TWI841375B - 網路時鐘信號同步化系統 - Google Patents

Abstract

在一種網路時鐘信號同步化系統中，至少一中繼通信裝置係用以產生一內建時鐘信號，自一主通信裝置接收一主時鐘信號。在中繼通信裝置接收到主時鐘信號時，係將內建時鐘信號與主時鐘信號同步化以產生一同步時鐘信號作為中繼通信裝置之一系統基準時鐘信號；在中繼通信裝置中斷接收主時鐘信號時，係將內建時鐘信號作為系統基準時鐘信號。中繼通信裝置更將系統基準時鐘信號傳送到至少一下行通信裝置以作為下行通信裝置之一同步化系統基準時鐘信號。

Description

網路時鐘信號同步化系統

本發明係有關於一種同步化系統，尤其是指一種網路時鐘信號同步化系統。

在網路通信系統中，許多工作都必須在同步的時間系統下才能精確地執行。特別是在執行與時序有關的工作時，若時間系統不同步，則可能造成運算結果錯誤（如計次或計時運算錯誤）或者程式邏輯矛盾而無法繼續執行工作等問題發生，由於資料傳遞的是在數毫秒、數微秒時間甚至更短的時間內完成，一旦時鐘信號稍有誤差，就更容易發生上述種種問題。

一般而言，網路時間多半是以時間脈衝的形式來傳遞。實現網路時間的同步化，通常會在一網路架構最上層的頂層（服務）通信節點裝置（通常是資料存取量大的節點，如雲端伺服器或檔案伺服器）中設置一內建時脈產生裝置（譬如石英晶體振盪器）所產生之一時鐘信號（譬如晶振時鐘信號）作為一主時鐘信號，並使自頂層通信節點裝置經過下行通信路徑傳遞到所有下行通信裝置（如交換器、閘道器、中繼器、路由器或終端工作裝置），並使所有下行通信裝置都能以主時鐘信號作為時間同步化的基準，以使頂層通信節點裝置與其所有下行通信裝置的時間都能同步化。

然而，在實務上，一旦頂層（服務）通信節點裝置之內建時脈產生裝置發生故障（包含本身損壞或連接線路損壞所造成的長時間故障，或元器件暫時超負荷所產生的暫時性故障），就無法將主時鐘信號傳遞至下行通信裝置，造成所有下行通信裝置因為中斷接收主時鐘信號而無法保持彼此間的時間同步。

有鑒於在先前技術中，普遍存在一旦無法將主時鐘信號傳遞至下行通信裝置時，就會造成所有下行通信裝置之間無法保持時間同步之問題，本發明之主要目的在於提供一種新的網路時鐘信號同步化系統，藉以在主時鐘信號中斷傳送至下行通信裝置時，使至少部分的下行通信裝置之間仍舊能保持時間同步。

本發明為解決先前技術之問題所採用之其中一種必要技術手段為提供一種網路時鐘信號同步化系統，其包含了一主通信裝置、至少一中繼通信裝置與至少一下行通信裝置。主通信裝置係提供一主時鐘信號。中繼通信裝置係用以上行通信連結於主通信裝置，並且包含一內建時鐘信號產生模組、一埠實體層模組與一系統時間產生模組。

內建時鐘信號產生模組係用以發送一內建時鐘信號。埠實體層模組係用以接收主時鐘信號；系統時間產生模組係電性連結於埠實體層模組與內建時鐘信號產生模組，並且包含一鎖相迴路與一系統時鐘信號發送單元。鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL）用以在埠實體層模組接收到主時鐘信號時，使內建時鐘信號與主時鐘信號同步化以產生一同步時鐘信號。

系統時鐘信號發送單元係用以在埠實體層模組接收到主時鐘信號時，將同步時鐘信號作為中繼通信裝置之一系統基準時鐘信號而發送出，並在埠實體層模組中斷接收該主時鐘信號時，將內建時鐘信號作為系統基準時鐘信號而發送出。下行通信裝置係用以供中繼通信裝置下行通信連結，藉以接收系統基準時鐘信號以作為下行通信裝置之一同步化系統基準時鐘信號。

較佳者，內建時鐘信號產生模組更可包含一內建時鐘信號振盪單元、一鎖相補償信號偵測單元與一內建時鐘信號輸出單元。內建時鐘信號振盪單元係發送出一原始振盪時鐘信號。鎖相補償信號偵測單元係電性連接於內建時鐘信號振盪單元與鎖相迴路，用以偵測原始振盪時鐘信號與主時鐘信號同步時所疊加之一時鐘補償信號。內建時鐘信號輸出單元係電性連接於內建時鐘信號振盪單元、鎖相補償信號偵測單元與埠實體層模組，用以在埠實體層模組中斷接收主時鐘信號時，將原始振盪時鐘信號與時鐘補償信號疊加後作為上述之內建時鐘信號而發送出。

較佳者，內建時鐘信號振盪單元可為一石英晶體振盪器。中繼通信裝置可為一網路交換器（Network switch）。主通信裝置可為伺服器。下行通信裝置可為網路交換器、閘道器、中繼器、路由器或終端工作裝置。系統時間產生模組更可包含一媒體存取控制（Media Access Control， MAC）子層時間產生單元，用以依據系統基準時鐘信號產生一媒體存取時間。

綜合以上所述，由於在本發明所提供之網路時鐘信號同步化系統中，即便在中繼通信裝置中斷接收到主時鐘信號時，也可以利用內建時鐘信號產生模組所產生之內建時鐘信號作為系統基準時鐘信號，並將系統基準時鐘信號傳送至下行通信裝置以作為下行通信裝置之一同步化系統基準時鐘信號，藉此仍可維持中繼通信裝置與下行通信裝置之間的時間同步。

更佳者，可進一步藉由鎖相補償信號偵測單元所偵測的時鐘補償信號作為時間補償的依據，藉由將原始振盪時鐘信號與時鐘補償信號疊加的方式，使中繼通信裝置即便在中斷接收主時鐘信號時，仍可保持系統基準時鐘信號或同步化系統基準時鐘信號儘量與主時鐘信號相同或最大限度地接近。毫無疑問地，本發明確實可在中繼通信裝置中斷接收到主時鐘信號，仍可最大限度地達成維持（中繼通信裝置與下行通信裝置之間的）系統時間同步化的功效。

由於本發明所提供之網路時鐘信號同步化系統，可廣泛運用於多種網路系統，其應用層面相當廣闊，故在此不再一一贅述，僅列舉其中較佳的實施例來加以具體說明，且此實施例僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的與功效。

請參閱第一圖，其係顯示本發明較佳實施例所提供之網路時鐘信號同步化系統之功能方塊示意圖。如第一圖所示，一網路時鐘信號同步化系統100包含一主通信裝置1、至少一中繼通信裝置（第一圖中繪製一個中繼通信裝置2作為代表）與至少一下行通信裝置（第一圖中繪製二個下行通信裝置3a與3b作為代表）。

主通信裝置1可為網路中資料處理量較大且對多個裝置提供較大服務量的通信裝置，如雲端伺服器、檔案伺服器或網頁伺服器等。主通信裝置1中可內建有一主時鐘信號產生裝置（如石英晶體振盪器，圖未繪製）以提供一主時鐘信號（Master clock signal）MCS。

中繼通信裝置2可為一網路交換器（Network switch），並且用以上行通信連結於主通信裝置1，並且包含一內建時鐘信號產生模組21、一埠實體層（Port Physical Layer；PHY）模組22與一系統時間產生模組23。所謂的上行通信連結（uplink）是指朝向或靠近資料處理量較大且對多個裝置提供較大服務量的主通信裝置1的通信節點進行資料傳輸的通信連結，下行通信連結（downlink）的意義則與上行通信連結相反，且上行通信連結與下行通信連結是相對的概念，以下不再予以贅述。

內建時鐘信號產生模組21可包含彼此電性連接之一內建時鐘信號振盪單元211、一鎖相補償信號偵測單元212與一內建時鐘信號輸出單元213，其中，內建時鐘信號振盪單元211可為一石英晶體振盪器，並用以發送出一原始振盪時鐘信號OCCS。

埠實體層（Port Physical Layer；PHY）模組22係用以接收主時鐘信號MCS。其中埠實體層是指一個對開放式系統互聯模型（Open System Interconnection Model，OSI模型）實體層的共同簡稱。埠實體層模組22可以是一個操作OSI模型實體層的裝置。在乙太網路中，埠實體層（Port Physical Layer；PHY）模組22可以是一個晶片，並用以發送和接收乙太網路的資料框（frame），但是通常本身沒有媒體存取控制（Media Access Control; MAC）子層位址（MAC address）。

系統時間產生模組23係電性連結於該埠實體層模組22與內建時鐘信號產生模組21，並且包含一鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL）231、一系統時鐘信號發送單元232與一媒體存取控制（Media Access Control， MAC）子層時間產生單元233，且系統時鐘信號發送單元232係分別電性連接於鎖相迴路231與MAC子層時間產生單元233。

在埠實體層模組22接收到主時鐘信號MCS時，內建時鐘信號輸出單元213可藉由偵測等方式得知埠實體層模組22已接收到主時鐘信號MCS。此時，內建時鐘信號輸出單元213可將內建時鐘信號振盪單元211所產生之原始振盪時鐘信號OCCS直接作為一內建時鐘信號ICS而傳送至鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL）231，且鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL）231可以自埠實體層模組22獲得主時鐘信號MCS。

據此，鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL）231使內建時鐘信號ICS與主時鐘信號MCS同步化以產生一同步時鐘信號SCS，且系統時鐘信號發送單元232可進一步將同步時鐘信號SCS作為中繼通信裝置之一系統基準時鐘信號SRCS而發送出。所謂的同步化是指對兩信號中之一者調整頻率與／或相位，使其與另一者的頻率與相位皆相同。

較佳者，鎖相補償信號偵測單元212可用以偵測出用以作為內建時鐘信號ICS的原始振盪時鐘信號OCC與主時鐘信號MCS同步時所疊加之一時鐘補償信號CCS，並將時鐘補償信號CCS轉換成數位資料加以儲存。所謂的時鐘補償信號CCS是指調整內建時鐘信號ICS的頻率與／或相位，使內建時鐘信號ICS與主時鐘信號MCS的頻率與相位皆相同時，內建時鐘信號ICS所疊加之補償信號。

更佳者，在埠實體層模組22中斷接收主時鐘信號MCS時，內建時鐘信號輸出單元213可要求鎖相補償信號偵測單元212依據上述之數位資料利用震盪器（圖未標示）還原產生時鐘補償信號CCS，並將原始振盪時鐘信號ICS與時鐘補償信號CCS疊加後作為內建時鐘信號ICS而發送至系統時鐘信號發送單元232，且系統時鐘信號發送單元232可將內建時鐘信號ICS作為系統基準時鐘信號SRCS而發送出。

從以上敘述可之，由於經過時鐘補償信號CCS的疊加補償，內建時鐘信號ICS至少會在一定的時間內維持與主時鐘信號MCS相同或最大程度的相近。此外，不論埠實體層模組22接收或中斷接收主時鐘信號MCS，系統時鐘信號發送單元232都可將系統基準時鐘信號SRCS發送出。

系統時鐘信號發送單元232所發送出之系統基準時鐘信號SRCS不僅可傳送至MAC子層時間產生單元233，還可藉由下行通信連結於下行通信裝置3a與3b的方式分別傳送至下行通信裝置3a與3b。MAC子層時間產生單元233可內建於一MAC子層元件（圖未示），並在MAC子層元件生成每一媒體存取資料時，依據系統基準時鐘信號SRCS產生與媒體存取資料綁定之一媒體存取時間。

下行通信裝置3a與3b可為網路交換器、閘道器、中繼器、路由器或終端（工作）裝置（如工作站終端設備、工業電腦、個人電腦、筆記型電腦、平板電腦或智慧型手機等）。同時，下行通信裝置3a與3b可將接收到之系統基準時鐘信號SRCS作為下行通信裝置3a與3b之一同步化系統基準時鐘信號。藉此，可在埠實體層模組22接收主時鐘信號MCS時，達成主通信裝置1、中繼通信裝置2以及下行通信裝置3a與3b之間的時間同步化。即便在埠實體層模組22中斷接收主時鐘信號MCS時，依舊可以達成中繼通信裝置2以及下行通信裝置3a與3b之間的時間同步化。

上述的主時鐘信號MCS、原始振盪時鐘信號OCCS、時鐘補償信號CCS、內建時鐘信號ICS、同步時鐘信號SCS、系統基準時鐘信號SRCS與同步化系統基準時鐘信號，在本實質上都是屬於與時間相關的脈衝信號，所以都是屬於時脈信號（clock pulse signal）。

由於在本發明所提供之網路時鐘信號同步化系統100中，即便在中繼通信裝置2中斷接收到主時鐘信號MCS時，也可以利用內建時鐘信號產生模組21所產生之內建時鐘信號ICS作為系統基準時鐘信號SRCS，並將系統基準時鐘信號SRCS傳送至下行通信裝置3a與3b以作為下行通信裝置3a與3b之同步化系統基準時鐘信號，藉此仍可維持中繼通信裝置2以及下行通信裝置3a與3b之間的時間同步。

更佳者，可進一步藉由鎖相補償信號偵測單元212所偵測的時鐘補償信號CCS作為時間補償的依據，藉由將原始振盪時鐘信號OCCS與時鐘補償信號CCS疊加的方式，使中繼通信裝置2即便在中斷接收主時鐘信號MCS時，仍可保持系統基準時鐘信號SRCS或同步化系統基準時鐘信號儘量與主時鐘信號MCS相同或最大限度地接近。毫無疑問地，本發明確實可在中繼通信裝置2中斷接收到主時鐘信號MCS時，仍可最大限度地達成維持（中繼通信裝置2以及與下行通信裝置3a與3b之間的）系統時間同步化的功效。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100:網路時鐘信號同步化系統 1:主通信裝置 2:中繼通信裝置 21:內建時鐘信號產生模組 211:內建時鐘信號振盪單元 212:鎖相補償信號偵測單元 213:內建時鐘信號輸出單元 22:埠實體層模組 23:系統時間產生模組 231:鎖相迴路 232:系統時鐘信號發送單元 233:MAC子層時間產生單元 3a~3b:下行通信裝置 OCCS:原始振盪時鐘信號 CCS:時鐘補償信號 SCS:同步時鐘信號 MCS:主時鐘信號 ICS:內建時鐘信號 SRCS:系統基準時鐘信號

第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之網路時鐘信號同步化系統之功能方塊示意圖。

100:網路時鐘信號同步化系統

1:主通信裝置

2:中繼通信裝置

21:內建時鐘信號產生模組

211:內建時鐘信號振盪單元

212:鎖相補償信號偵測單元

213:內建時鐘信號輸出單元

22:埠實體層模組

23:系統時間產生模組

231:鎖相迴路

232:系統時鐘信號發送單元

233:MAC子層時間產生單元

3a~3b:下行通信裝置

OCCS:原始振盪時鐘信號

CCS:時鐘補償信號

SCS:同步時鐘信號

MCS:主時鐘信號

ICS:內建時鐘信號

SRCS:系統基準時鐘信號

Claims (7)

1. 一種網路時鐘信號同步化系統，包含： 一主通信裝置，係提供一主時鐘信號； 至少一中繼通信裝置，係用以上行通信連結於該主通信裝置，並且包含： 一內建時鐘信號產生模組，係用以發送一內建時鐘信號； 一埠實體層（Port Physical Layer; PHY）模組，係用以接收該主時鐘信號； 一系統時間產生模組，係電性連結於該埠實體層模組與該內建時鐘信號產生模組，並且包含： 一鎖相迴路（Phase-locked loops; PLL），用以在該埠實體層模組接收到該主時鐘信號時，使該內建時鐘信號與該主時鐘信號同步化以產生一同步時鐘信號；以及 一系統時鐘信號發送單元，係用以在該埠實體層模組接收到該主時鐘信號時，將該同步時鐘信號作為該至少一中繼通信裝置之一系統基準時鐘信號而發送出，並在該埠實體層模組中斷接收該主時鐘信號時，將該內建時鐘信號作為該系統基準時鐘信號而發送出；以及 至少一下行通信裝置，係用以供該至少一中繼通信裝置下行通信連結，藉以接收之該系統基準時鐘信號以作為該至少一下行通信裝置之一同步化系統基準時鐘信號。
2. 如請求項1所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該內建時鐘信號產生模組更包含： 一內建時鐘信號振盪單元，係發送出一原始振盪時鐘信號； 一鎖相補償信號偵測單元，係電性連接於該內建時鐘信號振盪單元與該鎖相迴路，用以偵測該原始振盪時鐘信號與該主時鐘信號同步時所疊加之一時鐘補償信號；以及 一內建時鐘信號輸出單元，係電性連接於該內建時鐘信號振盪單元、該鎖相補償信號偵測單元與該埠實體層模組，用以在該埠實體層模組中斷接收該主時鐘信號時，將該原始振盪時鐘信號與該時鐘補償信號疊加後作為該內建時鐘信號而發送出。
3. 如請求項2所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該內建時鐘信號振盪單元係為一石英晶體振盪器。
4. 如請求項1所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該至少一中繼通信裝置係為至少一網路交換器（Network switch）。
5. 如請求項1所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該主通信裝置係為一伺服器。
6. 如請求項1所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該至少一下行通信裝置係為至少一網路交換器、閘道器、中繼器、路由器或終端工作裝置。
7. 如請求項1所述之網路時鐘信號同步化系統，其中，該系統時間產生模組更包含一媒體存取控制（Media Access Control; MAC）子層時間產生單元，用以依據該系統基準時鐘信號產生一媒體存取時間。

Images