JP2006523046A - 複数のパケットネットワークを通じたクロックの調整 - Google Patents

Abstract

複数のネットワークを通じてクロックを調整する方法であって、ネットワークを通じて送り元ノードと送り先ノードとの間で送り元ノードのソースクロックに基づくタイミング情報を伝達する、タイムスタンプが付加されたパケットを伝送する処理と、所定のトラフィック密度に関して、複数のノード上で予測される遅延を決定する処理と、送り元ノートと送り先ノードとの間で、決定された予測される遅延が所定の許容範囲のパラメータの中でクロック復元を可能にするものである少なくとも１つの中間ノードを特定する処理と、復元された中間のクロック信号を生成するために、少なくとも１つの中間復元ノードにおいてソースクロックを復元する処理と、復元された中間のクロック信号から、それに基づくタイミング情報を伝達する、新しいタイムスタンプが付加されたパケットを生成する処理と、タイムスタンプが付加されたパケットを送り先ノードに送信する処理とを有する。

Description

本発明は、デジタル通信の分野に関係する。更に明確には、本発明は、複数のパケットネットワークを通じてクロックを調整する方法に関するものである。

本出願は、米国特許法（３５ ＵＳＣ）の１１９条（ｅ）に基づいて、参照されることによりここに組み込まれている、２００３年０２月２０日に出願された米国仮特許出願第60/448,740号に対する優先権を主張する。

音声、またはビデオのような時間依存のデータがイーサネット（登録商標）ネットワークのような非同期パケットネットワークを通じて伝送されるとき、遠端（信号受信端）においてローカルクロックを生成するために、いくつかの方法が使用されなければならない。現在のところ、クロック信号をパケットネットワークを通じて伝送するために、いくつかの方法が存在する。そのような方法は、２重通信方式の接続を利用する処理と、パケットネットワークを通じた遅延が事実上相称的であると仮定する処理と、単信方式の接続の遅延を平均化する処理と、各受信ノードが共有されたイベントを検出する検出機構を使用する処理とを有する。

多数のネットワークに関してそのようなアプローチの性能を最適化する多くの方法が記述されるとは限らない。もしネットワークの数が増える場合、潜在的な問題の数は非常に増加する。ネットワークの数が増加するに従って、一般的に発生する問題の可能性は指数曲線に従って増大する。

複雑なパケットネットワーク環境において、クロック信号を伝送することは、些細なことではない。クロックは、絶対的時間に存在する物理的信号であると共に、パケットネットワークは、できる限り時間依存性をほとんど持たないように設計される。複雑なパケットネットワークにおけるリアルタイム性能の欠如は、基準に合ったクロック復元を実行することがほぼ不可能になるような複雑な動作に達し得る。複雑なパケットネットワークにおける遅延変化量は、一般的に入力から出力までの間で、各‘ホップ’の分だけ更に大きくなる。

審理中の規格ＩＥＥＥ１５８８は、“バウンダリクロック（boundary clocks）”を使用する“分割統治法（divide and conquer）”アプローチを開示する。これらのクロックは、これらのサブドメイン、ルータをつなぐ標準の要素が遅延の原因とならないような方法で、サブドメインの間の境界を横断することを目的としている。規格において、これは、そのようなバウンダリクロックが必要ではない交換機と比較して対比される。

ＩＥＥＥ規格によれば、これは、交換機がルータよりはるかに小さな遅延時間を備えているという事実と関係がある。それはかつて本当であったかもしれないが、現代のルータは交換機の性能と同程度の性能を備えると共に、双方とも、より古いルータほど大きくはないが現代の通信環境においてはかなり大きいとみなされる遅延を付加する。当然の如く、ＩＥＥＥ１５８８規格において提案されたアプローチは、複数の交換機だけから構成される複雑なパケットネットワークが、遅延問題をまだ付加し得るか、あるいはその規格が、時間経路を更に短くすることによって遅延を最小限にすることを除いて、バウンダリクロックにおいて何が実行されるべきであるかを示さないという事実を考慮していない。

連結された交換機、及びルータの問題は、深刻な遅延なしで通過するタイミングトラフィックの可能性が一層小さくなることである。もし単純化されたモデルにおいてトラフィック密度が一定であるとみなされる場合、ネットワークを通過するパケットによって経験された現実の遅延は、遅延要素、またはホップの数の関数となる。実際の遅延は、（送信側及び受信側双方の）プロトコルスタックの処理、交換機内の入力待ち行列、交換機内の出力待ち行列、（送信側及び受信側双方の）他の管理上のタスク、場合によっては回線の競合などによる遅延の連結である。簡単なアプローチにおいて、全てのノード上の一定の平均トラフィック密度を仮定すると共に、その後システムにおける障害に関して性能を評価することは好ましいことである。

中間ノードの物理的ドメインにおける使用のための物理的信号を抽出するために、中間ノードにおいてクロック復元を実行するということが知られている。

開示されたものは、ノード及びネットワークをその間にブリッジ機能を有するクラスタに形成することによって最適化され得る新しい方法である。開示されたシステムは、タイムスタンプを付加されたパケットが送り元と送り先との間で伝送されるパケットネットワークにおいてクロック復元を提供する。パケットネットワークは、物理的信号と関連付けられない。システムは、しかしパケットとデータを伝送するために使用されるクロックとの間のいかなるハードリンク（hard link）もなく、物理的レベルを使用することができる。

従って、１つの特徴によれば、本発明は、異なるクロックドメインを有する複数のネットワークを通じてクロックを調整する方法を提供する。方法は、前記ネットワークを通じて、送り元ノードと送り先ノードとの間で、前記送り元ノードのソースクロックに基づくタイミング情報を伝達する、タイムスタンプが付加されたパケットを伝送する処理と、所定のトラフィック密度に関して、複数のノード上で予測される遅延を決定する処理と、前記送り元ノートと前記送り先ノードとの間で、前記決定された予測される遅延が所定の許容範囲のパラメータの中でクロック復元を可能にするものである少なくとも１つの中間ノードを特定する処理と、復元された中間のクロック信号を生成するために、前記少なくとも１つの中間復元ノードにおいて前記ソースクロックを復元する処理と、前記復元された中間のクロック信号から、前記復元された中間のクロック信号に基づくタイミング情報を伝達する、新しいタイムスタンプが付加されたパケットを生成する処理と、前記新しいタイムスタンプが付加されたパケットを送り先ノードに送信する処理とを有する。

本発明の実施例の他の特徴、及び利点は、以下の説明を検討することにより、当業者には容易に明白になる。

本発明の実施例は、添付図面を参照して、これから説明されることになる。

本発明は、実例となることだけを意図される例として理解されたある特定の代表的な実施例の構成要素、装置、及び工程段階に関して、これから詳細に説明されることになる。特に、本発明は、具体的にここに列挙される方法、構成要素、状態、処理パラメータ、装置等に限定されることを意図していない。

本発明は、パケットネットワークにおいて遅延が発生しない可能性を、与えられたトラフィック密度に関するホップの数の関数として考察することによって、最もよく理解され得る。もし平均トラフィック密度が“Ａ×１００［％］”であると共に、ホップの数が“Ｎ”である場合、第１次アプローチにおいて、１つのホップにおいて遅延を受ける可能性は“Ａ”であり、遅延を受けない可能性は“（１−Ａ）”である。従って、“Ｎ”個のホップが遅延を付加しない可能性は、その場合に“（１−Ａ）^Ｎ”である。

図１は、様々なトラフィック密度に関して遅延を受けないトラフィックの可能性を示す。少数のホップ、または、非常に低いトラフィック密度に関する曲線のみが許容範囲の結果を示すということが理解されることになる。トラフィック密度は、完全に専用であるネットワークによって低い状態に維持されるだろうが、しかし、パケットネットワークの値が、全てのトラフィックに対して１個のプラットホームの使用を可能にすることによるコスト削減の可能性をもたらすので、それは重要ではない。

グラフ上で欠けている要素は、遅延の実際の大きさである。もし遅延が非常に小さかった場合、累積された遅延がまだ小さいので、遅れたパケットの可能性は影響を及ぼさない。しかしながら、実際には、遅延は実は非常に大きい。例えば、１００［Ｍｂｉｔ／ｓ］イーサネット（登録商標）における最小のサイズで分類された長さ８４バイトのパケットの場合において、そのようなパケットの時間長は、６．７２［μｓ］であると共に、平均時間長はその値の半分、すなわち３．３６［μｓ］である。ノードあたりの平均的に予測される遅延は“３．３６［μｓ］×トラフィック密度”であると共に、累積された平均的に予測される遅延は、その値のＮ倍である。これは、図２において示された状態をもたらす。

大部分のアプリケーションにおいて、むしろ予測される遅延変化量の平均が重要であって、実際の平均遅延はそれほど重要ではない。もしネットワークに関するトラフィックが擬似ランダムである場合、その場合に、ノイズ信号のようにそれらの遅延が不規則に加算されるので、これは、平方根関数として更に作用することになる。これは、平均の増加よりも幾分少なく変化量を増加させることになるが、しかし、他の係数は、変化量を更に悪くするであろう。その密度は、ネットワーク上において一定ではない。実際には、恐らく遅延分散を支配することになる１つまたは２〜３の障害が現れるであろう。これは、事実上ノードの数に対する平方根動作を不能にする。従って、予測される実際の数値は、はるかに悪くなる。更に大きなネットワークは、通常は最小の長さのパケットだけで満たされることはない。同様に発生する標準的な長さは、約２０倍長いと共に、従って２０倍悪い性能をもたらす。その遅延は、１００マイクロセカンド代の範囲にある。

もしクロックが、“Bellcore 1244”、及び“Bellcore 253”のような関連する規格において定義されるようなクロックとして使用される場合、関連する対象の数値は、全ての状態下の最も悪いケースで、約２０［ｎｓ］であろう。従って、一般的に遅延において予測されるものと、望まれるものとの間の格差は、少なくとも１０００程度の係数となる。

問題対対象物の比率である係数１０００が、最も遅い応答速度と比較し必要とされる測定スピードとして係数１０００^２をもたらすので、通常の平均値算出の技術は、問題を引き起こす。遅延は、事実上擬似ランダムであり、平均値算出は極めて効果的ではない。従って、非常に大きい係数は、魅力的ではないか、または可能性の高い有効速度の減少としてみなされなければならない。クロックの安定性は、非常に高いことが必ず必要とされる。ノードの数によって‘悪くない場合’の数が急速に減少するので、‘悪い場合’の自動的な検出によってサンプルを読み飛ばすことが同様に妨害される。

本発明の原理に従って、クロック復元は、性能がまだある限界を越えて悪化しなかった選ばれた地点で達成される。パケットが大幅に遅れないという可能性を利用することで本当に速く成果を上げることができる、ということがグラフから明白になる。

例えば、クロック復元地点の間で、９個のノードではなく、３個のノードを使用することは、６８［％］のトラフィック密度に関して、１０００の係数の改良点をもたらすことができると共に、一方平均遅延は係数“３”によってのみ減少する。（既知の）トラフィック密度を利用することは、信号の擬似ランダム性を利用するよりはるかに速く成果を上げる。

クロック復元地点を有することは、ここでは２つの目的にかなう。ＩＥＥＥ１５８８において既に示されたように、クロック復元地点は、サブドメインマスタ（subdomain master）として使用され得る。これは、図１において示されたグラフを徹底的に変更する。例えば、もし３個のノード毎の後でそのクロックが復元される場合、次のホップに関する遅延の可能性は、１つのホップの標準値に‘リセット’される。すなわち、可能性の連鎖は、クロック復元の地点において切れている。この効果は、図３において示される。クロック復元地点は、クロックを復元するために使用され得ると共に、クロックを復元するために使用されるべきである。

統計の性質における利益が、ここで明白になる。残存しているクロックの不正確性の少なくとも一部を抑制することによって、問題が加算する機会を有する前に、効果的動作がきれいにされる。抑制は、実際の復元が実行されない更に長い軌跡より短い軌跡の場合において、ホップの以前の軌跡に関して更に容易に最適化され得る。例えば、もしクロック復元がローパスフィルタを使用する場合、効果的動作はあまり急変せず、全く滑らかである。もし次のホップがそれ自身の急変する動作を付加する場合、特に次のホップに対して平滑化されたクロックを使用することははるかに良い。

各復元は、復元の一部として持ち越し（HOLDOVER）機能を備えているべきである。持ち越しモードにおいて、クロックは、最後の既知の周波数に設定されると共に、フリーラン状態（free-running condition）において、この周波数で維持される。クロックを軌道に乗った状態に維持するために、これは、不十分なデータが有効になる瞬間に発生する。更に小さな軌跡において持ち越しが使用される時間は、更に長い軌跡に関して使用される持ち越し時間より少ないであろう。これは、著しく深刻な問題の可能性を減少することになる。

全体が５つの交換機の働きをするように、４個の交換機、及び恐らく別の交換機としてモデル化されるべきである１個のバウンダリクロックに対するＩＥＥＥ１５５８の簡単な使用を考察する。各交換機が平均５［μｓ］の遅延を付加すると仮定すると、その場合に、全体の平均遅延は２５［μｓ］となる。各交換機が復元方法を使用すると共に、各ホップについて係数“１００”によって遅延を短縮すると仮定する。その場合に、第１のホップは、“５［μｓ］／１００＝５０［ｎｓ］の誤差となるであろう。次のホップは、第１の交換機の後の性能よりほとんど悪くない“（５［μｓ］＋５０［ｎｓ］）／１００＝５０．５［ｎｓ］の誤差となるであろう。この方法の繰り返しによって、カスケードに関する不利益な条件が、ホップの無限数に対する全体の性能低下係数によって与えられ得るということが理解されることになる。例えば、もし復元が改良の係数“２”をもたらす場合、全体の動作は、“１＋１／２＋１／４＋１／８＋・・・＝２”となるであろう。係数“２”は、ホップ当たりの対象数としてはあまり良くないが、しかし、その場合にさえ、５個のホップに対する性能は、“５／２＝２．５”の係数によって向上する。

要するに、提案は、ＩＥＥＥ１５８８において定義されるトラフィック検出においてだけでなく、同様に実際のジッタの抑制によるトラフィック検出において、クロックの復元地点を有することである。ジッタの抑制は、前のエラーの影響が行き詰まる（と共に、その後解決できない状態になる）前に、エラーの影響を消すために使用され得る。そして、もしエラーの影響が大きくなりすぎる場合、その場合に、全体のエラーが、可能な限りすぐに、そして時間通りに抑制されるように、各復元地点において“持ち越し”を使用する（と共に、エラーに影響されないようになる）。

図４は、本発明の原理に従って異なるクロックドメインを有する複数のネットワークを通じてクロックを調整するためのシステムの一実施例を説明する。送り元ノード１０において、ソースクロックは、一般的に水晶発振器２０によって生成されたローカルクロック信号を備えている。イベントジェネレータ２２は、ソースノードから少なくとも１つの受信ノードに対してパケットを伝送する。イベントジェネレータは、タイムスタンプ付加装置２４を備える。パケットは、ソースクロックに基づいてタイムスタンプが付加される。タイムスタンプを付加されたパケットは、ネットワークと交差する少なくとも１つの中間の復元ノード１４を経由して、ネットワークを通じて送り元ノード１０から送り先ノード１６に対して伝送される。ソースクロックは、少なくとも１つの中間ノードで復元される。復元のために選ばれた中間ノードは、決定された予測される遅延が、例えば事前に定義された許容範囲のパラメータの中でクロック復元を可能にするという確認に基づいている。ソースクロックは、位相ロックループを使用する物理的クロック復元によって、復元地点において復元されることができる。中間ノードの発振器２０を使用して、中間のクロック信号が生成される。新しいタイムスタンプを付加されたパケットが、中間のクロック信号から生成される。そして、新しいタイムスタンプを付加されたパケットは、送り先ノードへ向けて伝送される。

クロック復元の実施は、それぞれ、それら自身の魅力的である面、及びあまり魅力的でない面がある以下のような多くの方法で行われ得る。
−物理的ＰＬＬを備える実際の物理的復元。
−実際にはＰＬＬ（デジタルＰＬＬ）のように計算することが数値のみとして実行される数値計算法。
−物理的アプローチ及び数値的アプローチの組み合わせ。
数値計算システムにおいて、サンプル周波数が知られているとき、例えばローパスフィルタを構築することは、全く普通のことである。

与えられたホップのネットワークにおいて、このアプローチは、非常に都合が良い。
−ホップからホップまでのクロック復元は、完全に数値計算によって実行され得るか、またはローカルな物理的クロックが望まれるときには、物理的復元によって実行され得る。重なり合ったジッタを減衰させるために、効果的なローパス周波数がこの場所では魅力的である。
−物理的復元は、実際の物理的信号が必要とされるノードで行われ得る。なぜならば、このノードにおいて、信号はいずれにせよ正確な信号として出力されなければならないからである。
−物理的復元のローパス周波数をホップ対ホップ（hop-to-hop）のローパス周波数より幾分低く選択することは適切である。もしクロックが何度も復元されたとしても、最後のクロックは、最も低い周波数、ひいては支配的なローパス周波数を有していることになる。これは、出力の相対的な良い定義を与えることになる。同様に、地点間における影響は、それらが最後の復元地点によって減衰されることになるので、ほとんど目に見えない状態になる。
−従って、一般的な賢明な方法は、あるローパス周波数を有する数値的復元、及び幾分低いローパス周波数を有する最終の物理的復元を備えることである。ローパス周波数の間の一般的な係数は、５かそれ以上であろう。
−物理的モードと同様の数値モードにおいて、全てのノードは、持ち越しモードに切り替わることができるべきである。これは、制御機構を一時的に無効にすることによって、低下させられた状態を適切に受け入れる可能性を与える。持ち越しモードにおいて、クロックは、基準周波数の除去後において最後に受信された基準周波数で動作し続けることになる。

添付された特許請求の範囲において定義されたように、発明の精神、及び範囲からはずれずに、多数の変形が実行されることができる。

遅延なしの可能性をホップ及びトラフィック密度の数の関数として示すグラフである。 予測される遅延をホップの数の関数として示すグラフである。 各３番目のノード毎にクロック復元を行う場合の遅延なしの可能性をホップ及びトラフィック密度の数の関数として示すグラフである。 本発明の原理に従って異なるクロックドメインを有する複数のネットワークを通じてクロックを調整するためのシステムの一実施例の構成図である。

符号の説明

１０ 送り元ノード
１４ 中間の復元ノード
１６ 送り先ノード
２０ 水晶発振器
２２ イベントジェネレータ
２４ タイムスタンプ付加装置

Claims (5)

1. 異なるクロックドメインを有する複数のネットワークを通じてクロックを調整する方法であって、
   前記ネットワークを通じて、送り元ノードと送り先ノードとの間で、前記送り元ノードのソースクロックに基づくタイミング情報を伝達する、タイムスタンプが付加されたパケットを伝送する処理と、
   所定のトラフィック密度に関して、複数のノード上で予測される遅延を決定する処理と、
   前記送り元ノートと前記送り先ノードとの間で、前記決定された予測される遅延が所定の許容範囲のパラメータの中でクロック復元を可能にするものである少なくとも１つの中間復元ノードを特定する処理と、
   復元された中間のクロック信号を生成するために、前記少なくとも１つの中間復元ノードにおいて前記ソースクロックを復元する処理と、
   前記復元された中間のクロック信号から、前記復元された中間のクロック信号に基づくタイミング情報を伝達する、新しいタイムスタンプが付加されたパケットを生成する処理と、
   前記新しいタイムスタンプが付加されたパケットを送り先ノードに送信する処理と
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記ソースクロックが、前記復元地点において、位相ロックループを使用する物理的クロック復元によって復元される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ソースクロックが、前記復元地点において、数値計算法によって復元される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ソースクロックが、前記復元地点において、物理的クロック復元と数値計算法との組み合わせによって復元される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 各復元が、復元の一部として持ち越し機能を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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