù)據(jù)， 不能將所有端口的數(shù)據(jù)匯聚到一個(gè)端口輸出。在某些高可靠性要求的應(yīng)用場(chǎng)合， 需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)作備份記錄和綜合分析?，F(xiàn)在常用的方法是采用網(wǎng)絡(luò) 探針，即在每個(gè)交換機(jī)端口上通過(guò)TAP三通接口連接到探針設(shè)備，由探針設(shè) 備實(shí)現(xiàn)收斂和匯聚。這種方法的缺點(diǎn)是增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和工程實(shí)施的難度， 同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換 機(jī)及其交換處理方法，在實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)二層交換機(jī)的功能，即包括支持802.1Q、 802. 1P標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，在每個(gè)交換機(jī)端口上實(shí)現(xiàn)符合IEEE1588國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步，并且能夠作為系統(tǒng)主時(shí)鐘向網(wǎng)絡(luò)中所有支持PTP精確 時(shí)間協(xié)議的網(wǎng)元授時(shí)，將交換機(jī)所有端口上的數(shù)據(jù)匯聚到1個(gè)或2個(gè)千兆以太 網(wǎng)口輸出。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明涉及具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，具體包括物理層接口模塊、數(shù) 據(jù)鏈路層處理模塊、交換控制層處理模塊、GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模 塊，其中數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊分別連接物理層接口模塊和交換控制層處理模 塊，GPS衛(wèi)星接收模塊、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊依次相互連接。
GPS衛(wèi)星接收模塊作為本交換機(jī)的源參考時(shí)鐘接收1PPS秒脈沖信號(hào)和國(guó)際 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC),并將該時(shí)間信息輸出至數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模 塊。
時(shí)鐘調(diào)整保持模塊內(nèi)部設(shè)有恒溫高穩(wěn)晶體振蕩器，該時(shí)鐘調(diào)整保持模塊接 受GPS衛(wèi)星接收模塊發(fā)出的1PPS秒脈沖信號(hào)和UTC信號(hào)，通過(guò)恒溫高穩(wěn)晶體振 蕩器進(jìn)行時(shí)鐘頻率的保持并輸出時(shí)間標(biāo)簽信息。
數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊接收來(lái)自接物理層接口模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文并根據(jù)類型分 別將普通數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交換和匯聚，將PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文發(fā)送到交換控制 層處理模塊。所述的時(shí)間標(biāo)簽信息具體包括1PPS秒脈沖信號(hào)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)和與 1PPS秒脈沖信號(hào)同相的100MHz時(shí)鐘。
物理層接口模塊與其他智能電子設(shè)備(IED)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的交換傳輸。
所述的數(shù)據(jù)報(bào)文包括普通數(shù)據(jù)包和PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文。 數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊包括接口控制單元、MAC控制單元、數(shù)據(jù)交換及匯聚 單元和GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元，其中MAC控制單元分別連接接口控制單元和數(shù) 據(jù)交換及匯聚單元，GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元連接接口控制單元，MAC控制單元另 外連接交換控制層處理模塊，接口控制單元另外連接物理層接口模塊，數(shù)據(jù)交 換及匯聚單元連接交換控制層處理模塊，GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元另外分別連接交 換控制層處理模塊、GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊。
所述的接口控制單元接收來(lái)自接物理層接口模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文并根據(jù)類型分 別將普通數(shù)據(jù)包發(fā)送至MAC控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交換和匯聚，將PTP時(shí)間協(xié)議 報(bào)文發(fā)送到交換控制層處理模塊并加蓋時(shí)間標(biāo)簽；所述的MAC控制單元用于處 理普通數(shù)據(jù)包的二層數(shù)據(jù)幀的緩存、差錯(cuò)控制、物理尋址、流量控制；所述的 數(shù)據(jù)交換及匯聚單元根據(jù)MAC地址完成普通數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀的交換和匯聚；所 述的GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元分別接收從GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊 輸出的時(shí)間標(biāo)簽信息并將時(shí)間標(biāo)簽信息輸出到接口控制單元；接收來(lái)自交換控 制層處理模塊發(fā)出的從時(shí)鐘偏差和傳輸延時(shí)，調(diào)整時(shí)鐘調(diào)整保持模塊輸出時(shí)間 標(biāo)簽信息。
交換控制層處理模塊包括協(xié)議解析處理單元、生成樹協(xié)議處理單元、PTP 精確時(shí)間協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換配置管理單元和網(wǎng)管協(xié)議處理單元，其中 協(xié)議解析處理單元分別連接生成樹協(xié)議處理單元、PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元、 數(shù)據(jù)交換配置管理單元和網(wǎng)管協(xié)議處理單元，生成樹協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換 配置管理單元和PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元分別另外連接數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊。
所述的協(xié)議解析處理單元作為公共調(diào)用單元，處理交換控制層處理模塊內(nèi)
部的生成樹協(xié)議處理單元、PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換配置管理單元 和網(wǎng)管協(xié)議處理單元的數(shù)據(jù)報(bào)文的協(xié)議解析；所述的生成樹協(xié)議處理單元在交 換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)的情況下，運(yùn)行生成樹算法，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的接口控制單元控制千兆組坷端口，在環(huán)網(wǎng)上的某個(gè)組網(wǎng)端口斷開，消除拓?fù)洵h(huán)；所述 的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元接收數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊輸出的PTP協(xié)議報(bào)文根 據(jù)PTP協(xié)議計(jì)算出從時(shí)鐘偏差和傳輸延時(shí)，并將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)鏈路層處理 模塊；所述的數(shù)據(jù)交換配置管理單元通過(guò)協(xié)議解析處理單元接收來(lái)自網(wǎng)管協(xié)議 處理單元的人機(jī)命令，對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的數(shù)據(jù)交換和匯聚單元進(jìn)行配置，
實(shí)現(xiàn)按照各種需求進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和匯聚各類數(shù)據(jù)；所述的網(wǎng)管協(xié)議處理單元接 受SNMP協(xié)議的人機(jī)命令，通過(guò)協(xié)議解析處理單元解析出人機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)交換 機(jī)的設(shè)置、管理、統(tǒng)計(jì)。
所述生成樹協(xié)議處理單元的生成樹算法，具體是根據(jù)IEEE802.1d和 IEEE802. lw標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法。
所述消除拓?fù)洵h(huán)，具體是當(dāng)以太網(wǎng)中形成了數(shù)據(jù)環(huán)路，該數(shù)據(jù)環(huán)路將產(chǎn)生 廣播風(fēng)暴而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
所述的PTP協(xié)議報(bào)文，具體是根據(jù)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議報(bào)文。
本發(fā)明涉及的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，具體包括以下 步驟
第一步，組網(wǎng)模式設(shè)定
交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議處理單元根據(jù)人機(jī)命令設(shè)置工作模式為組 網(wǎng)模式或獨(dú)立模式，當(dāng)工作模式為組網(wǎng)模式則執(zhí)行第二步，當(dāng)工作模式為獨(dú)立 模式則執(zhí)行第三步。
所述的獨(dú)立模式是指網(wǎng)絡(luò)中只有一臺(tái)交換機(jī)，其組網(wǎng)端口和交換端口都工 作于主時(shí)鐘模式，GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元激活GPS衛(wèi)星接收模塊；所述的組網(wǎng)模 式是指網(wǎng)絡(luò)中有多臺(tái)交換機(jī)，該交換機(jī)的組網(wǎng)端口可通過(guò)網(wǎng)管協(xié)議處理單元配 置或根據(jù)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)選擇該交換機(jī)的組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式或從時(shí)鐘模 式。組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式時(shí)，激活GPS衛(wèi)星接收模塊；組網(wǎng)端口工作于 從時(shí)鐘模式時(shí)，關(guān)閉GPS衛(wèi)星接收模塊，通過(guò)PTP協(xié)議跟蹤上級(jí)主時(shí)鐘。
所述的PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文具體包括同步報(bào)文、跟隨報(bào)文、延遲請(qǐng)求報(bào)文 和延遲回應(yīng)報(bào)文等。
所述的主時(shí)鐘模式是指交換機(jī)端口向其他交換機(jī)端口發(fā)出同步報(bào)文、跟隨 報(bào)文并接收延遲請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)出延遲回應(yīng)報(bào)文；所述的從時(shí)鐘模式是指交換機(jī)端口接收來(lái)自其他交換機(jī)端口的同步報(bào)文、跟隨報(bào)文，并發(fā)出延遲請(qǐng)求報(bào)文， 接收延遲回應(yīng)報(bào)文。
第二步，時(shí)鐘模式設(shè)定
可根據(jù)交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議處理單元根據(jù)人機(jī)命令設(shè)置或根據(jù) IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)選擇該交換機(jī)的組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式或從時(shí)鐘模式。當(dāng)工 作模式為主時(shí)鐘模式則執(zhí)行第三步，當(dāng)工作模式為從時(shí)鐘模式則執(zhí)行第五步。
第三步，主時(shí)鐘模式下的時(shí)鐘源設(shè)定
GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元激活GPS衛(wèi)星接收模塊控制時(shí)鐘調(diào)整保持模塊跟蹤 GPS的時(shí)鐘時(shí)間信號(hào)，向接口控制單元輸出用于時(shí)間標(biāo)簽的時(shí)鐘時(shí)間信號(hào)。 第四步，主時(shí)鐘模式下的PTP報(bào)文處理
① 主時(shí)鐘交換機(jī)的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元在每個(gè)時(shí)間間隔T內(nèi)向以從 時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出同步報(bào) 文，主時(shí)鐘端口的接口控制單元監(jiān)視物理層接口模塊，并記錄同步報(bào)文發(fā)出時(shí) 間為T1，然后將T1輸出至PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；
② PTP精確時(shí)間協(xié) 議處理單元將Tl編譯在跟隨報(bào)文內(nèi)后向以從時(shí)鐘模式工 作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出；
(D當(dāng)接口控制單元收到來(lái)自從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或來(lái)自其 它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)來(lái)的延遲請(qǐng)求報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間T4，并將T4輸出至PTP 精確時(shí)間協(xié)議處理單元，由其將T4編譯在延遲回應(yīng)報(bào)文內(nèi)向以從時(shí)鐘模式工作 的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出。
第五步，從時(shí)鐘模式下的時(shí)鐘源設(shè)定GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元關(guān)閉GPS衛(wèi)星 接收模塊并通過(guò)PTP協(xié)議跟蹤上級(jí)主時(shí)鐘。
第六步，從時(shí)鐘模式下的PTP報(bào)文處理
①以從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口的接口控制單元監(jiān)視物理層接口 模塊的各類數(shù)據(jù)報(bào)文，當(dāng)PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為同步報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間 T2，并將T2輸出到PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；當(dāng)PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為延遲請(qǐng) 求報(bào)文，則記下發(fā)出的時(shí)間T3，并將T3輸出到PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；當(dāng) PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng)報(bào)文，則直接轉(zhuǎn)發(fā)到PTP精確時(shí)間協(xié)議 處理單元；②PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元根據(jù)接口控制單元送來(lái)的T2、 T3和來(lái)自主時(shí) 鐘交換機(jī)的跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng)報(bào)文所攜帶的Tl和T4即可計(jì)算出從時(shí)鐘偏差 Offset和傳輸延時(shí)Delay。計(jì)算方法具體是
Offset=[(T2-Tl)-(T4-T3)]/2 Delay=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2 PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和 時(shí)鐘調(diào)整控制單元調(diào)整時(shí)鐘偏差。 第七步，普通數(shù)據(jù)包的處理
當(dāng)接口控制單元監(jiān)視到的協(xié)議報(bào)文為普通數(shù)據(jù)包，則由接口控制單元將其 送至MAC控制單元、數(shù)據(jù)交換及匯聚單元，根據(jù)數(shù)據(jù)交換配置管理單元對(duì)數(shù)據(jù) 交換及匯聚單元的工作狀態(tài)的配置，完成普通數(shù)據(jù)包的交換和匯聚。
本發(fā)明使本交換機(jī)的每個(gè)組網(wǎng)端口和每個(gè)交換端口上都能支持PTP時(shí)間協(xié) 議，每個(gè)組網(wǎng)端口可工作于主時(shí)鐘模式和從時(shí)鐘模式而每個(gè)交換端口都工作于 主時(shí)鐘模式。在每個(gè)組網(wǎng)端口和每個(gè)交換端口的物理接口層由接口控制單元打 上時(shí)間標(biāo)簽。通過(guò)端到端的介質(zhì)對(duì)稱的傳輸，網(wǎng)絡(luò)中其它支持PTP協(xié)議報(bào)文的 網(wǎng)元設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的時(shí)間同步。


圖l為本發(fā)明邏輯示意圖2為實(shí)施例中物理層接口模塊示意圖3為實(shí)施例中數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊示意圖4為實(shí)施例中交換控制層處理模塊示意圖。
具體實(shí)施方案
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方
案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖l、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)施例包括物理層接口模塊IOO、數(shù) 據(jù)鏈路層處理模塊200、交換控制層處理模塊300、 GPS衛(wèi)星接收模塊400和時(shí) 鐘調(diào)整保持模塊500組成，其中
物理層接口模塊包括千兆匯聚端口接口單元101 、支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接口單元102和支持PTP協(xié)議的百兆交換端口接口單元103;
數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊包括GMII控制單元201、 SMII控制單元202、 MAC控 制單元203、數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204、 GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205，該數(shù)據(jù) 鏈路層處理模塊通過(guò)一塊FPGA或FPGA+ASIC專用交換芯片實(shí)現(xiàn)；
交換控制層處理模塊包括協(xié)議解析處理單元301、快速生成樹協(xié)議RSTP處 理單元302、 PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303、數(shù)據(jù)交換配置管理單元304、網(wǎng) 管協(xié)議SNMP處理單元305，該交換控制層處理模塊的上述處理單元在CPU上實(shí) 現(xiàn)。
上述組件通過(guò)以下方式進(jìn)行連接物理層接口模塊的千兆匯聚端口接口單
元101和支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接口單元102與數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GMII 控制單元201相連，其中支持PTP協(xié)議的百兆交換端口接口單元103與數(shù)據(jù)鏈 路層處理模塊的SMII控制單元202相連。
數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205與GPS衛(wèi)星接收模塊 400、時(shí)鐘調(diào)整保持模塊500相連，且與交換控制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié) 議處理單元303相連，GMII控制單元201、 SMII控制單元202與MAC控制單元 203和GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205相連，且與交換控制層處理模塊的PTP精確 時(shí)間協(xié)議處理單元303相連。MAC控制單元203與數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204相連， 且與交換控制層處理模塊的數(shù)據(jù)交換配置管理單元304、網(wǎng)管協(xié)議SNMP處理單 元305相連。數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204與交換控制層處理模塊的數(shù)據(jù)交換配置 管理單元304相連。
交換控制層處理模塊的協(xié)議解析處理單元301是公共調(diào)用單元，與本模塊 所有的單元相連?？焖偕蓸鋮f(xié)議RSTP處理單元302和網(wǎng)管協(xié)議SNMP處理單 元305與數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的MAC控制單元203相連。數(shù)據(jù)交換配置管理單 元304與數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204相連。PTP精確時(shí)間協(xié) 議處理單元303與數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GMII控制單元20KSMII控制單元202 相連。
本交換機(jī)裝置的GPS衛(wèi)星接收模塊400和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊500，是為本交 換機(jī)用于系統(tǒng)源主時(shí)鐘GRANDMASTERCLOCK配置的。GPS衛(wèi)星接收模塊400用于 接收國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)UTC和1PPS,時(shí)鐘調(diào)整保持模塊500是用于跟蹤UTC和1PPS信號(hào)并訓(xùn)練恒溫高穩(wěn)晶振，當(dāng)GPS信號(hào)中斷時(shí)，在24小時(shí)內(nèi)仍可輸出保持精度 優(yōu)于±1 x 10—9的高精度時(shí)鐘信號(hào)。GPS衛(wèi)星接收模塊400和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊 500的輸出與數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205相連接，由 GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205控制和轉(zhuǎn)換成可用于時(shí)間標(biāo)簽的信號(hào)送到GMII控 制單元201和SMII控制單元202。
GMII控制單元201用于監(jiān)視物理層接口模塊的支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接 口單元102物理端口上的各類數(shù)據(jù)報(bào)文，SMII控制單元202用于監(jiān)視物理層接 口模塊的支持PTP的百兆交換端口接口單元103物理端口上的各類數(shù)據(jù)報(bào)文。 如果是PTP協(xié)議的同步報(bào)文，則記下發(fā)出的時(shí)間T1，并將T1送到交換控制層處 理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303，由其將Tl編譯在跟隨報(bào)文內(nèi)向以從 時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其他網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出；如果 是PTP協(xié)議的延遲請(qǐng)求報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間T4，并將T4送到交換控制層 處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303，由其將T4編譯在延遲回應(yīng)報(bào)文內(nèi) 向以從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其他網(wǎng)元設(shè)備發(fā) 出。如果是普通數(shù)據(jù)包則交由MAC控制單元203和數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204進(jìn) 行交換和匯聚。
本交換機(jī)的支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接口單元102是用于交換機(jī)組網(wǎng)的端 口。當(dāng)多臺(tái)交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)時(shí)，其中一臺(tái)交換機(jī)配置GPS衛(wèi)星接收模塊作為系 統(tǒng)的源主時(shí)鐘GRANDMASTERCLOCK，其他交換機(jī)可去掉GPS衛(wèi)星接收模塊而作為 從時(shí)鐘，通過(guò)支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接口單元102獲取上級(jí)源主時(shí)鐘交換機(jī) 的時(shí)鐘同步信息。從時(shí)鐘交換機(jī)的支持PTP的千兆組網(wǎng)端口接口單元102接收 來(lái)自上級(jí)源主時(shí)鐘交換機(jī)的PTP協(xié)議報(bào)文，由其GMII控制單元201監(jiān)視該物理 端口上的各類數(shù)據(jù)報(bào)文，如果是PTP協(xié)議的同步報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間T2， 并將T2送到交換控制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303;如果是PTP 協(xié)議的延遲請(qǐng)求報(bào)文，則記下發(fā)出的時(shí)間T3，并將T3送到交換控制層處理模塊 的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303。如果是PTP協(xié)議的跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng)報(bào)文， 則直接轉(zhuǎn)送到交換控制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303。而普通 數(shù)據(jù)包則交由MAC控制單元203和數(shù)據(jù)交換和匯聚單元204進(jìn)行交換和匯聚。
交換控制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303根據(jù)GMII控制單元201送來(lái)的T2、 T3和來(lái)自上級(jí)源主時(shí)鐘交換機(jī)組網(wǎng)端口的跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng) 報(bào)文所攜帶的Tl和T4即可計(jì)算出從時(shí)鐘的偏差Offset和傳輸延時(shí)Delay。PTP 精確時(shí)間協(xié)議處理單元303將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和時(shí)鐘 調(diào)整控制單元205調(diào)整時(shí)鐘偏差。
本實(shí)施例中源主時(shí)鐘交換機(jī)以及從時(shí)鐘交換機(jī)的百兆交換端口對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中 的其他支持PTP協(xié)議的智能電子設(shè)備(IED)均作為主時(shí)鐘端口。
本實(shí)施例裝置通過(guò)以下步驟進(jìn)行交換處理
第一步交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議SNMP處理單元305接收來(lái)自網(wǎng) 管的命令通過(guò)數(shù)據(jù)交換配置管理單元304對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的數(shù)據(jù)交換和 匯聚單元204的工作狀態(tài)進(jìn)行配置，支持802.1Q， 802.1P等標(biāo)準(zhǔn)。
第二步交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議SNMP處理單元305接收來(lái)自網(wǎng)管 的命令設(shè)定交換機(jī)的組網(wǎng)模式和工作模式，如果是環(huán)網(wǎng)模式則激活快速生成樹 協(xié)議RSTP處理單元302。通過(guò)PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303控制數(shù)據(jù)鏈路 層處理模塊的GMII控制單元201設(shè)定本交換機(jī)工作于主時(shí)鐘模式或從時(shí)鐘模 式。
第三步GMII控制單元201和SMII控制單元202監(jiān)視支持PTP的千兆組網(wǎng) 端口接口單元102和支持PTP協(xié)議的百兆交換端口接口單元103的PTP協(xié)議報(bào) 文，在主時(shí)鐘模式和從時(shí)鐘模式下，分別記下T1、 T4和T2、 T3，并送到交換控 制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303，根據(jù)協(xié)議規(guī)范，分別發(fā)出同步 報(bào)文、跟隨報(bào)文、延遲回應(yīng)報(bào)文或延遲請(qǐng)求報(bào)文。
第四步主時(shí)鐘模式下，交換控制層處理模塊的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單 元303控制數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元205激活跟蹤GPS 調(diào)整本機(jī)時(shí)鐘的例程。從時(shí)鐘模式下，PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元303根據(jù)PTP 跟蹤算法計(jì)算出時(shí)鐘偏差，通過(guò)時(shí)鐘調(diào)整控制單元206控制時(shí)鐘調(diào)整保持模塊 500修正偏差。
第五步根據(jù)數(shù)據(jù)交換單元配置管理單元304對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的數(shù) 據(jù)交換和匯聚單元204工作狀態(tài)的配置所確定的交換原則完成普通數(shù)據(jù)包的交 換和匯聚。
本實(shí)施所述方法在實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)二層交換機(jī)的功能，即包括支持802. 1Q、802. IP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，通過(guò)在交換機(jī)的各個(gè)組網(wǎng)端口和交換端口的物 理層直接打上時(shí)間標(biāo)簽，使每臺(tái)交換機(jī)的組網(wǎng)端口和交換端口都支持PTP時(shí)間 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)符合IEEE1588國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步。能夠作為系統(tǒng)主時(shí)鐘 向網(wǎng)絡(luò)中所有支持PTP協(xié)議的網(wǎng)元授時(shí)。能夠?qū)⒔粨Q機(jī)所有端口上的數(shù)據(jù)匯聚 到2個(gè)千兆以太網(wǎng)口輸出。
權(quán)利要求
1、一種具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征在于，具體包括物理層接口模塊、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊、交換控制層處理模塊、GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊，其中數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊分別連接物理層接口模塊和交換控制層處理模塊，GPS衛(wèi)星接收模塊、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊依次相互連接；GPS衛(wèi)星接收模塊接收1PPS秒脈沖信號(hào)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)作為本交換機(jī)的源參考時(shí)鐘，并將其輸出至數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊；時(shí)鐘調(diào)整保持模塊內(nèi)部設(shè)有恒溫高穩(wěn)晶體振蕩器，該時(shí)鐘調(diào)整保持模塊接受GPS衛(wèi)星接收模塊發(fā)出的1PPS秒脈沖信號(hào)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)信號(hào)，通過(guò)恒溫高穩(wěn)晶體振蕩器進(jìn)行時(shí)鐘頻率的保持并輸出時(shí)間標(biāo)簽信息；數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊接收來(lái)自接物理層接口模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文并根據(jù)類型分別將普通數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交換和匯聚，將PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文發(fā)送到交換控制層處理模塊；所述的時(shí)間標(biāo)簽信息包括1PPS秒脈沖信號(hào)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)信號(hào)和與1PPS同相的100MHz時(shí)鐘時(shí)間信息；所述的數(shù)據(jù)報(bào)文包括普通數(shù)據(jù)包和PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的 數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊包括接口控制單元、mac控制單元、數(shù)據(jù)交換及匯聚單元 和gps時(shí)鐘調(diào)整控制單元，其中mac控制單元分別連接接口控制單元和數(shù)據(jù)交 換及匯聚單元，gps時(shí)鐘調(diào)整控制單元連接接口控制單元，mac控制單元另外連 接交換控制層處理模塊，接口控制單元另外連接物理層接口模塊，數(shù)據(jù)交換及 匯聚單元連接交換控制層處理模塊，gps時(shí)鐘調(diào)整控制單元另外分別連接交換控 制層處理模塊、gps衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的 接口控制單元接收來(lái)自接物理層接口模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文并根據(jù)類型分別將普通數(shù) 據(jù)包發(fā)送至mac控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交換和匯聚。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的 mac控制單元用于處理普通數(shù)據(jù)包的二層數(shù)據(jù)幀的緩存、差錯(cuò)控制、物理尋址、 流量控制；所述的數(shù)據(jù)交換及匯聚單元根據(jù)mac地址完成普通數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀的交換和匯聚。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元分別接收從GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊輸出的時(shí)間標(biāo)簽信息并輸出到接口控制單元。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的接口控制單元接收來(lái)自交換控制層處理模塊發(fā)出的從時(shí)鐘偏差和傳輸延時(shí)，調(diào)整時(shí)鐘調(diào)整保持模塊輸出的時(shí)間時(shí)鐘信息。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的交換控制層處理模塊包括協(xié)議解析處理單元、生成樹協(xié)議處理單元、PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換配置管理單元和網(wǎng)管協(xié)議處理單元，其中協(xié)議解析處理單元分別連接生成樹協(xié)議處理單元、PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換配置管理單元和網(wǎng)管協(xié)議處理單元，生成樹協(xié)議處理單元、數(shù)據(jù)交換配置管理單元和PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元分別另外連接數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)，其特征是，所述的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元接收數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊輸出的PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文，根據(jù)PTP協(xié)議計(jì)算出從時(shí)鐘偏差和傳輸延時(shí)，并將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊。
9、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，其特征在于，交換機(jī)的每個(gè)組網(wǎng)端口和每個(gè)交換端口上都支持PTP時(shí)間協(xié)議，每個(gè)組網(wǎng)端口可工作于主時(shí)鐘模式和從時(shí)鐘模式而每個(gè)交換端口都工作于主時(shí)鐘模式，具體包括以下步驟第一步，組網(wǎng)模式設(shè)定交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議處理單元根據(jù)人機(jī)命令設(shè)置工作模式為組網(wǎng)模式或獨(dú)立模式，當(dāng)工作模式為組網(wǎng)模式則執(zhí)行第二步，當(dāng)工作模式為獨(dú)立模式則執(zhí)行第三步；第二步，時(shí)鐘模式設(shè)定可根據(jù)來(lái)自交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議處理單元的人機(jī)命令或IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)選擇該交換機(jī)的組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式或從時(shí)鐘模式，當(dāng)工作模式為主時(shí)鐘模式則執(zhí)行第三步，當(dāng)工作模式為從時(shí)鐘模式則執(zhí)行第五步；第三步，主時(shí)鐘模式下的時(shí)鐘源設(shè)定GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元激活GPS衛(wèi)星接收模塊并控制時(shí)鐘調(diào)整保持模塊跟蹤GPS的主時(shí)鐘時(shí)間信號(hào)，并向接口控制單元輸出可用于時(shí)間標(biāo)簽的時(shí)間時(shí)鐘信號(hào)；第四步，主時(shí)鐘模式下的PTP報(bào)文處理`4. l)主時(shí)鐘交換機(jī)的PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元在每個(gè)時(shí)間間隔T內(nèi)向以從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出同步報(bào)文，主時(shí)鐘端口的接口控制單元監(jiān)視物理層接口模塊，并記錄同步報(bào)文發(fā)出時(shí)間為T1，然后將Tl輸出至PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；`4. 2)PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元將Tl編譯在跟隨報(bào)文內(nèi)后向以從時(shí)鐘模式`工作的交換機(jī)或其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出；`4. 3)當(dāng)接口控制單元收到來(lái)自從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或來(lái)自交換端口的其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)來(lái)的延遲請(qǐng)求報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間T4，并將T4輸出至PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元，由其將T4編譯在延遲回應(yīng)報(bào)文內(nèi)向以從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口或通過(guò)交換端口向其它網(wǎng)元設(shè)備發(fā)出；第五步，從時(shí)鐘模式下的時(shí)鐘源設(shè)定GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元關(guān)閉GPS衛(wèi)星接收模塊并通過(guò)PTP協(xié)議跟蹤上級(jí)主時(shí)鐘；第六步，從時(shí)鐘模式下的PTP報(bào)文處理`6.1)以從時(shí)鐘模式工作的交換機(jī)的組網(wǎng)端口接口控制單元監(jiān)視物理層接口模塊的各類數(shù)據(jù)報(bào)文，當(dāng)PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為同步報(bào)文，則記下接收到的時(shí)間T2，并將T2輸出到PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；當(dāng)PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為延遲請(qǐng)求報(bào)文，則記下發(fā)出的時(shí)間T3，并將T3輸出到PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；當(dāng)PTP時(shí)間協(xié)議報(bào)文為跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng)報(bào)文，則直接轉(zhuǎn)發(fā)到PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元；`6. 2) PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元根據(jù)接口控制單元送來(lái)的T2、 T3和來(lái)自主時(shí)鐘交換機(jī)的跟隨報(bào)文和延遲回應(yīng)報(bào)文所攜帶的Tl和T4即可計(jì)算出從時(shí)鐘偏差Offset和傳輸延時(shí)Delay,計(jì)算方法具體是Off set=[ (T2-Tl)-(T4-T3) ]/2，Delay=[(T2—Tl)+(T4—T3)]/2，PTP精確時(shí)間協(xié)議處理單元將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊的GPS和時(shí)鐘調(diào)整控制單元調(diào)整時(shí)鐘偏差；第七步，普通數(shù)據(jù)包的處理當(dāng)接口控制單元監(jiān)視到的協(xié)議報(bào)文為普通數(shù)據(jù)包，則由接口控制單元將其送至MAC控制單元、數(shù)據(jù)交換及匯聚單元，根據(jù)數(shù)據(jù)交換配置管理單元對(duì)數(shù)據(jù)交換及匯聚單元的工作狀態(tài)的配置，完成普通數(shù)據(jù)包的交換和匯聚。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，其特征是，在第一步中所述的獨(dú)立模式，具體是指網(wǎng)絡(luò)中只有一臺(tái)交換機(jī)，其組網(wǎng)端口和交換端口都工作于主時(shí)鐘模式，GPS時(shí)鐘調(diào)整控制單元激活GPS衛(wèi)星接收模塊。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，其特征是，在第一步中所述的組網(wǎng)模式，具體是指網(wǎng)絡(luò)中有多臺(tái)交換機(jī)，其組網(wǎng)端口可根據(jù)交換控制層處理模塊的網(wǎng)管協(xié)議處理單元根據(jù)人機(jī)命令或IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)選擇本組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式或從時(shí)鐘模式。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，其特征是，所述的主時(shí)鐘模式，具體是指當(dāng)組網(wǎng)端口工作于主時(shí)鐘模式時(shí)，激活GPS衛(wèi)星接收模塊。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)的交換處理方法，其特征是，所述的從時(shí)鐘模式，具體是指當(dāng)組網(wǎng)端口工作于從時(shí)鐘模式時(shí)，關(guān)閉GPS衛(wèi)星接收模塊，通過(guò)PTP協(xié)議跟蹤上級(jí)主時(shí)鐘。
全文摘要
一種工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域的具有亞微秒級(jí)時(shí)鐘的交換機(jī)及其交換處理方法，包括物理層接口模塊、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊、交換控制層處理模塊、GPS衛(wèi)星接收模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊，其中數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊分別連接物理層接口模塊和交換控制層處理模塊，GPS衛(wèi)星接收模塊、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊和時(shí)鐘調(diào)整保持模塊依次相互連接。本發(fā)明支持802.1Q、802.1P標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)符合IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步，能夠作為系統(tǒng)主時(shí)鐘向網(wǎng)絡(luò)中所有支持PTP精確時(shí)間協(xié)議的網(wǎng)元授時(shí)，將交換機(jī)所有端口上的數(shù)據(jù)匯聚到1個(gè)或2個(gè)千兆以太網(wǎng)口輸出。
文檔編號(hào)H04L29/06GK101645869SQ20081004144
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者張振華, 張沛超, 峰 徐, 文小軍, 磊 董 申請(qǐng)人:上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司