专利名称：有效及可靠地传输时间触发以太网信息的通信方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于在分布式实时系统内传输时间触发以太网信息的通信方法，该系统
包括多部节点计算机，其中每部节点计算机带有至少一个以太网控制器，以太网控制器通 过数据线直接与被明确地分配给该节点计算机的时间触发星形耦合器的端口连接，并且其 中多个时间触发星形耦合器可直接或间接地通过一条或多条数据线互相连接以形成封闭 的时间触发网络。 此外，本发明是关于在上述通信方法中用时间触发星形耦合器传播以太网信息。
背景技术：
在过去20年，电气与电子工程师协会(IEEE)以太网标准802. 3[5]获得广泛接 受，而由于个人计算机领域中当前的以太网控制器拥有庞大市场，以致以以太网为基础的 通信系统的价格大幅下降。由于价格原因，以太网在实时数据处理上的使用亦日益增加。第 EP 1 512 254号欧洲专利[4]公开了一种方法，该方法使得在已扩展的以太网系统(以下 称为TT(时间触发)以太网)内传输具有良好实时特性的时间触发信息变得可能。
在TT以太网[4]中，在两类信息-传统以太网信息(以下称为ET(事件触发)信 息)和新型TT信息-之间作出区分。TT信息的特点是其在以太网类别域中包含IEEE以太 网标准管理[5]授权的位元模式(位元模式88d7)。当ET信息(即传统以太网信息)来自 于时间上不协调的开放环境而因此可能互相之间有时间冲突时，在TT以太网中所有的TT 信息被假定为能在封闭的TT网络中按照预先设定的排程传输而不会相互妨碍。该封闭的 TT网络包括多部通过一个或多个TT星形耦合器通信的节点计算机。 因为两个TT信息之间的时间差距必须大于精确度n的两倍，以能够排除任何TT 信息冲突的可能性[2]，所以TT以太网[4]中TT信息传输有用数据的效率很大程度上取
决于节点计算机中tt以太网控制器的时间同步的精确度n [6]。硬件支援[1]需要非常
精确的时间同步大约在IP sec范围内)，在市面上的以太网控制器商品中没有发现这种精 确的时间同步。如果在软件中进行时间同步，则难以实现高于50ii sec的精确度，即为了排 除TT网络中TT信息冲突的可能性，在两个TT以太网信息之间必须安排至少100 y sec的 时间差距。如果假定在100兆比特(Mbit)/秒的以太网系统中，多数TT信息的传输时间都 大大短于lOOii sec，则当使用市面上的以太网控制器商品时，有用数据的效率就可能远低 于50%。
发明内容
本发明的目的是提高分布式实时计算机系统内有用数据的速率以及数据安全性， 在该系统内节点计算机通过例如EP 1 512 254号专利所公开的时间触发以太网信息通信。 本发明通过网络发送时间，例如周期性网络发送时间(其由排程器预先分配给各 个TT以太网信息)，实现本发明的这一目的，其中TT星形耦合器的端口把从节点计算机到达的TT以太网信息延迟至其系统时间中这类TT以太网信息的下一网络发送时间，并且端 口正是在这一网络发送时间把该TT以太网信息发送入该TT网络或在始于这一网络发送时 间向上的确实限定时段内把该TT以太网信息发送入该TT网络中。 因而在信息的节点计算机发送时间(KNSZPKT)和网络发送时间(丽SZPKT)之间作 出区分。按照本发明，建议调校TT星形耦合器，以致从节点计算机到达的TT以太网信息在 TT星形耦合器的智能端口被延迟至丽SZPKT，以便接着能够恰好在丽SZPKT把它发送到TT 网络中。根据发送节点计算机的系统时间解读的KNSZPKT必须比丽SZPKT适时地先存在， 以致于无论如何(也就是即使节点计算机和TT星形耦合器的系统时间在精确度差距[6] 的极限)，信息的起始处都在由TT星形耦合器中的系统时间解读的丽SZPKT时到达TT星形 耦合器。在KNSZPKT和丽SZPKT之间，还可通过TT星形耦合器的智能端口对到达的TT信 息进行时间和语义检查以改进故障检验。由于节点计算机和TT星形耦合器形成了两个分 开的故障容纳区域[7，3]，所以可通过检查独立TT星形耦合器中的信息以减低错误信息的 故障传播的可能性。此外，TT星形耦合器的智能端口可对从节点计算机到达的信息进行编 码，以致TT信息以编码的形式在网络中传输。
其它有利实施例在从属权利要求中提出。
本发明产生以下重大经济利益 即使使用市面上的以太网控制器商品，并使用软件对以太网控制器进行时间同 步，TT信息传输的有用的数据效率也可增加至远多于90%。 对TT星形耦合器的智能端口内的TT信息进行检查减低了错误传播的可能性，并 使诊断更加容易。 在TT星形耦合器的智能端口对信息进行编码，提高实时系统的安全性而无需给 应用计算机增加额外负担。 可不改变用于传输TT信息和ET信息的硬件就可使用传统的以太网控制器。
下文基于非限定例子的附图对本发明进行了详细说明。在附图中，
图1显示了带有TT星形耦合器的分布式计算机系统的结构，
图2显示了信息的发送时间，以及
图3显示了 TT以太网信息的结构。
具体实施例方式
以下段落以可能的例子显示了该新颖方法的实施例，在该例子中带有通过TT星 形耦合器连接的三部节点计算机。 图1显示了带有TT星形耦合器101的分布式计算机系统。该系统包括三部节点 计算机111、112、113，其通过双向线与TT星形耦合器101连接。TT星形耦合器101可通过 线100与其它TT星形耦合器连接，从而可以成为包括多个TT星形耦合器的时间触发(TT) 网络的一部分。组成TT网络的所有TT星形耦合器的系统时间假定是具有共同的高精确度 的时间基础[6](优于1 ii sec) 。 TT星形耦合器101包括三个智能端口 121、 122、 123，这些 智能端口可通过实际的以太网开关102交换信息。各个智能端口 121、122、123带有自主的
5处理能力，以致信息可被并行地接收并同时在端口被处理。例如，每个端口可以有自有的、 带有本地储存器的计算机以处理信息。在指定端口 121，从节点计算机(例如节点计算机 111)到达的TT以太网信息在端口 121被延迟，直至达到这类信息的下一个周期性返回的网 络发送时间(丽SZPKT)。在TT以太网[4]中，信息类型由TT网络中的节点计算机的周期性 发送时间明确地设定。与其相比，按照本发明，TT信息的类型由信息的周期性网络发送时 间(NWSZPKT)明确地确定。 图2显示了在周期性的循环演示中发送周期性时间触发信息的时间顺序，其中以 节点计算机lll和端口 121发出信息为例。该时间在图2中以顺时针方向移动。因为智能 端口 121的网络发送时间丽SZPKT 202 (以及其它端口 122、 123和通过连接线100连接的 封闭TT网络的其它TT星形耦合器的其它端口的发送时间)是基于高精确度(使用相应的 硬件支援可轻易得到高于1 P sec的精确度)的时间基础[6]，所以由于这一精确的时间基 础，信息排程器可以在封闭的TT网络中实现TT信息与TT信息之间短时间而无冲突的传输 的排程，从而能够在TT网络中实现高的有用数据的速率。设定网络发送时间丽SZPKT 202 后，在第二阶段，设定节点计算机发送TT信息的时间KNSZPKT 201的排程。因为KNSZPKT 201是由节点计算机的系统时间解读，但网络发送时间丽SZPKT 202是由TT星形耦合器的 系统时间解读，所以在排程节点计算机发送时间KNSZPKT 201时必须考虑节点计算机和星 形耦合器之间时间同步的预定精确度，以致即使接近于最差同步的情况下，信息的起始处 也先于系统发送时间丽SZPKT 202按时到达TT星形耦合器的端口 。 KNSZPKT和丽SZPKT之 间的时间差距必须大过这时间同步精确度[6]加上在TT星形耦合器端口中该信息的第一 比特的传输持续时间和可选的信息预先处理持续时间的两倍。此外，必须保证信息剩余部 分在必须发送该信息剩余部分之前到达端口，以致发送行动一旦开始就不会被打断。
如果节点计算机的系统时间不与TT星形耦合器的系统时间同步，那么KNSZPKT 201就是随机的。在这一退化情况中，从节点计算机到达的信息在TT星形耦合器的端口中 被延迟，直至到达这类TT信息的下一周期性的丽SZPKT 202时。如果同一类型的多个TT 信息在单个的信息周期内到达，则不进一步发出TT信息且在诊断计算机产生故障信息，因 为显然地，故障已产生。 因为假设所有TT星形耦合器都带有由相应硬件支援的高精确度时间同步，所以 TT网络的TT星形耦合器和节点计算机之间能达到的时间同步的精确度主要取决于节点计 算机中的时间同步类型。如果通过节点计算机中的软件达到时间同步，则可能难以得到高 于50iisec的精确度。但是，如果节点计算机带有专用同步硬件(即对应与IEEE 1588标 准[7]的时间同步硬件)，则可得到高得多的精确度。那么，本发明支援不同等级的装有市 面上不同的以太网控制器商品的终端系统，而无须降低TT网络中TT以太网信息传输的有 用数据的效率。 TT信息的特性(例如KNSZPKT 201和丽SZPKT 202，以及可选地由星形耦合器检 查的信息的谓词)必须在发送TT信息之前已知。这些特性或者可以在运行时间前由离线 排程器静态地设定，或者在就要发送信息前在节点计算机的提示下由TT以太网服务节点 在线地动态地决定。节点计算机也可通过标准ET以太网信息提示TT以太网服务节点以动 态地排程新的TT信息。这种TT以太网服务节点可像任何其它以太网节点计算机一样与TT 星形耦合器101连接。例如，在图1中，节点113就可以是这种TT以太网服务节点。在同一发明的另一表达形式中，TT以太网服务节点也可整合在TT星形耦合器中。这种TT以太 网服务节点也可通过例如GPS接收器或通过原子钟具有一个接近于精确的外部时间基础。 TT以太网服务节点可通过以太网信息把这外部时间分配给题述中TT网络中的所有TT星形 耦合器和节点计算机。时间的分配可对应于现有标准如IEEE标准1588[5]而实现。这标 准已被多个微型计算机的硬件所支援。如果节点计算机支援这一同步标准，则在该节点计 算机的系统时间的高精确度的基础上，KNSZPKT 201和丽SZPKT 202之间的时间差距可保 持很短，从而可縮短实时信息传输的等待时间。如果未在节点计算机中给予在时间同步上 的这一种类的硬件的支援，则必须接受较长的传输等待时间。 如果TT以太网服务节点预先向受到信息传送影响的所有TT星形耦合器发出所 有TT信息的网络发送时间丽SZPKT 202，则在TT信息到达前，TT星形耦合器已可适时地 于丽SZPKT时保持[4]TT信息传输所需的ET信息的传输通道清空，因而使得TT信息于 丽SZPKT在预留的空置线路上以最少的等待时间传送TT信息变得可能。在星形耦合器中这 最小的信息等待时间-仅几个比特的延迟(即在100兆比特/秒以太网系统中，仅很小量 的P sec)，在包含多个TT星形耦合器的系统内特别重要，例如通过把很多TT星形耦合器串 联在一起以支持总线布线和多部节点计算机中的TT信息同时到达时是重要的。
为保证在TT星形耦合器的暂时故障后，全球时间、TT信息的所有丽SZPKT以及用 以识别预期在端口接收到的以太网信息的故障所需的所有特性都在TT星形耦合器的智能 端口 121、122、123于TT星形耦合器中预先指定的重启时间内再次出现，全球时间和TT信 息特性被从一个或多个服务节点周期性地发送到TT星形耦合器。TT星形耦合器101周期 性地传递全球时间至直接给其指定的节点计算机111、112、113，以致节点计算机可与全球 时间同步。 在分布式实时系统内，各部节点计算机Hl、112和113以及星形耦合器101形成 故障容纳单元(FCU)，即它们仅在FCU结果内显示故障(软件或硬件)的即时后果。FCU可 通过故障信息(在数值或时间范围内)间接地对通信系统和其他节点计算机有不利影响。 因此有故障的FCU必须被隔离。如果仅节点计算机111、112、113的其中一个有故障，则在 通常情况下，不能对有故障的节点计算机的状态做出假定。因此，故障隔离仅可在两个独立 FCU存在时实现， 一个FCU(如节点计算机111)显示了故障状态，而独立的第二 FCU(如TT 星形耦合器IOI)识别出此故障状态并阻止故障传播。与本发明对应，在可信任(trusted) 单元和不可信任(nottrusted)单元间作出了区分。假定星形耦合器101和TT以太网服务 节点是可信任的，而节点计算机111、112、113通常是不可信任的。可信任的星形耦合器101 防止节点计算机111、112、113的故障在硬件还是软件中、是意外的还有有意的(安全性的 缺陷)对无故障节点计算机的TT信息传输的时间特性有不利的影响。为防止恶意发送者 能把错误的TT信息特性发给TT星形耦合器，这些信息特性以加密编码的形式从TT服务节 点传输到TT星形耦合器。 如果在智能端口 121中进一步预先处理信息，则这一预先处理的WCET (最差执行 时间)是被包含在KNSZPKT 201和丽SZPKT 202之间的时间差距的排程中。这一预先处理 可以是信息内容在智能端口 121中的编码或者是通过检查信息内容的谓词以减低节点计 算机111所导致的数值范围的错误的故障传播的可能性。此外，带有起始时间210和结束时 间211的预期接收的窗口可在信息排程中预先确定，以致可通过独立的TT星形耦合器101的端口 121识别模式计算机111的时间范围内的故障。如果故障被端口 121识别，则端口 121会把ET诊断信息发送给诊断计算机。由于节点计算机lll和指定端口 121被设置在两 个独立的故障容纳区(Fault Containment Region)中，所以就排除了仅一个故障源就引起 故障且同时关闭故障检测的情况。因为这个原因，在指定智能端口 121处观察节点计算机 111的状态是检测故障[3]特别有效的方法。 指定给节点计算机的智能端口 (如与节点计算机111有关的端口 121)可在到达 的TT信息被发送入网络之前用密码进行编码。端口 121必须相应地在信息被传送到节点 计算机111之前对从该网络到达的所有编码信息进行解码。TT信息的编码和解码的管理与 被编码的ET信息一起进行。 图3显示了时间触发(TT)以太网信息的可能结构。域301-305和域310-312在 以太网标准[5]中是被预先决定的。与IEEE以太网标准管理一致，在标签类型域305内， 所有协议特定的TT以太网信息都包含位元模式88d7，以能够清楚地识别全球的每个TT以 太网信息。可选择描述应用信息与TT信息的时间关系，因而可设有确切限定的时间状态。 这些信息保留了已预先限定的标签类型域。作为例子，图3在本发明的可能但并非唯一可 能的实施例中提供了两字节TT控制域306。域306的第一字节包含该TT信息的控制信息， 如TT信息是否同步信息。通过TT控制域306中的另一比特，在信息是周期性TT信息或者 是偶发性(sporadic)TT信息之间作出区分。周期性TT信息在指定给这类TT信息的每个 时期内发出。偶发性TT信息不在指定给这类TT信息的每个时期内发出。当周期性TT信 息被接收处节点解释成为作为发送处节点的重要符号时，其故障意味着发送处的暂时性或 永久性的故障，而偶发性TT信息不是这种情况。 域306的第二字节包含TT以太网信息的长度，TT以太网信息的长度以8字节为 单位。域307(周期ID)以16比特的层位设定在全球时间中当前周期的位置。由节点计算 机的系统时间解读的KNSZPKT 201被包含在域307中。由TT星形耦合器的系统时间解读 的网络发送时间丽SZPKT 202被包含在域308中。丽SZPKT还清楚地定义了 TT以太网信息 的类型，即信息ID。如上文已提到的，所有TT信息的网络发送时间丽SZPKT 202必须由排 程器排程，以致在预定的TT网络中没有TT信息的冲突。作为对比，有可能多部节点计算机 可在同一 KNSZPKT 201在给其指定的TT星形耦合器的端口发出其TT信息。
最后再一次概括本发明的目的透过多部节点计算机利用一个或多个通信通道以 TT以太网信息通信去提高分布式实时计算机系统使用以太网控制器商品时有用数据的效 率和安全性。为达到这一目标，在信息的节点计算机发送时间(KNSZPKT)和网络发送时间 (丽SZPKT)作出区分。由发送节点计算机的的系统时间解读的KNSZPKT必须适时地存在于 丽SZPKT之前，以致于无论如何(也就是，即使节点计算机和TT星形耦合器的系统时间位于 精确度差距的极限)，信息的起始处都在由TT星形耦合器中的系统时间解读的丽SZPKT时 已到达TT星形耦合器。建议调校TT星形耦合器，以致从节点计算机到达的信息在TT星形 耦合器的智能端口中被延迟直至丽SZPKT，以能够恰好在丽SZPKT把其发送入TT网络。
本发明的上述具体实施例仅代表本发明很多实施的可能性中的一种。
引用专利 发表于1989年12月12日的第US 5， 694， 542号专利备有实时精确节点同步的 松散式耦合的分布式计算机系统。
1996年12月18日的第EP 0 658 257号专利用于传输信息的通信控制单元和 方法。 2003年4月16日的第EP 1 222 542号专利带有集成保护装置的信息分配器装置。 2005年5月10日的第EP 1 512 254号专利时间触发(TT)以太网。 其他参考文献 IEEE以太网标准802. 3， URL :http:〃standards. ieee. org Kopetz， H. (1997)。分布嵌入式应用的实时系统和设计原理；ISBN :
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权利要求
一种在分布式实时计算机系统中传输TT以太网信息的通信方法，该系统包括多部节点计算机(111，112，113)，其中每部节点计算机带有至少一个以太网控制器，该以太网控制器通过数据线直接与被明确地分配给该节点计算机的时间触发星形耦合器(101)的端口(121，122，123)连接，并且多个时间触发星形耦合器可直接或间接通过一条或多条数据线(100)互相连接以形成封闭的时间触发网络，其特点在于网络发送时间(309)通过排程器被预先分配给各个TT以太网信息，其中TT星形耦合器的端口(121)把从节点计算机(111)到达的TT以太网信息延迟至其系统时间中这类TT以太网信息的下一网络发送时间，并且端口(121)正是在这一网络发送时间把该TT以太网信息发送入该TT网络或在始于这网络发送时间向上的确实限定时段内把该TT以太网信息发送入该TT网络。
2. 按照权利要求l所述的通信方法，其特点在于周期性节点计算机发送时间(308)通 过排程器被预先分配给一类TT以太网信息，节点计算机发送时间由发送节点计算机的系 统时间解读并且设定了信息从节点计算机到TT星形耦合器的指定端口的预定发送时间， 其中节点计算机发送时间和网络发送时间之间的时间差距必须大于节点计算机的系统时 间和TT星形耦合器的系统时间之间的时间同步的精确度加上自主TT星形耦合器端口中该 信息的第一比特的传递持续时间和TT以太网信息的可选预先处理持续时间的两倍，以致 于在网络发送时间前，信息的起始处及时地准备好以传输入TT网络，从而整个信息在适当 时候不停地候命以进一步连续不断地传输入TT网络。
3. 按照权利要求l所述的通信方法，其特点在于周期性网络发送时间(308)被包含在 接收到的TT信息中。
4. 按照权利要求l-3所述的通信方法，其特点在于周期性节点计算机发送时间(309) 被包含在TT信息中。
5. 按照权利要求1-4中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于TT星形耦合器的 智能端口从独立的TT以太网服务节点接收全球时间以及在指定时间范围内的、预期在端 口的TT信息的特性，并且动态地检验到达的TT信息是否与这些预先指定的特性相对应。
6. 按照权利要求1-5中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于TT星形耦合器的 智能端口动态地检验预期在端口的TT信息的指定数值范围内的特性以及到达的TT信息是 否与这些预先指定的特性相对应。
7. 按照权利要求5或6所述的通信方法，其特点在于TT星形耦合器的智能端口周期性 地从一个或多个独立的TT以太网服务节点接收全球时间以及将要接收到的TT信息的指定 特性，以致在TT星形耦合器的暂时故障之后的一段时间内，TT星形耦合器再次具有全部要 达到故障检测所需的状态的资讯。
8. 按照权利要求5-7中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于独立的TT以太网 服务节点把TT信息特性以加密编码形式传输到TT星形耦合器的端口 。
9. 按照权利要求1-8中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于如果到达的TT信 息的一个或多个指定特征违反了时间范围或数值范围，则TT星形耦合器的智能端口发送 ET以太网信息至诊断计算机。
10. 按照权利要求1-9中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于TT星形耦合 器(101)周期性地把全球时间发送给与TT星形耦合器直接相连的节点计算机(121,122，123)。
11. 按照权利要求1-10中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于TT星形耦合器 的智能端口把到达的TT信息进行加密编码。
12. 按照权利要求1-11中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于直接分配给节 点计算机的TT星形耦合器的智能端口在信息被发送给节点计算机之前把从网络到达的信 息解码。
13. 按照权利要求11或12所述的通信方法，其特点在于TT信息编码或解码的编码管 理所需的资讯以加密的ET信息传输。
14. 按照权利要求1-13中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于在预知TT信息 的将来的网络发送时间的基础上，TT星形耦合器适时地为预期的TT信息清空在TT星形耦 合器和节点计算机之间传输TT信息所需的传输通道。
15. 按照权利要求1-14中的一个权利要求所述的通信方法，其特点在于在周期性和偶 发性(sporadic)TT信息之间作出区分。
16. —种在按照权利要求1-15的通信方法中计算TT信息的发送时间的方法，其特点在 于在第一个阶段，将TT星形耦合器系统时间的良好的精确度纳入考虑，计算所有TT信息的 网络发送时间的无时间冲突的排程，以及在第二阶段，基于该时间排程，确定节点计算机要 发送的TT信息的节点计算机发送时间，其中将每个单个节点计算机的个别精确度以及在 TT星形耦合器的端口中指定给该信息的可选的信息预先处理纳入考虑。
17. TT以太网服务节点计算机，其特点在于其在线并动态地完成权利要求16所述的方法。
18. 按照权利要求1-15中一个权利要求所述的通信方法中的用于传播以太网信息的 TT星形耦合器，其特点在于TT星形耦合器包括中心开关(102)和多个智能端口 (121,122， 123)，其中每个智能端口 (121,122,123)包含带有其自有的CPU和存储器的自主的智能子 系统，并且这些子系统被另外设置以并行处理到达的以太网信息。
19. 按照权利要求18所述的用于传播以太网信息的TT星形耦合器，其特点在于组成 TT网络的所有TT星形耦合器的时间系统以高度精确的方式同步。
20. —种用于传播TT以太网信息的TT星形耦合器，其特点在于TT星形耦合器实行权 利要求1-15中规定的一个或多个处理步骤。
全文摘要
本发明的目的是透过多部节点计算机利用一个或多个通信通道以TT以太网信息通信去提高分布式实时计算机系统使用以太网控制器商品时有用数据的效率和可靠性。为达到这一目标，在信息的节点计算机发送时间(KNSZPKT)和网络发送时间(NWSZPKT)之间作出区分。由发送节点计算机的系统时间解读的KNSZPKT，必须及时地存在于NWSZPKT之前，以致于无论如何(也就是，即使节点计算机和TT星形耦合器的系统时间位于精确度差距的极限)，信息的起始处都在由TT星形耦合器中的系统时间解读的NWSZPKT时已到达TT星形耦合器。建议调校TT星形耦合器，以致从节点计算机到达的信息在TT星形耦合器的智能端口中被延迟直至NWSZPKT，以能够恰好在NWSZPKT把其送入TT网络。
文档编号H04L12/417GK101707954SQ200880019119
公开日2010年5月12日 申请日期2008年4月7日 优先权日2007年4月11日
发明者冈瑟·鲍尔, 威尔弗里德·施泰纳, 布伦达·霍尔, 赫而曼·高柏兹, 迈克尔·珀利什, 马蒂亚斯·韦希特尔 申请人:Fts电脑技术有限公司