JP2013121014A

JP2013121014A - 時刻同期装置及び方法

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Publication number: JP2013121014A
Application number: JP2011267283A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Honda; 泰理本多; Takanori Hayashi; 孝典林; Yukitaka Masuda; 征貴増田; Satoko Tominaga; 聡子富永; Fumiya Kobayashi; 史弥小林; Noriko Yoshimura; 憲子吉村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-17
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: JP5824347B2

Abstract

【課題】複数のNW機器間の時刻同期を行う際に、往復遅延が所定条件を満たす確率過程に従うと判断できる場合において、機器間のクロックスキューを推定する。
【解決手段】本発明は、ネットワーク装置において、対向装置に時刻情報要求であるSRパケットを送出し、対向装置からのSRパケット受信を契機として対応するRRパケットを該対向装置に送出し、RRパケットに経過時間情報を記録する。RRパケット受信時に当該RRパケットに含まれるタイムスタンプ情報に基づき往復遅延を推定し、往復遅延時間推定値の時系列をログとして記憶手段に格納し、記憶手段に格納されている往復遅延推定値の時系列と対向装置の往復遅延時間測定ログに基づき、線形回帰により両機器間のクロックスキューを推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、時刻同期装置及び方法に係り、特に、複数のネットワーク装置において、IPパケットのキャプションログに基づき、到着感覚やジッタの増減を精緻ニ判断する際に要する時刻同期を行うための時刻同期装置及び方法に関する。

RTP(Real Time Transfer Protocol) を利用して、ネットワーク上でリアルタイムに音声や映像を伝達するサービスが普及している。これらのサービスにおいてはネットワークもしくは宅内におけるパケットのロスが、FEC(Forward Error Correction)等による誤り回復機能の上限を超過した場合にサービス品質の劣化を招くが、ネットワーク遅延のゆらぎ(ジッタ)が過大になった場合においても、同様の品質劣化が発生することが知られている。遅延のゆらぎ発生箇所の切り分けのためには、当該サービスのパケットの経路上の各機器においてパケット到着間隔の計測を実施し、所定の閾値を超過する区間を特定することが必要である。これは現地で機器の上部側・下部側を流れるパケットを継続的にキャプチャすることにより可能であるが、一方で現地への人員派遣は通信事業者としてコスト面でも運用課題が存在する。

そこで、各ネットワーク機器においてパケットキャプチャを行い、到着間隔を継続的に計測することが求められるが、そのためには機器間の時刻同期が求められる。

接続された複数装置間の時刻同期を行う従来技術として、NTP(Network Time Protocol)が知られている（例えば、非特許文献1参照）。NTPは、IPネットワークを通信手段とし、時刻の基準を提供するサーバとサーバに時刻を一致させるクライアントの間で機能するプロトコルである。NTPでは、サーバとクライアント間のパケットの往復遅延2dと、サーバの示す時刻とクライアントのローカルな時刻との差Δｔとを用いて、時刻同期が実行される。

また、NTPとは別に近年、家庭内AV用LANなどで高精度の時刻同期を行うための技術の標準化が進められている。例えば、パケットネットワークにおいて、マイクロ秒未満の精度で時刻同期を行なうための技術としてIEEE1588がある。IEEE1588では、マスタ／スレーブノード間でのメッセージ交換によりタイムスタンプ情報が交換される。スレーブノードは、マスタ及びスレーブノードにおけるメッセージ送受信時刻から、マスタノードに対するスレーブノードの時刻のずれ（Offset）を計算する。そして、スレーブノードは、このOffsetに基づいてスレーブノードの時刻を補正し、スレーブノードの時刻をマスタノードに同期させる。

IEEE1588では、Offsetを求めるために、マスタノードからスレーブノードへの伝送遅延(MS_Delay)と、スレーブノードからマスタノードへの伝送遅延(SM_Delay)は等しいと仮定する。しかしながら、パケットネットワークではルータ、スイッチ等の中継ノードにおけるキューイング遅延等により、MS_DelayとSM_Delayとは異なる値となる可能性が高い。そのため、MS_DelayとSM_Delayとが等しいという仮定により、Offsetに誤差が生じてしまい、時刻同期精度が劣化する。

このような問題を解決するために、IEEE1588 version 2において、Transparent Clock(以下TC)機能が規定されている。なお、以降の説明では、このTC機能を利用したIEEE1588をIEEE1588v2 w/TCと記す。

しかしながら、IEEE1588v2 w/TCでは、経路上のノードがTC機能を有する必要がある。一方、既存ノードはTC機能を持たないものが大部分を占めるため、IEEE1588v2 w/TCを実現するためには、ノードの置き換えや機能追加が必要となる。したがって、IEEE1588v2 w/TCの実現は、コストや手間などの観点から困難であるという問題がある。

その他、RTCP(RTP Control Protocol)においては、SR(Sender Report)中に送信機器1が送出時刻を格納し、受信機器2が前記SRパケットの受信時刻および対応するRR(Receiver Report)中に、当該RRパケットの送出時刻を格納して送出する手段が規定されている。また前記受信機器2は、RRと同時にSRパケットを送出することも可能である。この場合には、前記送信機器1が前記SRパケットを受信後、同様のデータを格納して対応するRRパケットを送出する。これら既存技術を背景に、往復遅延時間をキューイング遅延とその他の遅延に分け、クロックスキューの推定手法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

また、マスター端末がスレーブ端末に対して送信するリクエスト中に周波数制御情報も含め、スレーブ側でクロック補正を行う手法が提案されている（例えば、特許文献1参照）。

特開2011-176768号公報

Network Time Protocol(Version 3)Specification, Implementation and Analysis，David L. Mills, IETF RFC-1305. 町澤朗彦他：「毎正秒パケット到着間隔(PAI)に基づいた時刻同期方式」,電子情報通信学会論文誌 J89-B(2006), 1855-1866.

しかしながら、特許文献１の技術は、複数のNW機器間の時刻同期を行うためには、往復遅延に課される条件の明確化と、その確認手段が必要であるが、これにつき明確化している文献は少ない。

例えば非特許文献２の技術では、キューイング遅延、その他の遅延ともに平均値が時間変動しないことを暗に前提としているが、その旨明記されていないのみならず、その確認手法については言及されていない。更に、往復遅延の分布の時間変動については勘案されていない。また前記RTCPの方法によれば、各機器のクロックスキューにより発生する誤差を解消することができない。これは、SRおよびRR中のタイムスタンプは、各機器のクロックにより記録されたものであることによる。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、往復遅延が所定条件を満たす確率過程に従うと判断できる場合において、機器間のクロックスキューを推定することが可能な時刻同期装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、２台のネットワーク装置間でIPパケットの送受信により時刻同期を行う時刻同期装置であって、
対向装置に時刻情報要求であるSRパケットを送出するSRパケット送出手段と、
対向装置からのSRパケット受信を契機として対応するRRパケットを該対向装置に送出するRRパケット送出手段と、
前記RRパケットに経過時間情報を記録するタイムスタンプ押下手段と、
前記RRパケット受信時に当該RRパケットに含まれるタイムスタンプ情報に基づき往復遅延を推定し、往復遅延時間推定値の時系列をログとして記憶手段に格納する往復遅延推定手段と、
前記記憶手段に格納されている往復遅延推定値の時系列に基づき両機器間のクロックスキューを推定するクロックスキュー推定手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ネットワーク(以下NW)機器間のクロックスキュー推定により、パケットの到着間隔の増減を精緻に判断することができる。また本発明技術に併せてクロックスキューの補正機能が実装された場合、クロックスキューに起因して発生する各種の問題、例えば見かけ上の遅延増大によるパケットロス等が解消される。GPS等を用いることなく、パケットのデータからクロックスキューを推定し精緻なパケット到着間隔増減の判断が可能となる。

これにより、本発明を、ネットワーク事業者とコンテンツプロバイダがIPTVサービス等の品質情報の測定を行う際に適用することで、IPパケットのキャプチャログに基づく到着間隔や、ジッタの増減の判断を精緻に行うことが可能となり、高精度な時刻同期を行うことができる。

本発明の一実施の形態におけるシステム構成図である。本発明の一実施の形態における制御パケット送受信フローである。本発明の一実施の形態における往復遅延時間測定フローである。本発明の一実施例の往復遅延時間推移である。本発明の一実施例の往復遅延分布の推移である。本発明の一実施例の回帰直線と推定値である。本発明を適用するシステム構成例である。

以下図面と共に、本発明の実施の形態を説明する。

上記課題を解決するために、本発明では各ネットワーク機器の間で専用のプロトコルを動作し、当該パケットに記載されたデータに基づきクロックスキューを推定する。以下、短時間内の機器間のクロックスキューは線形関係で与えられることを前提とする(例えば、文献１：北口善明他：「PCにおける時刻精度の精密計測とその評価」,電子情報通信学技報,NS2003-160(2003)参照)。

本発明の実施形態を概説する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるシステム構成図である。

同図に示すシステムは、２つのネットワーク(NW)機器により構成される。各NW機器１，２は、SRパケット送出部１１、タイムスタンプ押下部１２、RRパケット送信部１３、往復遅延時間測定部１４、およびクロックスキュー推定部１５とから構成される。また、往復遅延測定部１４、クロックスキュー推定部１５には、往復遅延測定結果ログ記憶部３２が接続されている。往復遅延測定結果ログ記憶部３２は、メモリやハードディスク等の記憶媒体である。

以下、図２のフローに従いNW機器1,2の間における本技術の動作概要を示す。

まずNW機器１は、SRパケットを対向するNW機器２から取得すると、タイムスタンプ押下部１２において、SRパケットに当該パケット送出時刻t0を記録し、SRパケット送出部１１よりNW機器２に送出する（ステップ１）。NW機器２は、前記SRパケット受信後、RRパケット送出部１３において任意の時間t1経過後にNW機器１に対して対応するRRパケットを送出する（ステップ２）。このとき、NW機器２のタイムスタンプ押下部１２において、RRパケットに、前記t0の値と、前記SRパケット受信時刻から当該RRパケット送出までの経過時間t1もしくはそれに該当する情報を記載する。ここでt1はNW機器２のクロックによる計測値であることに注意する。またこの時、SRパケット送出部１１から同時にNW機器１宛にSRパケットを送出することも可能である。

NW機器１の往復遅延測定部１４は、前記RRパケット受信後、当該RRパケット受信時刻t2、前記SRパケット送出時刻t0、およびNW機器２における経過時間t1とから、NW機器１のクロックによる往復遅延推定値を
（t2−t1／χ−t0）
により算出する。ただし、χはクロックスキューを示す正の定数であり、NW機器1における1秒と、NW機器2におけるχ秒が等しいとする。上記手順を複数反復し、都度、往復遅延推定値を算出する。各算出結果は、往復遅延測定結果ログ記憶部３２に格納・蓄積する（ステップ３）。

NW機器２において前記RRパケットと同時にSRパケットを送出する場合には、当該NW機器２のRRパケット送出部１３、SRパケット送出部１１それぞれにおいて、同様の処理を実施する。この場合、NW機器２のクロックによる往復遅延推定値は、NW機器２における前記RRパケット受信後、当該RRパケット受信時刻t5、前記SRパケット送出時刻t3、およびNW機器１における経過時間t4とから、次の式により算出する。

(t5−χt4−t3)
なお、NW機器１における1秒はNW機器２のクロックにおけるχ（＞0）秒に等しいとし、以下同様とする。

＜往復遅延時間に対する検定＞
クロックスキュー推定に先立ち、往復遅延時間の推移に対して、前記クロックスキュー推定部１５において、下記仮説に対する仮説検定を実施する。このために、図３に示すように、NW機器１の往復遅延推定部１４は任意の間隔で多数のpingを同時にNW機器２に送出し、それぞれの往復遅延時間の概算を計測する。また本技術では各時刻における往復遅延時間の確率密度関数を特定のものに限定しないため、例えばWilcoxonの符号順位検定等により実施することが望ましい。

仮説検定を、帰無仮説A「往復遅延時間の平均値が時間変動していない(計測開始から測定時刻までの計測結果の平均値に有意な差が無い)」とするとき、仮説A棄却時には、本技術を適用することができない。なお、上記仮定に該当する確率過程としては、各時刻における期待値が時刻に依存しない任意の確率過程、例えばブラウン運動、ブラウン橋などが該当する。

仮説Aが棄却されない場合、前記ping結果に基づき往復遅延の分散の時間変動を確認し、下記の仮説Bについて仮説検定を実施する：
帰無仮説B 「計測開始から測定時刻までの往復遅延の分散が時間経過に伴い増加/減少しない」
次に、クロックスキュー推定部１５について説明する。

以下では、前記仮説Aが棄却されない場合の処理を述べる。この場合には、NW機器１の往復遅延時間ログの各時刻における期待値は、往復遅延時間の平均値μを用いて
μ＋si／χ（i=1,2,…） (1)
と表される。ここでiは測定試行の番号、siはNW機器２におけるSR受信からRR送出までの経過時間(図２におけるt1)を表す。これより、各試行におけるsiの値を横軸、NW機器１の往復遅延時間ログの値を縦軸に取り線形回帰を適用すれば、その傾きの逆数および y切片は、それぞれχ、μの推定値となる。

本発明によれば、また、NW機器２で同様の処理を行う場合、当該機器で計測される往復遅延の平均値は、
μ＋χui (i=1,2,…) (2)
と表わされる。ここでuiはNW機器１におけるSR受信からRR送出までの経過時間である。

そこで、(1),(2)の両プロットに対する回帰分析を行い、χの推定値を算出することもできる。

なお前記仮説Bが棄却されない場合には、往復遅延の分散に時間変動が無いものとみなし、通常の線形回帰を適用できる。一方仮説Bが（増加/減少それぞれについて）棄却された場合には、往復遅延の分散の増減に伴い、SRパケット受信からRRパケット送出までの経過時間を調整したり、プロットに時間の重み付けを課した回帰を行うこともできる。例えば、SRパケット受信からRRパケット送出までの経過時間を時間経過に伴い短縮する方法や、回帰係数推定時の最小二乗法適用時に、時間経過に応じた重み付けを行う等の方法が挙げられる。またクロックスキューについて、si，tiが大きい場合には線形性が失われるため、これら値の大小について重み付けを課す、もしくは予め所定の値以下に設定しておくこともできる。

以下に、本発明を具体的に説明する。

本実施例では、往復遅延時間は以下のWiener過程に従うものとする：

但しN(μ,σ)は平均μ、標準偏差σの正規分布を表す。図4は以下で使用する往復遅延の標本経路を図示したものである。NW機器１のクロックスキュー推定部１５は、計測開始後それぞれ3，5，7秒においてNW機器２に対してping リクエスト100回を同時に送出する。各回までの応答時間の度数分布を図５に示す。またこの結果に対して、仮説Aに対する仮説検定を実施する。具体的には、Kruskal-Wallis検定を適用し下記手順により、各試行の差に対する仮説Aの検定を実施する。

この場合、3回の試行で得られた遅延を昇順に並べ、順位の各試行毎の和（R_j: j=1,2,3）を求める。これに基づき、統計量Hを下式により算出する：

上記Hの値に基づき、Kruskal-Wallis検定表により、仮説検定における結論（棄却の有無）の誤り率（の理論値）であるp値を算出する。

図５の例ではp値=0.55となり、仮説Aは棄却されない。従って平均の時間変動は認められないと判断する。

一方で、図５から分かるように、時間経過に伴い分散は増大している。次に、NW機器１からNW機器２に対してSRパケット送出を36回実施した。NW機器２における保持時間は、10.0秒から3.0秒まで0.2秒刻みで、時間に伴い減少する設定とした。

この時、NW機器１の往復遅延測定ログ、およびこれに基づく線形回帰実施結果を図６に示す。これよりクロックスキュー推定値1.15および往復遅延平均値の推定値9.9msecが得られる。実際にはそれぞれ1.1，10.0であることから、高い精度で推定できていることが分かる。また時間の経過に伴い分散が大となることから、siの値を降順にしていることが効果的であると考えられる。

上記のように、本発明では、パケットに記録するタイムスタンプ情報を利用し、クロックスキュー推定を行うことにより、各機器が蓄積する往復遅延時間測定ログに含まれるクロックスキューに起因する誤差を補正することが可能となる。

また、パケット通信を利用した機器間の遅延については、統計的仮説検定手法を導入することにより、所定条件が満足されることの確認処理を用いることにより、精度の高い結果を得ることができる。

上記の実施の形態に示したＮＷ機器を、図７に示す情報通信サービス送信装置４が接続された広域通信網に、中継装置６を介して接続されるホームネットワーク７と、該ホームネットワーク７を介して接続される情報通信サービス受信端末３によって、情報通信サービスを実現するシステムを想定し、情報通信サービス送信装置４と情報通信サービス受信端末３との間のパケット通信による情報通信サービスに対するユーザ体感品質を監視する受信端末品質測定装置４００と、中継装置６に組み込まれたHGW（Home Gate Way）品質測定装置３００に適用することで、HGW品質測定装置３００（NW機器２）が受信端末品質測定装置４００（NW機器１）からの測定開始に関する同期をとることも可能である。

なお、上記のNW機器の構成要素の各動作をプログラムとして構築し、NW機器として利用されるコンピュータにインストールして実行させる、または、ネットワークを介して流通させることが可能である。

本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。

１，２ネットワーク（NW）機器
３情報通信サービス受信端末
４情報通信サービス送信装置
５ＩＰ網
６中継装置
７ホームネットワーク
１０情報通信サービス品質監視サーバ
２０ HGW品質監視サーバ
１１ SRパケット送出部
１２タイムスタンプ押下部
１３ RRパケット送出部
１４往復遅延測定部
１５クロックスキュー推定部
３１クロックスキュー推定値
３２往復遅延測定ログ記憶部
１００受信端末品質監視装置
２００ HGW品質監視装置
３００ HGW品質測定装置
４００受信端末品質測定装置

Claims

２台のネットワーク装置間でIP(Internet Protocol)パケットの送受信により時刻同期を行う時刻同期装置であって、
対向装置に時刻情報要求であるSR (Sender Report)パケットを送出するSRパケット送出手段と、
対向装置からのSRパケット受信を契機として対応するRR(Receiver Report)パケットを該対向装置に送出するRRパケット送出手段と、
前記RRパケットに経過時間情報を記録するタイムスタンプ押下手段と、
前記RRパケット受信時に当該RRパケットに含まれるタイムスタンプ情報に基づき往復遅延を推定し、往復遅延時間推定値の時系列をログとして記憶手段に格納する往復遅延推定手段と、
前記記憶手段に格納されている往復遅延推定値の時系列に基づき両機器間のクロックスキューを推定するクロックスキュー推定手段と、
を有することを特徴とする時刻同期装置。
前記SRパケット送出手段に先立ち、
ネットワークの疎通を確認するための複数のコマンドを前記対向装置に送出し、往復遅延の平均・分散の増減有無について仮説検定により確認する手段を
更に有する請求項１記載の時刻同期装置。
前記クロックスキュー推定手段は、
前記記憶手段に格納されている自身の往復遅延時間測定ログに基づき、線形回帰により両機器間のクロックスキュー推定を行う手段、
請求項１記載の時刻同期装置。
前記クロックスキュー推定手段は、
対向装置の往復遅延時間測定ログも活用して線形回帰により両機器間のクロックスキュー推定を行う
請求項３記載の時刻同期装置。
前記クロックスキュー推定手段は、
往復遅延時間の分散の時間変動を勘案し、SRパケット受信からRRパケット送出までの経過時間の調整や、線形回帰における重み付けを行う
請求項１記載の時刻同期装置。
２台のネットワーク装置間でIPパケットの送受信により時刻同期を行う時刻同期方法であって、
ネットワーク装置において、
SRパケット送出手段が、対向装置に時刻情報要求であるSRパケットを送出するSRパケット送出ステップと、
RRパケット送出手段が、対向装置からのSRパケット受信を契機として対応するRRパケットを該対向装置に送出するRRパケット送出ステップと、
タイムスタンプ押下手段が、前記RRパケットに経過時間情報を記録するタイムスタンプ押下ステップと、
往復遅延推定手段が、前記RRパケット受信時に当該RRパケットに含まれるタイムスタンプ情報に基づき往復遅延を推定し、往復遅延時間推定値の時系列をログとして記憶手段に格納する往復遅延推定ステップと、
クロックスキュー推定手段が、前記記憶手段に格納されている往復遅延推定値の時系列と対向装置の往復遅延時間測定ログに基づき、線形回帰により両機器間のクロックスキューを推定するクロックスキュー推定ステップと、
を有することを特徴とする時刻同期方法。
前記SRパケット送出ステップの前に、
ネットワークの疎通を確認するための複数のコマンドを前記対向装置に送出し、往復遅延の平均・分散の増減有無について仮説検定により確認するステップを
更に有する請求項６記載の時刻同期方法。
前記クロックスキュー推定ステップにおいて、
往復遅延時間の分散の時間変動を勘案し、SRパケット受信からRRパケット送出までの経過時間の調整や、線形回帰における重み付けを行う
請求項６記載の時刻同期方法。