TWI411277B - 網路從節點與網路系統精確時間同步之方法 - Google Patents
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Description
本揭露是有關於一種網路從節點與其精確時間同步方法。
在工廠自動化(factory automation)控制與區域網路量測(LXI,L
AN eX
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nstrument)中,需要做到精確時間同步。
在注重精確時間同步的工廠自動化控制(如製程設備自動化控制、機器手臂自動化控制)中,對通訊時間同步性(synchronization)要求最高的是運動控制(Motion Control),如機器手臂控制、馬達轉速控制等。機器手臂、馬達等節點須與主控台(grand master)之間達成時間同步。如果時間同步不精確,將導致產品報廢,直接影響獲利並造成金錢巨額損失。
區域網路量測可適用於汽車自動化測試生產線、飛機電子設備測試、火箭發射基地等環境。在這些環境中,多台電腦、多台機器與多個感測元件之間都要達到時間同步,如此才能在特定時間內同時量測到由多個感測元件所回傳的訊號,以供後續資料分析。
精確時間同步協定(PTP,Precision Time Protocol)可用於網路系統之時間同步。PTP制定了BMC(Best Master Clock,最佳主時鐘)演算法,可以決定在此網路系統中,何者能成為唯一的主控台。於此網路系統中,所有的從節點(Slave node)都必需向此主控台對時。主控台會定期(比如每二秒)要求從節點與之對時,以持續維持時間同步。
於目前,在時間同步過程中,從節點必需支援BMC演算法,來決定誰是最佳時鐘。另外,從節點為符合於PTP的規定,從節點必需要有作業系統、微處理器、驅動裝置等,才能計算出從節點與主節點間之時間偏差,而且,在調整時間時,從節點尚需考量到封包傳送延遲時間。
本發明之示範例有關於一種基於類精確時間同步協定(PTP-like,Precise Time Protocol like)之網路從節點與其時間同步方法。網路從節點傳送標準封包(其包括封包收/發時間)給區域主節點(local master node),由區域主節點計算出各網路從節點與區域主節點間之偏移時間,並傳送從節點,而網路從節點只要接收封包來自行更新時間即可。
本發明之一實施例提出一種時間同步方法,應用於包括一區域主節點與至少一從節點之一網路中。時間同步方法包括:該區域主節點發出一同步封包給該從節點,以宣告開始對時,該區域主節點記錄發出該同步封包之一第一時間點;當該從節點接收到該同步封包時,該從節點記錄接收到該同步封包的一第二時間點;於接收到該同步封包之後,該從節點將該第二時間點加入於一同步回應封包內,該從節點回傳該同步回應封包給該區域主節點;當該區域主節點收到該同步回應封包後,該區域主節點從中取出該第二時間點,以使得該區域主節點建立第二時間點與第一時間點間之一差值等於偏移時間加上封包傳輸延遲值之和之一第一時間差等式;該從節點發送一從節點同步封包給該區域主節點,且該從節點記錄發出該從節點同步封包之一第三時間點;當該區域主節點收到該從節點同步封包後,該區域主節點記錄接收到該從節點同步封包之一第四時間點;該從節點送出一從節點通知封包給該區域主節點且該從節點將該第三時間點加入於該從節點通知封包內;該區域主節點接收到該從節點通知封包後,該區域主節點建立第四時間點與第三時間點間之一差值等於封包傳輸延遲值減去偏移時間之差之一第二時間差等式;區域主節點運用第一與第二時間差等式以計算出區域主節點與從節點之間的一偏移時間;以及該區域主節點發出一時間校正封包給該從節點,該時間校正封包包括該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間,以使得該從節點時間依該偏移時間進行修正後同步於該區域主節點。
本發明之另一實施例提出一種從節點,耦接至一網路內之一區域主節點。從節點包括:一封包偵測單元,偵測該從節點是否接收或發送一同步協定封包,並記錄一同步協定封包接收時間點與一同步協定封包傳送時間點;一硬體時鐘,耦接至該封包偵測單元;以及一控制單元,耦接至並控制該封包偵測單元與該硬體時鐘,該控制單元從該封包偵測單元讀取該封包接收時間點與該封包傳送時間點,並將之告知該區域主節點。該區域主節點據以計算出該區域主節點與該從節點間之一偏移時間並告知該控制單元,該控制單元依此調整該硬體時鐘,以使得該區域主節點與該從節點間達成時間同步。
本發明之更一實施例提出一種精確時間同步方法,應用於一從節點中,該從節點連接至一區域主節點,該方法包括:該從節點接收到由該區域主節點於一第一時間點所發出之一同步封包,該從節點記錄接收到該同步封包的一第二時間點;於接收到該同步封包之後,該從節點回傳含有該第二時間點之一同步回應封包給該區域主節點,其中,該區域主節點建立該第二時間點與該第一時間點間之一差值等於一偏移時間加上一封包傳輸延遲時間之和之一第一時間差等式;該從節點發送一從節點同步封包給該區域主節點,且該從節點記錄發出該從節點同步封包之一第三時間點,其中,該區域主節點於一第四時間點接收到該從節點同步封包;該從節點送出含有該第三時間點之一從節點通知封包給該區域主節點,使得該區域主節點建立該第四時間點與該第三時間點間之一差值等於該封包傳輸延遲時間減去該偏移時間之差之一第二時間差等式,該區域主節點運用該第一與該第二時間差等式以計算出該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間;以及該從節點接收由該區域主節點所發出之一時間校正封包,其中,該時間校正封包包括該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間。以使得該從節點時間依該偏移時間進行修正後同步於該區域主節點。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下:
第1圖顯示應用本發明實施例之通訊系統之示意圖。如第1圖所示,此通訊系統(網路系統)100至少包括:主控台110與多個子網路120、130。子網路120至少包括:網路連線設備121與多個從節點122。子網路130至少包括:網路連線設備131與多個從節點132。在本實施例中,子網路例如但不受限於封包網路,封包網路例如為網路協定(IP,Internet Protocol)網路等相似網路。本實施例所提出之從節點可應用於從節點122與從節點132。
以工廠自動化環境為例,這兩個子網路可視為工廠自動化的兩個區域。
主控台110與網路連線設備121與131支援最佳主要時鐘(Best Master Clock,BMC)演算法與精確時間同步協定。
主控台110永遠為主節點,而且主控台110的時間即為此通訊系統100的標準時間。此通訊系統100內的所有網路連線設備121與131都必需向主控台110對時。主控台110會週期性(例如,每2秒)發出時間同步要求給網路連線設備121與131,以使得網路連線設備121與131能時間同步於主控台110。同樣地,網路連線設備121與131也會週期性發出時間同步要求給從節點122與132,以使得從節點122與132能時間同步於網路連線設備121與131。如此,可確保通訊系統100內的所有節點可保持時間同步。
以網路連線設備121與131與主控台110之關係而言,主控台110乃是主而網路連線設備121與131是從。以網路連線設備121/131與從節點122/132之關係而言,網路連線設備121與131乃是主而從節點122/132是從。
在本實施例中,網路連線設備121與131係可以但不受限於閘道器(gateway)、路由器(router)、交換器(switch)、橋接器(bridge)等。在本實施例中,網路連線設備121與131具有對封包進行分派(dispatch)、轉向(forward)、交換(switch)等功能。網路連線設備121與131用以連接多個網路。子網路120與130所用的通訊協定可彼此相同,或彼此不同。在本發明實施例中,所有的從節點都支援類PTP。
現請參考第2圖,其顯示根據本發明實施例之從節點之功能方塊圖。如第2圖所示,根據本發明實施例之從節點200(比如為第1圖中之從節點122/132)包括:網路實體層介面(PHY)201、網路媒體層存取控制介面(MAC)202、應用輸出單元203與類PTP執行模組210。類PTP執行模組210包括:控制單元211、封包偵測單元213、硬體時鐘215與事件觸發單元217。
網路實體層介面201與網路媒體層存取控制介面202之功能與作用在此可不特別限定之。區域主節點(local master node)220比如為第1圖中之網路連線設備121/131。
應用輸出單元203被類PTP執行模組210內之事件觸發單元217所觸發而執行相對應操作。比如,本實施例之從節點可結合無線/有線感測器。使用者可設定於中午12點,感測器進行資料感測;當中午12點時,事件觸發單元217會觸發感測器進行資料感測。
類PTP執行模組210負責判別區域主節點220所傳來之封包類型是否用於時間同步操作,並回應地傳送封包給區域主節點220。
控制單元211控制封包偵測單元213、硬體時鐘215與事件觸發單元217。此外,控制單元211會負責完成要送給區域主節點220的封包。
封包偵測單元213偵測進出MAC 202的封包類型。如果此封包有關於時間同步操作(也就是同步協定封包),則封包偵測單元213會記錄此封包進/出MAC 202的時間,比如記錄於內部暫存器。詳細地說,封包偵測單元213為同步協定封包偵測單元,偵測從節點是否接收或發送同步協定封包,並記錄同步協定封包接收時間點與同步協定封包傳送時間點。
硬體時鐘215為控制單元211的時鐘;亦即硬體時鐘215為從節點的時鐘。硬體時鐘215比如為1588硬體時鐘(1588 hardware clock)。此外,硬體時鐘215更提供時間讀取介面216,以將從節點的時間傳送出去。
事件觸發單元217可觸發應用輸出單元203以執行相對應操作。
現請參考第3圖,其顯示於本發明實施例中,如何於區域主節點與從節點之間達成時間同步。在第3圖中。參數O代表區域主節點M與從節點S之間的偏移時間,但未彼此傳送封包之前,區域主節點無法算出偏移時間O的真正值。
區域主節點M於時間t0時發出同步(sync)封包310給從節點S,以向從節點S宣告要開始對時。區域主節點M本身會記錄時間t0。當從節點S接收到同步封包310時,封包偵測單元213會偵測由區域主節點M所傳來的封包是否用於時間同步操作。如果是的話,封包偵測單元213會記錄從節點S接收到同步封包310的時間(t1)。
於接收到同步封包310之後,從節點S回傳同步回應(sync response)封包320給區域主節點M,此同步回應封包320會夾帶著從節點S接收到同步封包310的時間t1。詳細地說,當控制單元211欲透過MAC 202送出同步回應封包320之前,控制單元211會從封包偵測單元213內讀取出封包接收時間t1並將之加入於同步回應封包320。
當區域主節點M收到同步回應封包320後,區域主節點M會從中取出時間t1,因此區域主節點M就可算出參數A:
A=O+D=t1-t0 (1)
參數A代表的意思是,以從節點S的觀點來看,由區域主節點M發出封包到從節點S接收到封包間的封包傳輸延遲時間。
接著從節點S發送從節點同步(Slave sync)封包330給區域主節點M,且從節點S自行記錄此封包的發出時間t2。詳細地說,當控制單元211欲透過MAC 202送出從節點同步封包330時,封包偵測單元213會偵測到此封包有關於時間同步操作,封包偵測單元213會將此封包的送出時間t2記錄於內部。
當區域主節點M收到從節點同步封包330後,區域主節點M會記錄接收時間t3。
之後,從節點S送出從節點通知封包340給區域主節點M,此封包會夾帶從節點送出從節點同步封包330的時間t2。詳細地說,由於封包偵測單元213已記錄下時間t2,當控制單元211欲透過MAC 202送出節點通知封包340之前,控制單元211會從封包偵測單元213內讀取出封包發送時間t2並將之加入於從節點通知封包340。
區域主節點M接收到從節點通知封包340後,區域主節點M可依此而計算出參數B。
B=D-O=t3-t2 (2)
區域主節點M根據公式(1)與公式(2),可得到參數O與參數D。
O=(A-B)/2 (3)
D=(A+B)/2 (4)
區域主節點M就可以算出其與從節點S之間的偏移時間O。而且,根據上述公式(1)~(4),區域主節點M更可以算出區域主節點M傳送封包到從節點S的封包傳輸延遲時間D。
在算出參考O與D後,區域主節點M發出時間校正封包(clock update packet)350給從節點S,以告知從節點S要如何調整時間。時間校正封包350包括參數D、參數O與參數R。其中,參數R是偏移時間變動率,代表參數O的變動情況。從節點S藉由時間校正封包350而從區域主節點M得知參數O(偏移時間)與參數D(封包傳輸延遲時間)。從節點S根據參數O來調整硬體時鐘的時間。此外,從節點S更根據參數R來調整硬體時鐘的時間振盪速率(如果硬體時鐘是石英振盪器的話)。詳細地說,控制單元211會根據此參數O與參數R來調整硬體時鐘215。
由於區域主節點M已計算出封包傳輸延遲時間D,故而,當調整從節點S之硬體時鐘時,時間同步的準確度不會被封包傳送延遲因子所影響。
現請參考第4圖,其顯示根據本發明實施例之時間同步方法。如第4圖所示,區域主節點發出同步封包給從節點,且區域主節點記錄發出同步封包之時間點t0,如步驟410所示。
當從節點接收到同步封包時,從節點記錄接收到同步封包的時間點t1,如步驟420所示。
於接收到同步封包之後,從節點將時間點t1加入於同步回應封包內並回傳此同步回應封包給區域主節點,如步驟430所示。
當區域主節點收到同步回應封包後,區域主節點取出時間點t1,以使得該區域主節點建立第二時間點(t1)與第一時間點(t0)間之一差值等於偏移時間變數加上封包傳輸延遲值之和之一第一時間差等式,如步驟440所示。
從節點發送從節點同步封包給區域主節點,且從節點記錄發出從節點同步封包之時間點t2,如步驟450所示。
當區域主節點收到從節點同步封包後,區域主節點記錄接收到從節點同步封包之時間點t3,如步驟460所示。
從節點送出從節點通知封包給區域主節點,且從節點將時間點t2加入於從節點通知封包內,如步驟470所示。
區域主節點接收到從節點通知封包後,該區域主節點建立第四時間點(t3)與第三時間點(t2)間之一差值等於封包傳輸延遲時間減去偏移時間之差之一第二時間差等式。區域主節點運用第一與第二時間差等式即可計算出區域主節點與從節點之間的一偏移時間以及區域主節點傳送封包到從節點的封包傳輸延遲時間,如步驟480所示。
區域主節點發出時間校正封包給從節點,以使得從節點依此偏移時間修正其內部時間(即硬體時鐘215之時間)後,從節點時間同步於區域主節點,如步驟490所示。時間校正封包包括:區域主節點與從節點之間的偏移時間以及封包傳輸延遲時間。
綜上所述,雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾。因此,本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100...通訊系統(網路系統)
110...主控台
120、130...子網路
121、131...網路連線設備
122、132...從節點
200...從節點
201...網路實體層介面(PHY)
202...網路媒體層存取控制介面(MAC)
203...應用輸出單元
210...類PTP執行模組
211...控制單元
213...封包偵測單元
215...硬體時鐘
216...時間讀取介面
217...事件觸發單元
310~350...類PTP通訊協定封包
M...區域主節點
S...從節點
410~490...步驟
第1圖顯示應用本發明實施例之通訊系統之示意圖。
第2圖顯示根據本發明實施例之從節點之功能方塊圖。
第3圖顯示於本發明實施例所提出之類精確時間同步協定,用於區域主節點與從節點達成精確時間同步。
第4圖顯示根據本發明實施例之時間同步方法。
310~350...類PTP通訊協定封包
M...區域主節點
S...從節點
Claims (24)
- 一種精確時間同步方法,應用於包括一區域主節點與至少一從節點之一網路系統中,該方法包括:該區域主節點發出一同步封包給該從節點,該區域主節點記錄發出該同步封包之一第一時間點;當該從節點接收到該同步封包時,該從節點記錄接收到該同步封包的一第二時間點;於接收到該同步封包之後,該從節點將該第二時間點加入於一同步回應封包內,該從節點回傳該同步回應封包給該區域主節點;當該區域主節點收到該同步回應封包後,該區域主節點從中取出該第二時間點,以使得該區域主節點建立該第二時間點與該第一時間點間之一差值等於一偏移時間加上一封包傳輸延遲時間之和之一第一時間差等式;該從節點發送一從節點同步封包給該區域主節點,且該從節點記錄發出該從節點同步封包之一第三時間點;當該區域主節點收到該從節點同步封包後,該區域主節點記錄接收到該從節點同步封包之一第四時間點;該從節點送出一從節點通知封包給該區域主節點且該從節點將該第三時間點加入於該從節點通知封包內;該區域主節點建立該第四時間點與該第三時間點間之一差值等於該封包傳輸延遲時間減去該偏移時間之差之一第二時間差等式,該區域主節點運用該第一與該第二時間差等式以計算出該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間;以及該區域主節點發出一時間校正封包給該從節點,該時間校正封包包括該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間,以使得該從節點時間依該偏移時間修正後同步於該區域主節點。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該從節點記錄接收到該同步封包的該第二時間點之該步驟包括:當該從節點接收到該同步封包時,該從節點偵測並分析該同步封包是否用於時間同步。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該從節點將該第二時間點加入於該同步回應封包內之該步驟包括:在該從節點送出該同步回應封包之前,該從節點從一內部暫存器讀取該第二時間點並加入於該同步回應封包。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該從節點發送該從節點同步封包給該區域主節點且該從節點記錄發出該從節點同步封包之該第三時間點之該步驟包括:當該從節點欲送出該從節點同步封包時,該從節點偵測並分析該從節點同步封包是否有關於時間同步操作,以決定是否記錄該第三時間點。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該從節點送出該從節點通知封包給該區域主節點且該從節點將該第三時間點加入於該從節點通知封包內之該步驟包括:當該從節點送出該從節點通知封包之前,該從節點從一內部暫存器讀取出該第三時間點以加入於該從節點通知封包。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該時間校正封包更包括一偏移時間變動率參數,其代表該偏移時間之一變動情況。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中,該從節點根據該偏移時間變動率參數來調整該從節點之一內部硬體時鐘的一時間振盪速率。
- 一種從節點,耦接至一網路內之一區域主節點,該從節點包括:一封包偵測單元,偵測該從節點是否接收或發送一同步協定封包,並記錄一同步協定封包接收時間點與一同步協定封包傳送時間點;一硬體時鐘,耦接至該封包偵測單元;以及一控制單元,耦接至並控制該封包偵測單元與該硬體時鐘,該控制單元從該封包偵測單元讀取該同步協定封包接收時間點與該同步協定封包傳送時間點,並將之告知該區域主節點;其中,該控制單元接收自該區域主節點所計算之該區域主節點與該從節點間之一偏移時間以及該封包傳輸延遲時間,該控制單元依此調整該硬體時鐘,以使得該從節點與該區域主節點閱達成時間同步。
- 如申請專利範圍第8項所述之從節點,更包括:一事件觸發單元,耦接至該硬體時鐘以及該控制單元;以及一應用輸出單元,耦接至該事件觸發單元,該應用輸出單元被該事件觸發單元所觸發而執行相對應操作。
- 如申請專利範圍第8項所述之從節點,其中:該從節點接收該區域主節點於一第一時間點發出一同步封包,該區域主節點記錄該第一時間點;當該從節點接收到該同步封包時,該封包偵測單元偵測並判斷該同步封包是否用於時間同步操作,如果是的話,該封包偵測單元記錄該從節點接收到該同步封包的一第二時間點。
- 如申請專利範圍第10項所述之從節點,其中:於接收到該同步封包之後,該控制單元從該封包偵測單元讀取出該第二時間點並加入於一同步回應封包內,該控制單元傳送該同步回應封包至該區域主節點。
- 如申請專利範圍第11項所述之從節點,其中:當該區域主節點收到該同步回應封包後,該區域主節點取出該第二時間點。
- 如申請專利範圍第12項所述之從節點,其中:該從節點發送一從節點同步封包給該區域主節點,且該封包偵測單元記錄發送該從節點同步封包的一第三時間點;以及當該區域主節點收到該從節點同步封包後,該區域主節點記錄接收到該從節點同步封包的一第四時間點。
- 如申請專利範圍第13項所述之從節點,其中:當該從節點送出一從節點通知封包給該區域主節點時,該控制單元從該封包偵測單元內讀取出該第三時間點並加入於該從節點通知封包。
- 如申請專利範圍第14項所述之從節點,其中:該區域主節點接收到該從節點通知封包後,該區域主節點據以計算出該區域主節點與該從節點間之該偏移時間;該區域主節點發出一時間校正封包給該從節點;以及該控制單元依該時間校正封包而調整該硬體時鐘。
- 如申請專利範圍第15項所述之從節點,其中:該時間校正封包更包括一偏移時間變動率參數,其代表該偏移時間之一變動情況;以及該控制單元根據該偏移時間變動率參數來調整該硬體時鐘的一時間振盪速率。
- 如申請專利範圍第8項所述之從節點,其中,該硬體時鐘更提供一時間讀取介面,以傳送該從節點的一時間資訊。
- 一種精確時間同步方法,應用於一從節點中,該從節點連接至一區域主節點,該方法包括:該從節點接收到由該區域主節點於一第一時間點所發出之一同步封包,該從節點記錄接收到該同步封包的一第二時間點;於接收到該同步封包之後,該從節點回傳含有該第二時間點之一同步回應封包給該區域主節點,其中,該區域主節點建立該第二時間點與該第一時間點間之一差值等於一偏移時間加上一封包傳輸延遲時間之和之一第一時間差等式;該從節點發送一從節點同步封包給該區域主節點,且該從節點記錄發出該從節點同步封包之一第三時間點,其中,該區域主節點於一第四時間點接收到該從節點同步封包;該從節點送出含有該第三時間點之一從節點通知封包給該區域主節點,使得該區域主節點建立該第四時間點與該第三時間點間之一差值等於該封包傳輸延遲時間減去該偏移時間之差之一第二時間差等式,該區域主節點運用該第一與該第二時間差等式以計算出該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間;以及該從節點接收由該區域主節點所發出之一時間校正封包,其中,該時間校正封包包括該區域主節點與該從節點之間的該偏移時間以及該封包傳輸延遲時間,以使得該從節點時間依該偏移時間進行修正後同步於該區域主節點。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法,其中,該從節點記錄接收到該同步封包的該第二時間點之該步驟包括:當該從節點接收到該同步封包時,該從節點偵測並分析該同步封包是否用於時間同步。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法,其中,該從節點回傳含有該第二時間點之該同步回應封包給該區域主節點之該步驟包括:在該從節點送出該同步回應封包之前,該從節點從一內部暫存器讀取該第二時間點並加入於該同步回應封包。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法,其中,該從節點發送該從節點同步封包給該區域主節點且該從節點記錄發出該從節點同步封包之該第三時間點之該步驟包括:當該從節點欲送出該從節點同步封包時,該從節點偵測並分析該從節點同步封包是否有關於時間同步操作,以決定是否記錄該第三時間點。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法,其中,該從節點送出內含該第三時間點之該從節點通知封包給該區域主節點之該步驟包括:當該從節點送出該從節點通知封包之前,該從節點從一內部暫存器讀取出該第三時間點以加入於該從節點通知封包。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法,其中,該時間校正封包更包括一偏移時間變動率參數,其代表該偏移時間之一變動情況。
- 如申請專利範圍第23項所述之方法,其中,該從節點根據該偏移時間變動率參數來調整該從節點之一內部硬體時鐘的一時間振盪速率。
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