JP2013098788A

JP2013098788A - 時刻同期システムおよび時刻同期方法

Info

Publication number: JP2013098788A
Application number: JP2011240436A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Iwashita; 秀徳岩下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】時刻同期ネットワーク上でクライアント装置が独立した時刻同期ネットワークを構築する際に、クライアント装置間で高精度な時刻同期を確立する。
【解決手段】時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰの時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期システムにおいて、２つのクライアント装置にそれぞれ接続される転送装置のうち、クライアント装置に時刻同期パケットを出力する側の転送装置で、時刻同期ネットワークを介して転送される時刻同期パケットの双方向の遅延時間Δｔを調整して等しくし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、時刻同期ネットワークを介して接続される装置間において、時刻同期パケットを転送して高精度な時刻同期を行う時刻同期システムおよび時刻同期方法に関する。

パケットネットワークを経由して接続される通信システムにおいて高品質な通信やサービスを提供するためには、ノード間の絶対時刻を合わせる時刻同期は重要な技術である。一般に、パケットネットワークを経由して接続されるノード間で高精度な時刻同期を行うプロトコルとして、ＰＴＰ（Precision Time Protocol ）が知られている（非特許文献１）。

図３は、ＰＴＰネットワークの構成例を示す。
図３において、ツリー状に構成される各ノードは、マスターＭとスレーブＳの関係で順次接続され、ＰＴＰに基づいて時刻同期がとられる。ただし、マスターＭとスレーブＳが時刻を同期させる際、双方向（マスターＭからスレーブＳ、スレーブＳからマスターＭ）の時刻同期パケットの遅延時間の差によって同期精度が変化する。

図４は、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す。
図４において、マスターＭの時刻ｔ_MとスレーブＳの時刻ｔ_SのずれであるOFFSETは、一般に次式で表される。
OFFSET＝ｔ_S−ｔ_M …(1)

マスターＭからスレーブＳへ送信される時刻同期パケット（Syncパケット）には、送信時刻ｔ_M1が付与される。この送信時刻ｔ_M1、スレーブＳの受信時刻ｔ_S2、遅延時間Ｄ_M/Sは、次の関係が成り立つ。
ｔ_S2＝ｔ_M1＋OFFSET＋Ｄ_M/S …(2)

スレーブＳからマスターＭへ送信される時刻同期パケット（Delay Req パケット）の送信時刻ｔ_S3、マスターＭの受信時刻ｔ_M4、遅延時間Ｄ_S/Mは、次の関係が成り立つ。
ｔ_M4＝ｔ_S3−OFFSET＋Ｄ_S/M …(3)

マスターＭからスレーブＳへ送信される時刻同期パケット（Delay Respパケット）には、時刻同期パケット（Delay Req パケット）の受信時刻ｔ_M4が付与される。

ここで、双方向の遅延時間Ｄ_M/S、Ｄ_S/Mが等しいと仮定すると、
Ｄ_M/S＝Ｄ_S/M …(4)
となり、スレーブＳでは、 (2)式〜 (4)式に基づいてOFFSETを次式により計算できる。
OFFSET＝((ｔ_S2−ｔ_M4) − (ｔ_M1−ｔ_S3))／２

このようなＰＴＰの時刻同期確立シーケンスは、双方向の遅延時間が等しい場合は成り立つが、途中にパケット転送装置等を経由している場合、双方向の遅延時間は異なるため誤差が生じる。双方向の遅延の差によって生じる誤差を解決するためにIEEE 1588 では、さらにTransparent Clock が定義されている。

Transparent Clock には、End to End Transparent Clockと、Peer to Peer Transparent Clockがある。End to End Transparent Clockは、図５に示すように、時刻同期をとるマスターＭとスレーブＳとの間に配置される各転送装置の入力部および出力部にタイムスタンプ付与機能Ｔを設置し、各転送装置のパケット通過時間を計測して補正する方式である。Peer to Peer Transparent Clockは、図６に示すように、隣接する転送装置がマスターＭとスレーブＳの関係になって時計を合わせていく方式である。

IEEE Std 1588TM-2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems ）

図７は、時刻同期ネットワークに接続されるクライアント装置の時刻同期構成を示す。
図７において、時刻同期ネットワーク１０は、時刻同期サーバ１１のグランドマスターＭから時刻同期装置１２，１３のスレーブＳに時刻情報が供給され、時刻同期装置１２，１３のマスターＭから転送装置１４，１５に時刻情報が供給され、ネットワーク全体で時刻同期がとられる。転送装置１４に接続されるクライアント装置１６には、時刻同期装置１２から転送装置１４を介して時刻情報が供給される。転送装置１５に接続されるクライアント装置１７には、時刻同期装置１３から転送装置１５を介して時刻情報が供給される。これにより、クライアント装置１６，１７は、時刻同期サーバ１１のグランドマスターＭの時刻同期精度と同等の時刻同期が可能となる。

一方、図８に示すように、時刻同期ネットワーク１０の転送装置１４に接続されるクライアント装置２１がＰＴＰのグランドマスターＭを所有し、転送装置１５に接続されるクライアント装置２２との間で時刻同期を確立したい場合、時刻同期ネットワーク１０で時刻同期が確立できていたとしても、時刻同期ネットワーク１０を転送する際に時刻同期精度が劣化する。

ここで、時刻同期ネットワーク１０の時刻同期は、時刻同期サーバ１１のグランドマスターＭに各転送装置が同期しているため、クライアント装置２１，２２間の時刻同期において、上記のPeer to Peer Transparent Clockを使用できない。

また、クライアント装置２１，２２間の時刻同期において、上記のEnd to End Transparent clockで時刻同期をとる場合にも、２つの課題がある。

第１は、下りルートと上りルートが異なった場合（上りと下りの伝送距離が異なった場合）、遅延時間が非対称になることである。End to End Transparent clockは、各転送装置の処理時間を計算する方式であるため、転送装置間でルートが異なった場合の補正は不可能である。

第２は、時刻同期ネットワークを構成する全ての転送装置にタイムスタンプを打刻して処理時間を計算する仕組みが必要になる。

本発明は、時刻同期ネットワーク上でクライアント装置が独立した時刻同期ネットワークを構築する際に、クライアント装置間で高精度な時刻同期を確立することができる時刻同期システムおよび時刻同期方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期システムにおいて、２つのクライアント装置にそれぞれ接続される転送装置のうち、クライアント装置に時刻同期パケットを出力する側の転送装置で、時刻同期ネットワークを介して転送される時刻同期パケットの双方向の遅延時間Δｔを調整して等しくし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う構成である。

第１の発明の時刻同期システムにおいて、一方の転送装置は、一方のクライアント装置から送信された時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信する構成であり、他方の転送装置は、一方の転送装置から時刻同期ネットワークを介して転送された時刻同期パケットを受信し、それに付与された受信時刻ｔ₁から所定の遅延時間Δｔが経過したときに、時刻同期パケットを他方のクライアント装置に送信する構成であり、一方の転送装置、時刻同期ネットワーク、他方の転送装置を介して接続される２つのクライアント装置間の双方向の遅延時間Δｔを等しくしてＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う。

また、第１の発明の時刻同期システムにおいて、一方の転送装置は、一方のクライアント装置から送信された時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信する構成であり、他方の転送装置は、一方の転送装置から時刻同期ネットワークを介して転送された時刻同期パケットを受信し、それに付与された受信時刻ｔ₁と当該第２の転送装置の受信時刻ｔ₂から時刻同期ネットワークの遅延時間Δｔを算出し、その遅延時間Δｔを付与した当該時刻同期パケットを他方のクライアント装置に送信する構成であり、一方の転送装置、時刻同期ネットワーク、他方の転送装置を介して接続される２つのクライアント装置のそれぞれで、遅延時間Δｔを考慮して時刻同期パケットの受信時刻を補正し、双方向の遅延時間の差を吸収してＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う。

第２の発明は、時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期方法において、２つのクライアント装置にそれぞれ接続される転送装置のうち、クライアント装置に時刻同期パケットを出力する側の転送装置で、時刻同期ネットワークを介して転送される時刻同期パケットの双方向の遅延時間Δｔを調整して等しくし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う。

第２の発明の時刻同期方法において、一方の転送装置は、一方のクライアント装置から送信された時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信し、他方の転送装置は、一方の転送装置から時刻同期ネットワークを介して転送された時刻同期パケットを受信し、それに付与された受信時刻ｔ₁から所定の遅延時間Δｔが経過したときに、時刻同期パケットを他方のクライアント装置に送信し、一方の転送装置、時刻同期ネットワーク、他方の転送装置を介して接続される２つのクライアント装置間の双方向の遅延時間Δｔを等しくしてＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う。

第２の発明の時刻同期方法において、一方の転送装置は、一方のクライアント装置から送信された時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信し、他方の転送装置は、一方の転送装置から時刻同期ネットワークを介して転送された時刻同期パケットを受信し、それに付与された受信時刻ｔ₁と当該第２の転送装置の受信時刻ｔ₂から時刻同期ネットワークの遅延時間Δｔを算出し、その遅延時間Δｔを付与した当該時刻同期パケットを他方のクライアント装置に送信し、一方の転送装置、時刻同期ネットワーク、他方の転送装置を介して接続される２つのクライアント装置のそれぞれで、遅延時間Δｔを考慮して時刻同期パケットの受信時刻を補正し、双方向の遅延時間の差を吸収してＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う。

本発明は、時刻同期ネットワークにおける転送装置の時刻同期を利用し、時刻同期パケットの双方向の遅延時間が等しくなるように調整することにより、時刻同期ネットワークを介するクライアント装置間で高精度の時刻同期が可能になる。

転送装置では、時刻同期パケットを対向側クライアント装置に送出する際に、時刻同期ネットワークにおける遅延時間を一定にして送出することにより、双方向の遅延時間が等しくなってＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づいて高精度の時刻同期をとることができる。

また、転送装置では、時刻同期パケットを対向側クライアント装置に送出する際に時刻同期ネットワークにおける遅延時間を算出し、対向側クライアント装置でその遅延時間を考慮して受信時刻を補正することにより、双方向の遅延時間の差を吸収して等しくできるので、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づいて高精度の時刻同期をとることができる。

本発明の実施例１における時刻同期確立シーケンスを示す図である。本発明の実施例２における時刻同期確立シーケンスを示す図である。ＰＴＰネットワークの構成例を示す図である。ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す図である。 End to End Transparent Clockを説明する図である。 Peer to Peer Transparent Clockを説明する図である。時刻同期ネットワークに接続されるクライアント装置の時刻同期構成を示す図である。時刻同期ネットワークに接続されるクライアント装置同士で時刻同期をとる構成を示す図である。

図１は、本発明の実施例１における時刻同期シーケンスの例を示す。本実施例は、図８に示す時刻同期ネットワーク１０の転送装置１４，１５に接続されるクライアント装置２１，２２間で時刻同期をとる例を示す。

図１において、時刻同期ネットワーク１０は時刻同期が確立できている。ただし、時刻同期ネットワーク１０を構成するすべての転送装置で時刻同期がとれている必要はなく、クライアント装置２１，２２と接続する転送装置（ＮＥ）１４，１５で時刻同期がとれていれば十分である。

クライアント装置２１のグランドマスターＭから送信される時刻同期パケット（Syncパケット）は、転送装置１４、時刻同期ネットワーク１０、転送装置１５を介してクライアント装置２２のスレーブＳに転送される。また、クライアント装置２２から送信される時刻同期パケット（Delay Req パケット）は、転送装置１５、時刻同期ネットワーク１０、転送装置１４を介してクライアント装置２１に転送される。このとき、各転送装置１４，１５では、時刻同期ネットワーク１０の遅延時間を考慮に入れ、時刻同期パケットの受信時刻から当該遅延時間より大きい一定時間Δｔの経過後（Δｔは双方向で同一の時間）に対向側クライアント装置に送出することにより、双方向の遅延時間を統一する。

以下、時刻同期ネットワーク１０における各転送装置１４，１５の具体的な処理手順を示す。

(1) 時刻同期ネットワーク１０の最大遅延等を考慮に入れ、読出し時間Δｔを決める。
(2) 転送装置１４，１５において、クライアント装置２１，２２から入力する時刻同期パケット（Syncパケット、Delay Req パケット）をフィルタリングする。

(3) 転送装置１４は、クライアント装置２１から入力する時刻同期パケット（Syncパケット）の受信時刻ｔ₁を計測し、時刻同期パケット自身に受信時刻ｔ₁を付与するか、別パケットに受信時刻ｔ₁を付与して送信する。

(4) 転送装置１５は、クライアント装置２２へ出力する時刻同期パケット（Syncパケット）をバッファリングし、転送装置１５における受信時刻ｔ₁と読出し時間Δｔから計算したクライアント装置２２への出力時刻ｔ₂（＝ｔ₁＋Δｔ）になるまで待たせる。

(5) 転送装置１５は、出力時刻ｔ₂になったら、クライアント装置２２へ時刻同期パケット（Syncパケット）を出力する。

クライアント装置２２から送信され、転送装置１５、時刻同期ネットワーク１０、転送装置１４を介してクライアント装置２１に転送される時刻同期パケット（Delay Req パケット）についても同様の処理を行う。これにより、時刻同期ネットワーク１０の遅延時間は上り方向、下り方向ともに遅延時間がΔｔとなる。すなわち、双方向の遅延時間の差が吸収されて等しくなるので、クライアント装置２１，２２間で、図４に示すＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づいて高精度の時刻同期をとることができる。

図２は、本発明の実施例２における時刻同期シーケンスの例を示す。
図２において、時刻同期ネットワーク１０、クライアント装置２１，２２と接続する転送装置１４，１５における前提条件は、実施例１と同様である。

(1) 転送装置１４は、クライアント装置２１から入力する時刻同期パケット（Syncパケット）に受信時刻ｔ₁のタイムスタンプを付与する。
(2) 転送装置１５は、クライアント装置２２へ出力する時刻同期パケット（Syncパケット）に付与されたタイムスタンプｔ₁と自装置の時刻ｔ₂により、時刻同期ネットワーク１０を通過する際にかかった遅延時間Δt₁₂（＝ｔ₂−ｔ₁）を計算し、時刻同期パケット（Syncパケット）に当該遅延時間Δt₁₂を付与して送信する。

(3) クライアント装置２２は、時刻同期パケット（Syncパケット）に付与された遅延時間Δt₁₂、すなわち時刻同期ネットワーク１０を通過する際にかかった滞留時間を考慮して受信時刻ｔ_S2をｔ_S2' に補正する。

クライアント装置１２から送信され、転送装置１５、時刻同期ネットワーク１０、転送装置１４を介してクライアント装置２１に転送される時刻同期パケット（Delay Req パケット）についても同様に、時刻同期ネットワーク１０における遅延時間Δt₃₄（＝ｔ₄−ｔ₃）を考慮して受信時刻ｔ_M4をｔ_M4' に補正する。この補正処理により、双方向の遅延時間の差を吸収して等しくできるので、クライアント装置２１，２２間で、図４に示すＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づいて高精度の時刻同期をとることができる。

従来のEnd to End Transparent Clockは、各転送装置の滞留時間を計算するために、すべての転送装置に対してタイムスタンプ付与機能が必要となる。しかし、本発明の実施例２では、時刻同期ネットワーク１０の滞留時間を計算するため、クライアント装置２１，２２と接続される転送装置１４，１５にのみタイムスタンプ付与機能があればよい。そのため、上り下りのルートが異なっていても時刻同期ネットワーク１０の滞留時間を正確に計算することが可能であり、高精度な時刻同期が可能である。

なお、時刻同期ネットワーク１０の滞留時間（遅延時間Δt₁₂，遅延時間Δt₃₄）は、新たにパケットにフィールドを定義し付与するか、End to End transparent clockにて規定されているCorrection Fieldに滞留時間を付与してもよい。End to End transparent clockのCorrection Fieldの通常の使用方法は、各通過ノードの装置遅延時間を累積していくものであるが、時刻同期ネットワーク１０で発生した遅延時間を付与してもクライアント装置にて正確に補正することが可能である。

１１時刻同期サーバ
１２，１３時刻同期装置
１４，１５転送装置
１６，１７クライアント装置
２１，２２クライアント装置

Claims

時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期システムにおいて、
前記２つのクライアント装置にそれぞれ接続される転送装置のうち、前記クライアント装置に前記時刻同期パケットを出力する側の転送装置で、前記時刻同期ネットワークを介して転送される時刻同期パケットの双方向の遅延時間Δｔを調整して等しくし、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う構成である
ことを特徴とする時刻同期システム。
時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期システムにおいて、
一方の前記転送装置は、一方の前記クライアント装置から送信された前記時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信する構成であり、
他方の前記転送装置は、前記一方の転送装置から前記時刻同期ネットワークを介して転送された前記時刻同期パケットを受信し、それに付与された前記受信時刻ｔ₁から所定の遅延時間Δｔが経過したときに、前記時刻同期パケットを他方の前記クライアント装置に送信する構成であり、
前記一方の転送装置、前記時刻同期ネットワーク、前記他方の転送装置を介して接続される前記２つのクライアント装置間の双方向の遅延時間Δｔを等しくして前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う
ことを特徴とする時刻同期システム。
時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期システムにおいて、
一方の前記転送装置は、一方の前記クライアント装置から送信された前記時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信する構成であり、
他方の前記転送装置は、前記一方の転送装置から前記時刻同期ネットワークを介して転送された前記時刻同期パケットを受信し、それに付与された前記受信時刻ｔ₁と当該第２の転送装置の受信時刻ｔ₂から前記時刻同期ネットワークの遅延時間Δｔを算出し、その遅延時間Δｔを付与した当該時刻同期パケットを他方の前記クライアント装置に送信する構成であり、
前記一方の転送装置、前記時刻同期ネットワーク、前記他方の転送装置を介して接続される前記２つのクライアント装置のそれぞれで、前記遅延時間Δｔを考慮して前記時刻同期パケットの受信時刻を補正し、双方向の遅延時間の差を吸収して前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う
ことを特徴とする時刻同期システム。
時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期方法において、
前記２つのクライアント装置にそれぞれ接続される転送装置のうち、前記クライアント装置に前記時刻同期パケットを出力する側の転送装置で、前記時刻同期ネットワークを介して転送される時刻同期パケットの双方向の遅延時間Δｔを調整して等しくし、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う
ことを特徴とする時刻同期方法。
時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期方法において、
一方の前記転送装置は、一方の前記クライアント装置から送信された前記時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信し、
他方の前記転送装置は、前記一方の転送装置から前記時刻同期ネットワークを介して転送された前記時刻同期パケットを受信し、それに付与された前記受信時刻ｔ₁から所定の遅延時間Δｔが経過したときに、前記時刻同期パケットを他方の前記クライアント装置に送信し、
前記一方の転送装置、前記時刻同期ネットワーク、前記他方の転送装置を介して接続される前記２つのクライアント装置間の双方向の遅延時間Δｔを等しくして前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う
ことを特徴とする時刻同期方法。
時刻同期が確立した時刻同期ネットワークの転送装置に接続された２つのクライアント装置間で、当該時刻同期ネットワークを介してＰＴＰ（Precision Time Protocol ）の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスに基づいて時刻同期をとる時刻同期方法において、
一方の前記転送装置は、一方の前記クライアント装置から送信された前記時刻同期パケットを受信し、その受信時刻ｔ₁を付与した時刻同期パケットを送信し、
他方の前記転送装置は、前記一方の転送装置から前記時刻同期ネットワークを介して転送された前記時刻同期パケットを受信し、それに付与された前記受信時刻ｔ₁と当該第２の転送装置の受信時刻ｔ₂から前記時刻同期ネットワークの遅延時間Δｔを算出し、その遅延時間Δｔを付与した当該時刻同期パケットを他方の前記クライアント装置に送信し、
前記一方の転送装置、前記時刻同期ネットワーク、前記他方の転送装置を介して接続される前記２つのクライアント装置のそれぞれで、前記遅延時間Δｔを考慮して前記時刻同期パケットの受信時刻を補正し、双方向の遅延時間の差を吸収して前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスに基づく時刻同期処理を行う
ことを特徴とする時刻同期方法。